电感式传感器测量位移

时间：2024-10-04 百科知识版权反馈

【摘要】：电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感或互感量的改变这一物理现象来实现测量的。电感式传感器主要用于测量微位移，凡是能够转换成位移变化的参数，如压力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位等，都可以用电感式传感器来进行测量，广泛应用于纺织、化纤、机床、机械、冶金、机车汽车等行业的链轮齿速度检测，链输送带的速度和距离检测及汽车防护系统的控制等场合。螺管型电感传感器适用于测量比较大的位移。

任务描述

电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感或互感量的改变这一物理现象来实现测量的。根据转换原理不同，电感式传感器可分为自感式和互感式两大类。电感式传感器具有结构结构简单、工作可靠、抗干扰能力强、输出功率较大、分辨力较高、示值误差小、稳定性好等优点。主要缺点是灵敏度、线性度和测量范围相互制约，传感器自身频率响应低，不适用于快速动态测量。

任务目标

●掌握电感式传感器测量位移的工作原理、连接方式

●了解电感式传感器的种类

●了解普通工业电感式传感器的结构、应用场合

任务分析

电感式传感器主要用于测量微位移，凡是能够转换成位移变化的参数，如压力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位等，都可以用电感式传感器来进行测量，广泛应用于纺织、化纤、机床、机械、冶金、机车汽车等行业的链轮齿速度检测，链输送带的速度和距离检测及汽车防护系统的控制等场合。

任务实施

一、任务准备

按磁路几何参数变化的形式不同，目前常用的电感式传感器有变气隙式、变截面积式和螺线管式等三种。图4-1所示是这几种电感式传感器的结构原理图。

图4-1 传感器的结构原理

1.变隙型电感传感器

灵敏度为

灵敏度S1与空气隙厚度δ的平方成反比，空气隙厚度δ越小，灵敏度越高。为了保证一定的线性度，变隙型电感传感器只能在较小间隙范围内工作，因而只能用于微小位移的测量，一般为0.001～1mm。

2.变面积型电感传感器

变面积型电感传感器结构示意图如图4-1(b)所示。灵敏度为一常数。由于漏感等原因，变面积型电感传感器在A=0时仍有一定的电感，所以其线性区较小，而且灵敏度较低。

3.螺管型电感传感器

螺管型电感传感器的结构如图4-1(c)所示。线圈电感量的大小由衔铁插入螺线管的长度变化引起。螺管型电感传感器适用于测量比较大的位移。

4.差动式电感传感器

以上三种电感传感器使用时，由于线圈中通有交流励磁电流，衔铁始终承受电磁吸力，会引起振动及附加误差，而且非线性误差较大;另外，外界的干扰如电源电压、频率变化、温度变化都使输出产生误差。所以，在实际工作中常采用两个相同的传感器线圈共用一个衔铁，构成差动式电感传感器，这样可以提高传感器的灵敏度，减小测量误差。

差动式电感传感器的结构如图4-2所示。两个完全相同的单纯圈电感传感器共用一个活动衔铁就构成了差动式电感传感器。在变隙型差动电感传感器中，当衔铁随被测量移动而偏离中间位置时，两个线圈的电感量中一个增大一个减小，形成差动形式。

图4-2 差动式电感传感器结构图

在图4-2(a)中，假设衔铁向上移动，则总的电感变化量为

灵敏度为

式中，L0为衔铁处于差动线圈中间位置时的初始电感量。

比较可以看出，差动式电感传感器灵敏度约为非差动式电感传感器的两倍。另外，差动式电感传感器的线性较好，且输出曲线较陡，灵敏度较高。采用差动结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对外界的影响如温度变化、电源频率变化等也基本上可以相抵，衔铁承受的电磁吸力也较小，从而减小了测量误差。所以，实用的电感传感器几乎全是差动的。

二、任务实施

电感式位移测量电路系统主要由信号转换电路、运算放大电路、滤波输出电路、量程切换电路和窗口电压比较电路等部分组成(图4-3)。传感器输出交流电压信号，电压值与传感器磁芯位置成正比，经过信号转换电路将其转换为相应的直流电压信号。运算放大电路对直流电压信号进行放大，以满足后续电路的电压需求; 放大后的直流信号经过滤波输出电路输出，在计算机控制下实现自动检测; 同时，滤波信号经量程切换电路，将直流电压信号以对应电表不同量程的位移值显示，从而提供直观的测量结果。滤波信号经窗口电压比较电路可检测到测头位移状态，分别以检测、安装、报警等状态显示输出，保证了安装和检测过程的安全。

信号转换电路的功能是将传感器输出的交流电压信号转换为相应的直流电压信号。信号转换电路的设计直接影响到整个测头电路系统的测量精度，是测头电路系统的核心部分。传感器为线性差分式位移传感器，它的输入为磁芯的机械位移，输出为与磁芯位置成正比的交流电压信号。

