电感式微位移传感器

《传感器原理及应用》课程考核论文题目电感式微位移传感器分析及应用实例班级学号姓名成绩机械与汽车工程学院机械电子工程系二零一四年五月目录摘要 2 引言 2一、电感式传感器组成及原理 3二、电感测头的结构11三、差动变压器应用11四、电感式微位移传感器应用实例12 参考文献23电感式微位移传感器分析及应用实例摘要：随着现代制造业的规模逐渐扩大，自动化程度愈来愈高。

要保证产品质量，对产品的检测和质量管理都提出了更高的要求。

电感式微位移传感器是一种分辨率极高、工作可靠、使用寿命很长的测量仪器,应用于微位移测量已有比较长的历史. 本文主要对电感式微位移传感器进行了系统性分析，阐述了其物理效应、构成、结构、测量电路、显示装置等基本内容，并在网上对此传感器进行了选型，结合其产品手册/使用说明书，详细说明了此传感器的用法，并进行了举例说明。

关键词: 电感式传感器，相敏检波，零点残余电压Abstract:With modern manufacturing scale expands gradually, more and more high degree of automation. To ensure the quality of product, the product testing and quality management are put forward higher requirements. Inductive micrometer is a kind of extremely high resolution, reliable operation, long service life measuring instrument, used in the micro displacement measurement has a long history. This article mainly has carried on the systematic analysis to inductance displacement of weak, expounds the physical effect, composition, structure, measuring circuit, display device, the basic content, and for the selection of this sensor on the net,combined with its product manuals operating instructions, detailed the use of the sensor, and an example was carried out.Key words: Inductive sensor, phase sensitive detection, zero residual voltage引言电感式微位移传感器又称电感式测微仪是一种能够测量微小尺寸变化的精密测量仪器，它由主体和测头两部分组成，配上相应的测量装置（例如测量台架等），能够完成各种精密测量。

例如，检查工件的厚度、内径、外径、椭圆度、平行度、直线度、径向跳动等，被广泛应用于精密机械制造业、晶体管和集成电路制造业以及国防、科研、计量部门的精密长度测量。

主要的技术指标为⑴测量范围：0~±30μm档及0~±500μm档。

⑵示值误差：0~土30μm档为0.1μm，0~±500μm档为1μm。

⑶分辨率：0~±30μm档为0.01μm，0~±500m档为0.1μm。

⑷极性：当测量值为负时，自动显示“-”；为正时，无极性符号。

一、电感式传感器组成及原理电感式传感器是利用线圈自感或互感的变化来实现测量的一种装置，可以用来测量位移、振动、压力、流量、重量、力矩和应变等多种物理量。

电感式传感器的核心部分是可变自感或可变互感，在被测量转换成线圈自感或互感的变化时，一般要利用磁场作为媒介或利用铁磁体的某些现象。

这类传感器的主要特征是具有绕组。

电感式传感器的优点①结构简单、可靠。

②分辨率高。

能测量0.1μm的机械位移，甚至更小；能感受0.1角秒的微小角位移。

输出信号强，电压灵敏度可达数百mV/mm 。

③重复性好，线性度优良在几十μm到数百mm的位移范围内，输出特性的线性度较好，且比较稳定。

④能实现远距离传输、记录、显示和控制。

电感式传感器的不足：存在交流零位信号，不宜高频动态测量。

电感式传感器种类很多。

根据转换原理不同，可分为自感式和互感式两种；根据结构形式不同，可分为气隙型和螺管型两种。

现在市场上的电感式测微仪多采用差动变压器式结构，故这里只针对差动式变压器进行说明。

（一）结构原理与等效电路差动变压器的结构形式如图所示，它分为气隙型和螺管型两种形式。

气隙型差动变压器由于行程小，且结构较复杂，因此目前已很少采用，而大多数采用螺管型差动变压器。

下面仅讨论螺管型差动变压器。

（a）气隙型（b）螺管型1- 初级线圈 2、3- 次级线圈 4- 衔铁差动变压器由衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈骨架等组成。

