《電感式傳感器》PPT課件.ppt
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一自感式傳感器二差動變壓器式傳感器三電渦流式傳感器,第三節(jié)電感式傳感器,利用電磁感應原理將被測非電量如位移、壓力、流量、振動等轉(zhuǎn)換成線圈自感量L或互感量M的變化,再由測量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出,這種裝置稱為電感式傳感器。電感式傳感器具有結構簡單,工作可靠,測量精度高,零點穩(wěn)定,輸出功率較大等一系列優(yōu)點,其主要缺點是靈敏度、線性度和測量范圍相互制約,傳感器自身頻率響應低,不適用于快速動態(tài)測量。這種傳感器能實現(xiàn)信息的遠距離傳輸、記錄、顯示和控制,在工業(yè)自動控制系統(tǒng)中被廣泛采用。電感式傳感器種類很多,本章主要介紹自感式、互感式和電渦流式三種傳感器。,電感傳感器的基本工作原理演示,F,,,,,220V,1、工作原理變磁阻式傳感器的結構如圖所示。它由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵由導磁材料如硅鋼片或坡莫合金制成,在鐵芯和銜鐵之間有氣隙,氣隙厚度為δ,傳感器的運動部分與銜鐵相連。當銜鐵移動時,氣隙厚度δ發(fā)生改變,引起磁路中磁阻變化,從而導致電感線圈的電感值變化,因此只要能測出這種電感量的變化,就能確定銜鐵位移量的大小和方向。,一變磁阻式傳感器,電感傳感器的基本工作原理演示,,氣隙變小，電感變大，電流變小,電感傳感器的基本工作原理,當鐵心的氣隙較大時，磁路的磁阻Rm也較大，線圈的電感量L和感抗XL較小，所以電流I較大。當鐵心閉合時，磁阻變小、電感變大，電流減小。,公式,由電工知識可知，線圈的自感量等于線圈中通入單位電流所產(chǎn)生的磁鏈數(shù)，即線圈的自感系數(shù)為,式中，ψ=NФ為磁鏈；Ф為磁通（Wb）；I為流過線圈的電流（A），N為線圈匝數(shù)。根據(jù)磁路歐姆定律知：,式中，μ為磁導率；S為磁路截面積；l為磁路總長度。,式中:Rm——磁路總磁阻。對于變隙式傳感器,因為氣隙很小,所以可以認為氣隙中的磁場是均勻的。若忽略磁路磁損,則磁路總磁阻為Rm=式中:μ1——鐵芯材料的導磁率;μ2——銜鐵材料的導磁率;L1——磁通通過鐵芯的長度;L2——磁通通過銜鐵的長度;S1——鐵芯的截面積;S2——銜鐵的截面積;μ0——空氣的導磁率(約為);,S0——氣隙的截面積;δ——氣隙的厚度。通常氣隙磁阻遠大于鐵芯和銜鐵的磁阻,即則近似地,,上式表明,當線圈匝數(shù)為常數(shù)時,電感L僅僅是磁路中磁阻Rm的函數(shù),只要改變δ或S0均可導致電感變化,因此變磁阻式傳感器又可分為變氣隙厚度δ的傳感器和變氣隙面積Ｓ0的傳感器。使用最廣泛的是變氣隙厚度δ式電感傳感器。2、輸出特性設電感傳感器初始氣隙為δ0,初始電感量為L0,銜鐵位移引起的氣隙變化量為Δδ。已知L與δ之間是非線性關系,特性曲線如圖表示：,當銜鐵上移Δδ時,傳感器氣隙減小Δδ,即δ=δ0-Δδ,則此時輸出電感為L=L0+ΔL,代入并整理,得,當Δδ/δ0《1時,可將上式用臺勞級數(shù)展開成級數(shù)形式為,初始電感量為,作線性處理，忽略高次項,可得靈敏度為,由此可見,變間隙式電感傳感器的測量范圍與靈敏度及線性度相矛盾,所以變隙式電感式傳感器用于測量微小位移時是比較精確的。為了減小非線性誤差,實際測量中廣泛采用差動變隙式電感傳感器。,差動優(yōu)點：改善線性，減小線性誤差；使靈敏度提高一倍。,為了增加靈敏度，改善線性，往往做差動式結構,自感式電感傳感器的分類比較,,差動自感式傳感器,差動互感式傳感器,相同的兩線圈1、2，當磁鐵在中位時L1=L2，UL=0。