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1、传感器技术第三章电感式传感器第1页，本讲稿共35页先看一个实验：先看一个实验：将一只将一只380V交流接触器线圈与交流毫安表交流接触器线圈与交流毫安表串联后，接到机床用控制变压器的串联后，接到机床用控制变压器的36V交流电压源上，如交流电压源上，如下图所示。这时毫安表的示值约为几十毫安。用手慢慢将下图所示。这时毫安表的示值约为几十毫安。用手慢慢将接触器的活动铁心（称为衔铁）往下按，我们会发现毫安接触器的活动铁心（称为衔铁）往下按，我们会发现毫安表的读数逐渐减小。当衔铁与固定铁心之间的气隙等于零表的读数逐渐减小。当衔铁与固定铁心之间的气隙等于零时，毫安表的读数只剩下十几毫安。时，毫安表的读数只剩
2、下十几毫安。第2页，本讲稿共35页电感传感器的基本工作电感传感器的基本工作原理演示原理演示F220V准备工作准备工作第3页，本讲稿共35页电感传感器的基本工作电感传感器的基本工作原理演示原理演示气隙变小，电感变大，电流变小F F第4页，本讲稿共35页3.1传感器线圈的电气参数分析传感器线圈的电气参数分析1、线圈电感、线圈电感L线圈总磁链线圈总磁链,单位：韦伯；单位：韦伯；I I通过线圈的电流，单位：安培；通过线圈的电流，单位：安培；W W线圈的匝数；线圈的匝数；R Rm m磁路总磁阻，单位：磁路总磁阻，单位：1/1/亨。亨。第5页，本讲稿共35页2、铜损电阻、铜损电阻Rc 铜损引起的耗散因数与
3、激励频率成正比。铜损引起的耗散因数与激励频率成正比。3、涡流损耗电阻、涡流损耗电阻Re 高电阻率有利于涡流损耗的下降，而高磁导率却高电阻率有利于涡流损耗的下降，而高磁导率却导致涡流损耗的增加。导致涡流损耗的增加。4、磁滞损耗电阻、磁滞损耗电阻Rh 磁滞损耗电阻与激励频率无关。在小激励电流和弱磁场磁滞损耗电阻与激励频率无关。在小激励电流和弱磁场状态，与铜损和涡流损耗相比可忽略。状态，与铜损和涡流损耗相比可忽略。5、总耗散因数、总耗散因数D和品质因数和品质因数Q6、并联寄生电容的影响、并联寄生电容的影响 并联寄生电容由线圈绕组的固有电容和电缆的分布电并联寄生电容由线圈绕组的固有电容和电缆的分布电容
4、组成容组成。它的存在使灵敏度提高。因此，按规定电缆校正。它的存在使灵敏度提高。因此，按规定电缆校正好的仪器，如更换电缆就应重新校正或并联电容加以调整。好的仪器，如更换电缆就应重新校正或并联电容加以调整。当激励频率较低时当激励频率较低时(f10kHz)可忽略其影响可忽略其影响.第6页，本讲稿共35页3.2 自感式传感器a)气隙型 b)截面型 c)螺管型自感式传感器原理图自感式传感器原理图第7页，本讲稿共35页式中，式中，l1，l2 铁心和衔铁的磁路长度铁心和衔铁的磁路长度 ；S1，S2铁心和衔铁的截面积铁心和衔铁的截面积 2；1，2铁心和衔铁的磁导率铁心和衔铁的磁导率 2；S0，气隙磁通截面积气
5、隙磁通截面积 2 和气隙总长和气隙总长 。等效磁导率等效磁导率:将上述线圈等效成一封闭铁心线圈，其磁将上述线圈等效成一封闭铁心线圈，其磁路等效磁导率为路等效磁导率为e，磁通截面积为，磁通截面积为S，磁路长度为，磁路长度为l，则磁，则磁阻：阻：式中式中0 真空磁导率，真空磁导率，0 410-7(H/m)第8页，本讲稿共35页 互感式传感器互感式传感器(差动变压器差动变压器)是一种线圈互感随衔铁位移是一种线圈互感随衔铁位移变化的变磁阻式传感器。变化的变磁阻式传感器。结构形式结构形式变隙式、变面积式、变隙式、变面积式、螺线管式（几纳米螺线管式（几纳米1米的机械位移、精度米的机械位移、精度高、灵敏度高
6、、性能高、灵敏度高、性能可靠）可靠）3.3 互感式传感器互感式传感器(差动变压器差动变压器)第9页，本讲稿共35页 互感式传感器互感式传感器(差动变压器差动变压器)原理类似于变压器，因此应用变原理类似于变压器，因此应用变压器原理对其电气参数进行分析。压器原理对其电气参数进行分析。不同之处：不同之处：变压器：闭磁路，初、次级变压器：闭磁路，初、次级间的互感为常数；间的互感为常数；差动变压器差动变压器：开磁路，初、开磁路，初、次级间的互感随衔铁移动而变。次级间的互感随衔铁移动而变。次级绕组采用差动形式连接。次级绕组采用差动形式连接。第10页，本讲稿共35页3.3.1 工作原理与类型工作原理与类型1