图4-3 电感式传感器测量电路

三、任务检测

1.输出特性曲线与零点残余电压

差动变压器式传感器的输出特性曲线如图4-4所示。图中，x为衔铁偏离中心位置的距离;Uo为差动输出电动势，其中实线部分表示实际的输出特性，而虚线表示理想的输出特性;Uz表示零点残余电压。

图4-4 差动变压器式传感器的输出特性

当差动变压器式传感器的衔铁处于中间位置时，理想条件下其输出电压为0。但实际上，采用桥式电路时在零点仍有一个微小的电压值Uz存在，称为零点残余电压。零点残余电压造成零点附近的不灵敏区，给测量带来误差。若零点残余电压输入放大器内，会使放大器末级趋向饱和，影响电路的正常工作。因此，零点残余电压的大小是衡量差动变压器性能好坏的重要指标。

2.零点残余电压的产生原因

(1)差动的两个线圈的电气参数及导磁体的集合尺寸不可能完全对称。

(2)线圈的分布电容不对称。

(3)电源电压中含有高次谐波。

(4)传感器工作在磁化曲线的非线性段。

3.减小零点残余电压的方法

(1)尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数和磁路的对称

为了保证线圈的对称性，首先，要求提高加工精度，线圈选配成对，采用磁路可调节结构;其次，应选高磁导率、低剩磁感应的导磁材料，并应经过热处理，消除残余应力，以提高磁性能的均匀性和稳定性。

(2)选用合适的测量电路

例如，采用相敏检波电路，既可判别衔铁移动方向，又可改善输出特性，从而减小零点残余电压。

(3)采用补偿线路减小零点残余电压

图4-5是几种减小零点残余电压的补偿电路。在差动变压器次级绕组侧串、并联适当数值的电阻、电容元件，调整这些元件时，可使零点残余电压减小。

图4-5 减小零点残余电压电路

图4-5(a)所示是在次级绕组侧并联电容。由于两个次级线圈的感应电压相位不同，并联电容可改变绕组的相位，并联电阻起分流作用，使流入传感器线圈的电流发生变化，从而改变磁化曲线的工作点，减小高次谐波所产生的残余电压。图4-5(b)中的串联电阻用来调整次级线圈的电阻分量。图4-5(c)在次级绕组侧并联电位器，用于电气调零，改变两个次级线圈输出电压的相位。电容C可防止调整电位器时零点移动。图4-5(d)中接入补偿线圈L，以避免负载不是纯电阻而引起较大的零点残余电压。

任务评价

(1)是否能掌握电感式传感器测量位移的工作原理、连接方式?

(2)是否能了解电感式传感器的种类?

(3)是否能了解普通工业电感式传感器的结构、应用场合?

相关知识

电感式传感器按照工作原理不同可分为自感式传感器和互感式传感器，下面将分别介绍两种传感器的工作原理。

图4-6 变磁阻式传感器

1.自感式传感器

自感式传感器又称为变磁阻式传感器，它由线圈、铁芯、衔铁三部分组成，如图4-6所示。线圈套在铁芯上，铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为δ，传感器运动部分与衔铁相连，衔铁移动时δ发生变化，引起磁路的磁阻Rw变化，使电感线圈的电感值变化。因此，只要测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。

根据磁路知识，线圈自感量可按下式计算:

式中，W为线圈匝数;μ0为空气的磁导率;A为气隙的截面积; δ为气隙厚度。

由式(4-4)可见，自感L是气隙截面积A和气隙厚度δ的函数，因此，变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度δ的传感器(变气隙型)和变气隙面积A的传感器(截面型)。

图4-7 变气隙型传感器的L-δ特性

(1)变气隙型电感式传感器

由式(4-4)可知L与δ之间是非线性关系，特性曲线如图4-7所示。设电感式传感器初始气隙为δ0，初始电感量为L0，衔铁位移引起的气隙变化量为Δδ，衔铁处于初始位置时，初始电感量为

衔铁上移Δδ时，传感器气隙减小Δδ，即δ=δ0-Δδ，则此时输出电感L=L0+ΔL，代入式(4-4)并整理，得

Δδ＜＜δ时，可得灵敏度为

差动变气隙型电感式传感器的结构如图4-8所示。它由两个相同的电感线圈的磁路组成。测量时，衔铁与被测物体相连，当被测物体上下移动时，带动衔铁以相同的位移上下移动，两个磁回路的磁阻发生大小相等、方向相反的变化，一个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减小，形成差动形式。

图4-8 差动变气隙型电感式传感器结构

将两个电感线圈接入交流电桥的相邻桥臂，另两个桥臂由电阻组成。比较单线圈与差动两种变气隙型电感式传感器的特性，可知:

①差动型比单线圈的灵敏度提高一倍。

②差动型的线性度好。

③差动型的两个电感结构可抵消温度、噪声干扰的影响。

(2)截面型电感式传感器

图4-9 截面型电感式传感器的结构示意图

(3)测量电路

①交流电桥

交流电桥测量电路如图4-10所示。Z1=Z2=Z=R+jωL，以及R1=R2=R。由于电桥工作臂是差分形式，当衔铁上移工作时，Z1=Z+ΔZ， Z2=Z-ΔZ，电桥的输出电压为