當磁鐵上下移動時L1?L2，UL也變化，測定UL就可測定A的位移。,由差動變隙式電感傳感器的原理結構圖可知,差動變隙式電感傳感器由兩個相同的電感線圈Ⅰ、Ⅱ和磁路組成,測量時,銜鐵通過導桿與被測位移量相連,當被測體上下移動時,導桿帶動銜鐵也以相同的位移上下移動,使兩個磁回路中磁阻發(fā)生大小相等#,方向相反的變化,導致一個線圈的電感量增加,另一個線圈的電感量減小,形成差動形式。當銜鐵往上移動Δδ時,兩個線圈的電感變化量分別用ΔL1、ΔL2表示,當差動使用時,兩個電感線圈接成交流電橋的相鄰橋臂,另兩個橋臂由電阻組成,電橋輸出電壓與ΔL有關,其具體表達式為,對上式進行線性處理，忽略高次項得,靈敏度K0為,比較單線圈和差動兩種變間隙式電感傳感器的特性,可以得到：差動式比單線圈式的靈敏度高一倍。,3、測量電路電感式傳感器的測量電路有交流電橋式、交流變壓器式以及諧振式等幾種形式。,交流電橋式測量電路圖所示為交流電橋測量電路,把傳感器的兩個線圈作為電橋的兩個橋臂Z1和Z2,另外二個相鄰的橋臂用純電阻代替,對于高Q值（Q=ωL/R）的差動式電感傳感器,其輸出電壓式中:L0——銜鐵在中間位置時單個線圈的電感;ΔL——單線圈電感的變化量。將ΔL=L0（Δδ/δ0）代入式得（Δδ/δ0）,電橋輸出電壓與Δδ有關。,變壓器式交流電橋變壓器式交流電橋測量電路如圖所示,電橋兩臂Z1、Z2為傳感器線圈阻抗,另外兩橋臂為交流變壓器次級線圈的1/2阻抗。當負截阻抗為無窮大時,橋路輸出電壓,當傳感器的銜鐵處于中間位置,即Z1=Z2=Z時有=0,電橋平衡。當傳感器銜鐵上移時,即Z1=Z+ΔZ,Z2=Z-ΔZ,此時,當傳感器銜鐵下移時,則Z1=Z-ΔZ,Z2=Z+ΔZ,此時可知,銜鐵上下移動相同距離時,輸出電壓的大小相等,但方向相反,由于是交流電壓,輸出指示無法判斷位移方向,必須配合相敏檢波電路來解決。,諧振式測量電路諧振式測量電路有諧振式調(diào)幅電路及諧振式調(diào)頻電路如圖所示。,相敏檢波電路,當銜鐵偏離中間位置而使Z1=Z+ΔZ增加，則Z2=Z-ΔZ減少。這時當電源u上端為正，下端為負時，電阻R1上的壓降大于R2上的壓降；當u上端為負，下端為正時，R2上壓降則大于R1上的壓降，電壓表V輸出上端為正，下端為負。,非相敏整流和相敏整流電路輸出電壓比較(a)非相敏整流電路；（b）相敏整流電路,使用相敏整流，輸出電壓U0不僅能反映銜鐵位移的大小和方向，而且還消除零點殘余電壓的影響，,4、變磁阻式傳感器的應用下圖所示是變隙電感式壓力傳感器的結構圖。它由膜盒、鐵芯、銜鐵及線圈等組成,銜鐵與膜盒的上端連在一起。當壓力進入膜盒時,膜盒的頂端在壓力P的作用下產(chǎn)生與壓力P大小成正比的位移。于是銜鐵也發(fā)生移動,從而使氣隙發(fā)生變化,流過線圈的電流也發(fā)生相應的變化,電流表指示值就反映了被測壓力的大小。,變隙式自感壓力傳感器結構圖,變隙差動式電感壓力傳感器,,圖所示為變隙式差動電感壓力傳感器。它主要由C形彈簧管、銜鐵、鐵芯和線圈等組成。,當被測壓力進入C形彈簧管時,C形彈簧管產(chǎn)生變形,其自由端發(fā)生位移,帶動與自由端連接成一體的銜鐵運動,使線圈1和線圈2中的電感發(fā)生大小相等、符號相反的變化,即一個電感量增大,另一個電感量減小。電感的這種變化通過電橋電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。由于輸出電壓與被測壓力之間成比例關系,所以只要用檢測儀表測量出輸出電壓,即可得知被測壓力的大小。,二差動變壓器式傳感器,把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感量變化的傳感器稱為互感式傳感器。