7、、等效电路及输出特性：（忽略铁损、导磁体磁阻、线、等效电路及输出特性：（忽略铁损、导磁体磁阻、线圈分布电容等）圈分布电容等）第11页，本讲稿共35页 M!、M2分别为两个次级绕组分别为两个次级绕组A和和B的互感，的互感，衔铁在初始平衡位置：衔铁在初始平衡位置：衔铁移向上端：衔铁移向上端：衔铁移向下端：衔铁移向下端：被测体位移被测体位移衔铁移动衔铁移动第12页，本讲稿共35页根据等效电路，当次级开路时初级电流：根据等效电路，当次级开路时初级电流：次级绕组中的感应电势为：次级绕组中的感应电势为：输出电压为：输出电压为：输出电压幅值为：输出电压幅值为：(3-54)(3-55)第13页，本讲稿共35页
8、(3)衔铁向下端移衔铁向下端移：若若则：则：输出与输入反相输出与输入反相输出与输入同相输出与输入同相 当有示波器当有示波器时，可通过观时，可通过观察输出与输入察输出与输入之间的相位关之间的相位关系判断衔铁的系判断衔铁的移动方向。移动方向。当用交流电当用交流电表时就无法判表时就无法判断衔铁的移动断衔铁的移动方向了。方向了。第14页，本讲稿共35页当激励频率过低时，当激励频率过低时，L L1 1RR1,得得:这时灵敏度随频率这时灵敏度随频率增加而增加，增加而增加，当激励频率增加超过某数值，由于趋肤效应和鉄损等影响，当激励频率增加超过某数值，由于趋肤效应和鉄损等影响，灵敏度将下降。灵敏度将下降。这时
9、灵敏度与频率这时灵敏度与频率无关，为一常数。无关，为一常数。由上式由上式(3-54)可知，可知，2、灵敏度与激励频率间的关系灵敏度与激励频率间的关系第15页，本讲稿共35页三种类型传感器的适用范围：三种类型传感器的适用范围：差动变压器的灵敏度一般可达差动变压器的灵敏度一般可达0.55V/mm，行程越小，行程越小，灵敏度越高。灵敏度越高。为了提高灵敏度，励磁电压在为了提高灵敏度，励磁电压在10V左右为宜。电源频率以左右为宜。电源频率以400Hz10kHz为好。为好。变气隙式一般用于测量几微米到几百微米的位移变气隙式一般用于测量几微米到几百微米的位移;变面积式一般可测量零点几角秒以下的微小角位移变
10、面积式一般可测量零点几角秒以下的微小角位移,线性线性范围可达范围可达10;螺管式可螺管式可测测量几量几纳纳米到一米的位移米到一米的位移,但灵敏度稍低。但灵敏度稍低。第16页，本讲稿共35页3、变隙式差动变压器变隙式差动变压器 (1).工作原理工作原理 两个两个初级初级绕组同名绕组同名端端顺向顺向串联，两个串联，两个次级次级绕组同名端绕组同名端反向反向串联。串联。衔铁在初始平衡位置：被测体位移衔铁位移：的大小与极性反映被测体位移的大小和方向。第17页，本讲稿共35页(2).(2).输出特性输出特性输出特性输出特性l在忽略铁损（涡流与磁滞损耗）和漏感且变压器次级开路在忽略铁损（涡流与磁滞损耗）和漏
11、感且变压器次级开路（负载阻抗足够大）条件下，得等效电路：（负载阻抗足够大）条件下，得等效电路：l由电磁感应定律和磁路由电磁感应定律和磁路欧姆定律，当欧姆定律，当R10时，时，u2与与us同频同相，无论在电压的正同频同相，无论在电压的正半周还是负半周，输出均为正：半周还是负半周，输出均为正：当衔铁位移当衔铁位移x0时，时，u2与与us同频反相，无论在电压的同频反相，无论在电压的正半周还是负半周，输出均为负：正半周还是负半周，输出均为负：第27页，本讲稿共35页 注意：经相敏检波和差动整流输出的信号还必须经低通经相敏检波和差动整流输出的信号还必须经低通滤波消除高频分量，才能获得与衔铁运动一致的有用
12、信号。滤波消除高频分量，才能获得与衔铁运动一致的有用信号。第28页，本讲稿共35页3.3.3 互感式传感器的误差互感式传感器的误差1、输出特性的非线性、输出特性的非线性2、温度误差、温度误差3、激励电源的影响、激励电源的影响4、零点残余电压、零点残余电压 第29页，本讲稿共35页 传感器的原理和测量电路均存在非线性。传感器的原理和测量电路均存在非线性。为了减小非线性，常用的方法是采用差动结构和限制测量为了减小非线性，常用的方法是采用差动结构和限制测量范围。范围。对于螺管式自感传感器，增加线圈的长度有利于扩大线对于螺管式自感传感器，增加线圈的长度有利于扩大线性范围或提高线性度。在工艺上应注意导磁