图4-10 交流电桥

ωL＞＞R时，式(4-8)可写为

衔铁向下移动时，有

由式(4-9)、式(4-10)可以看出，衔铁上移和下移时，输出电压相位相反，交流电桥的输出电压与传感器线圈电感的相对变化量成正比。

②变压器式交流电桥

如图4-11所示，电桥的两臂是传感器线圈阻抗臂Z1、Z2，另外两个臂是交流变压器次级线圈阻抗的一半，交流供电。

图4-11 变压器式交流电桥

负载无穷大时，桥路输出电压为

衔铁处于中间位置时，Z1=Z2=Z，Uo=0; 当衔铁向上偏移时，Z1=Z+ΔZ，Z2=Z-ΔZ，输出电压为

衔铁向下偏移时，有

2.差动变压器式(互感式)传感器

(1)差动变压器式传感器的结构与工作原理

差动变压器式传感器的结构形式有变气隙型、变面积型和螺管型等，它们的工作原理基本一样。应用最多的是螺管型差动变压器式传感器。它可测量1～100mm范围内的机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点。螺管型差动变压器式传感器的线圈排列根据初、次级排列不同，有二节式、三节式、四节式和五节式等形式，如图4-12所示。三节式的零点电位较小，二节式比三节式灵敏度高、线性范围大，四节式和五节式可改善传感器的线性度。

图4-12 差动变压器式传感器线圈的各种排列形式

在理想情况下，差动变压器式传感器的等效电路如图4-13所示。

图4-13 螺管型差动变压器式传感器的等效电路

次级开路时，有

式中，ω为激励电压Ui的角频率;Ui为初级线圈激励电压;Ii为初级线圈激励电流;r1、L1为初级线圈直流电流电阻和电感。

次级绕组的感应电动势为

由于次级绕组方向串联，则差动变压器的输出电压为

输出电压的有效值为

(2)差动变压器式传感器的测量电路

①差动整流电路

图4-14 差动整流电路

差动整流电路是根据二极管的单向导电性原理进行解调的。它把两个次级电压分别整流，然后将整流后的电压或电流的差值作为输出。图4-14所示为电压输出型全波差动整流电路。若传感器的一个次级线圈的输出瞬时电压极性在e点为“+”，f点为“-”，则电流路径是eacdbf;如e点为“-”，f点为“+”，则电流路径是fbcdae。可见，无论次级线圈的输出瞬时电压极性如何，通过电阻R1上的电流总是从c到d。同理，分析另一个次级线圈的输出情况可知，通过电阻R2上的电流总是从g到h。

所以，无论次级线圈的输出瞬时电压极性如何，整流电路的输出电压Uo始终等于R1、R2两个电阻上的电压差，即

Uo=Udc+Ugh=Udc-Uhg　(4-18)

整流电路输出的电压波形如图4-15所示。铁芯在零点时，输出电压Uo=0; 铁芯在零位以上或零位以下时，输出电压的极性相反，零点残余电压自动消除。

图4-15 全波差动整流电路电压波形

②二极管相敏检波电路

相敏检波电路要求比较电压与差动变压器次级侧输出电压的频率相同，相位相同或相反。另外还要求比较电压的幅值尽可能大，一般情况下其幅值应为信号电压的3～5倍。

图4-16(a)是差动相敏检波电路的一种形式。VD1、VD2、VD3、VD4为四个性能完全相同的二极管，以同一个方向串联成一个闭合回路，R为限流电阻，避免二极管导通时变压器T2的次级电流过大。

差动变压器输出的调幅波电压U1通过变压器T1加到环形电桥的一条对角线上;参考电压U2通过变压器T2加到环形电桥的另一个对角线，U2和U1的频率相同(要求U2、U1在正位移时同频同相，在负位移时同频反相)，且U2＞U1;RL为负载电阻，输出电压UL从变压器T1和T2的中心抽头引出。

图4-16 二极管相敏检波电路和波形

下面分析相敏检波电路的工作原理。

当衔铁在中间位置时，传感器输出电压U1=0。如图4-16(a)所示，由于U2的作用，在正半周时电流i4自u1的正极出发，流过VD4，再经过变压器T1的下部线圈，自左向右经过负载电阻RL(规定该方向为正方向)后回到u1的负极。i4的大小为

电流i3自u2的正极出发，自右向左经过负载电阻RL，经过变压器T1的下部线圈，再流过VD1，然后回到u2的负极。i3的大小为

因为是从中心抽头，所以u1=u2，故i3=i4。流过RL的电流为两个电流的代数和，即io=i4-i3=0(i3与i4方向相反)。在负半周时，电流i1自u2的正极出发，流过VD1，再经过变压器T1的上部线圈，自左向右经过负载电阻RL(方向为正)后回到u2的负极;电流i3自u1的正极出发，自右向左经过负载电阻RL和变压器T1的上部线圈，再流过VD2，然后回到u1的负极。