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的,并且次級繞組都用差動形式連接,故稱差動變壓器式傳感器。差動變壓器結構形式較多,有變隙式、變面積式和螺線管式等,但其工作原理基本一樣。非電量測量中,應用最多的是螺線管式差動變壓器,它可以測量1～100mm范圍內(nèi)的機械位移,并具有測量精度高,靈敏度高,結構簡單,性能可靠等優(yōu)點。,差動變壓器結構形式較多,有變隙式、變面積式和螺線管式等,但其工作原理基本一樣。非電量測量中,應用最多的是螺線管式差動變壓器,它可以測量1～100mm范圍內(nèi)的機械位移,并具有測量精度高,靈敏度高,結構簡單,性能可靠等優(yōu)點。1、工作原理螺線管式差動變壓器結構如圖所示,它由初級線圈#,兩個次級線圈和插入線圈中央的圓柱形鐵芯等組成。螺線管式差動變壓器按線圈繞組排列的方式不同可分為一節(jié)、二節(jié)、三節(jié)、四節(jié)和五節(jié)式等類型,如圖所示。一節(jié)式靈敏度高,三節(jié)式零點殘余電壓較小,通常采用的是二節(jié)式和三節(jié)式兩類。,差動變壓器式傳感器中兩個次級線圈反向串聯(lián),并且在忽略鐵損、導磁體磁阻和線圈分布電容的理想條件下,其等效電路如圖所示。當初級繞組w1加以激勵電壓時,根據(jù)變壓器的工作原理,在兩個次級繞組w2a和w2b中便會產(chǎn)生感應電勢和。如果工藝上保證變壓器結構完全對稱,則當活動銜鐵處于初始平衡位置時,必然會使兩互感系數(shù)M1=M2。根據(jù)電磁感應原理,將有。由于變壓器兩次級繞組反向串聯(lián),因而,即差動變壓器輸出電壓為零。,2、基本特性差動變壓器等效電路次級開路時有式中:ω——激勵電壓的角頻率;——初級線圈激勵電壓;——初級線圈激勵電流;r1、L1——初級線圈直流電阻和電感。根據(jù)電磁感應定律,次級繞組中感應電勢的表達式分別為:,,由于次級兩繞組反向串聯(lián),且考慮到次級開路,則由以上關系可得:輸出電壓的有效值為,下面分三種情況進行分析。(1)活動銜鐵處于中間位置時M1=M2=M,故=0(2)活動銜鐵向上移動時M1=M+ΔMM2=M-ΔM故=2ωΔM/［r21+（ωL1）2］1/2,與同極性。(3)活動銜鐵向下移動時M1=M-ΔMM2=M+ΔM故,與同極性。,,,把位移的變化轉(zhuǎn)換為互感器互感的變化。W為初級線圈，W1、W2為對稱的兩個次級線圈，W輸入一個穩(wěn)定的交流電壓e1時，W1、W2感應出電動勢e21、e22，二者按極性反向串接，大小與鐵芯的位置A有關，則輸出電壓U=e21-e22,差動自感式傳感器,差動互感式傳感器,,,差動自感式傳感器,差動互感式傳感器,,,3、差動變壓器式傳感器測量電路差動變壓器輸出的是交流電壓,若用交流電壓表測量,只能反映銜鐵位移的大小,而不能反映移動方向。另外,其測量值中將包含零點殘余電壓。為了達到能辨別移動方向及消除零點殘余電壓的目的,實際測量時,常常采用差動整流電路和相敏檢波電路。差動整流電路這種電路是把差動變壓器的兩個次級輸出電壓分別整流,然后將整流的電壓或電流的差值作為輸出,下圖給出了幾種典型電路形式。圖中（a）、（c）適用于交流負載阻抗,（b）、（d）適用于低負載阻抗,電阻R0用于調(diào)整零點殘余電壓。下面結合圖（c）,分析差動整流工作原理。,從圖（c）電路結構可知,不論兩個次級線圈的輸出瞬時電壓極性如何,流經(jīng)電容C1的電流方向總是從2到4,流經(jīng)電容C2的電流方向從6到8,故整流電路的輸出電壓為U2=U24-U68當銜鐵在零位時,因為U24=U68,所以U2=0;當銜鐵在零位以上時,因為U24>U68,則U2>0;而當銜鐵在零位以下時,則有U24
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