13、体和线圈骨架的性范围或提高线性度。在工艺上应注意导磁体和线圈骨架的加工精度、导磁体材料与线圈绕制的均匀性，加工精度、导磁体材料与线圈绕制的均匀性，对于差动式则应保证其对对于差动式则应保证其对称性，合理选择衔铁长度和线称性，合理选择衔铁长度和线圈匝数。另一种有效的方法是圈匝数。另一种有效的方法是采用阶梯形线圈，如图采用阶梯形线圈，如图 所示。所示。1、输出特性的非线性、输出特性的非线性第30页，本讲稿共35页 环境温度的变化会引起自感传感器的零点温度漂环境温度的变化会引起自感传感器的零点温度漂移、灵敏度温度漂移以及线性度和相位的变化，造成移、灵敏度温度漂移以及线性度和相位的变化，造成温度误差。温
14、度误差。环境温度对自感传感器的影响主要通过：环境温度对自感传感器的影响主要通过：*材料的线膨胀系数引起零件尺寸的变化材料的线膨胀系数引起零件尺寸的变化 *材料的电阻率温度系数引起线圈铜阻的变化材料的电阻率温度系数引起线圈铜阻的变化 *磁性材料磁导率温度系数、绕组绝缘材料的介质磁性材料磁导率温度系数、绕组绝缘材料的介质温度系数和线圈几何尺寸变化引起线圈电感量及寄生温度系数和线圈几何尺寸变化引起线圈电感量及寄生电容的改变等造成。电容的改变等造成。2、温度误差、温度误差第31页，本讲稿共35页 当温度变化时，初级线圈的参数尤其铜阻的变化影响当温度变化时，初级线圈的参数尤其铜阻的变化影响较大。设温度变
15、化较大。设温度变化t t()，初级线圈铜阻，初级线圈铜阻R增加增加R，铜线电阻温度系数为铜线电阻温度系数为+0.4/，由此引起的次级输出，由此引起的次级输出电压的相对变化为电压的相对变化为:由上式可知，低频激励时初级线圈的品质因数由上式可知，低频激励时初级线圈的品质因数(QL1/R1)低，温度误差大。为此应提高初级线圈的品质因数。低，温度误差大。为此应提高初级线圈的品质因数。第32页，本讲稿共35页4、零点残余电压、零点残余电压 :被测量为零被测量为零(衔铁在中间位置衔铁在中间位置)时，输出不为零。时，输出不为零。影响：零点附近不灵敏；零点残余电压过大导致线影响：零点附近不灵敏；零点残余电压过
16、大导致线性度变坏，灵敏度下降，甚至使放大器提前饱和。性度变坏，灵敏度下降，甚至使放大器提前饱和。零点残余电压主要包括：基波零点残余电压主要包括：基波 信号、基波正交信号及高次信号、基波正交信号及高次谐波信号；谐波信号；产生原因：两个次级线圈的等效参数不对称；铁芯的产生原因：两个次级线圈的等效参数不对称；铁芯的B-H特性的非线性；特性的非线性；减小零点残余电压减小零点残余电压 的措施：在工艺上尽可能保证两个次的措施：在工艺上尽可能保证两个次级线圈的对称；采用拆圈的方法；在电路上进行补偿（补偿级线圈的对称；采用拆圈的方法；在电路上进行补偿（补偿电路见书电路见书P77图图320）3、激励电源的影响、
17、激励电源的影响第33页，本讲稿共35页实验用零位电压补偿电路：实验用零位电压补偿电路：常用的补偿方法：常用的补偿方法：(1)串联电阻消除基波零位电压；串联电阻消除基波零位电压；(2)并联电阻、电容用以减小高次谐波零位电压；并联电阻、电容用以减小高次谐波零位电压；(3)加反馈支路减小基波分量或高次谐波分量。加反馈支路减小基波分量或高次谐波分量。第34页，本讲稿共35页3.4 差动变压器式传感器的应用差动变压器式传感器的应用 电感式传感器主要用于测量位移与尺寸，也可测电感式传感器主要用于测量位移与尺寸，也可测量能转换成位移变化的其他参数，如力、张力、压力、量能转换成位移变化的其他参数，如力、张力、压力、压差、振动、应变、转矩、流量、比重等。压差、振动、应变、转矩、流量、比重等。3.4.1 位移与尺寸测量位移与尺寸测量 3.4.1 压力测量压力测量 3.4.1 力和力矩测量力和力矩测量 3.4.1 振动测量振动测量第35页，本讲稿共35页