初级线圈作为差动变压器激励用，相当于变压器的原边；次级线圈由两个结构尺寸和参数相同的相同线圈反相串接而成，相当于变压器的副边。

差动变压器的工作原理类似变压器的作用原理。

一、二次绕组间的耦合能随衔铁的移动而变化，即绕组间的互感随被测位移改变而变化。

由于在使用时采用两个二次绕组反向串接，以差动方式输出，所以把这种传感器称为差动变压器式电感传感器，通常简称差动变压器。

差动变压器工作在理想情况下（忽略涡流损耗、磁滞损耗和分布电容等影响），它的等效电路如图所示。

图U1为一次绕组激励电压；M1、M2分别为一次绕组与两个二次绕组间的互感：L1、R1分别为一次绕组的电感和有效电阻；L21、L22分别为两个二次绕组的电感；R21、R22分别为两个二次绕组的有交电阻。

对于差动变压器，当衔铁处于中间位置时，两个二次绕组互相同，因而由一次侧激励引起的感应电动势相同。

由于两个二次绕组反向串接，所以差动输出电动势为零。

当衔铁移向二次绕组L21一边，这时互感M1大，M2小，因而二次绕组L21内感应电动势大于二次绕组L22内感应电动势，这时差动输出电动势不为零。

在传感器的是量程内，衔动移越大，差动输出电动势就越大。

同样道理，当衔铁向二次绕组L22一边移动差动输出电动势仍不为零，但由于移动方向改变，所以输出电动势反相。

因此通过差动变压器输出电动势的大小和相位可以知道衔铁位移量的大小和方向。

由图4.2.2可以看出一次绕组的电流为：二次绕组的感应动势为：由于二次绕组反向串接，所以输出总电动势为：其有效值为：差动变压器输出电势e与衔铁位移x的关系如图所示，其中x表示衔铁偏离中心位置的距离。

差动变压器输出特性曲线（二）线性度与灵敏度（1）线性度。

差动变压器的线性范围受到螺管线圈轴向磁场不均匀的影响。

靠合理的设计保证所要求的线性范围和线性度。

（2）灵敏度。

差动变压器的灵敏度是指衔铁移动单位位移时所产生的输出电势的变化，可用mV/mm来表示；在实用中考虑到激励电压的影响，还常用mV/mm/V来表示，即衔铁单位位移所产生的电势变化除以激励电压值。

差动变压器灵敏度的高低与初级电压、次级绕组匝数和激励电压的频率有关：①与次级匝数的关系次级匝数增加，灵敏度增加，二者呈线性关系。

但是次级匝数不能无限制增加，因为差动变压器零点残余电压也随之变大。

②初级电压灵敏度与初级电压成正比关系，但初级电压也不能过大，过大时会使差动变压器线圈发热而引起输出信号漂移，一般采用3～8V。

③激励电源频率在频率很低时，灵敏度随频率增加而增加；当频率升高，线圈的感抗大大高于其电阻时，灵敏度与频率无关；当频率超过某一数值时（该值因衔铁材料而不同），由于高频时导线的集肤效应使导线有效电阻增加，衔铁的涡流损耗及磁滞损耗增加，使输出下降。

图2-1是某种导磁材料输入频率与灵敏度的关系，可供选择激励频率时参考。

差动变压器的激磁频率与灵敏度的关系(三)差动变压器的误差因素分析1、激励电压幅值与频率的影响激励电源电压幅值的波动，会使线圈激励磁场的磁通发生变化，直接影响输出电势。

而频率的波动，只要适当地选择频率，其影响不大。

2、温度变化的影响周围环境温度的变化，引起线圈及导磁体磁导率的变化，从而使线圈磁场发生变化产生温度漂移。

当线圈品质因数较低时，影响更为严重，因此，采用恒流源激励比恒压源激励有利。

适当提高线圈品质因数并采用差动电桥可以减少温度的影响。

3、零点残余电压当差动变压器的衔铁处于中间位置时，理想条件下其输出电压为零。

但实际上，当使用桥式电路时，在零点仍有一个微小的电压值(从零点几mV到数十mV)存在，称为零点残余电压。

如图是扩大了的零点残余电压的输出特性。

零点残余电压的存在造成零点附近的不灵敏区；零点残余电压输入放大器内会使放大器末级趋向饱和，影响电路正常工作等。

图中e1为差动变压器初级的激励电压，e20包含基波同相成分、基波正交成分，二次及三次谐波和幅值较小的电磁干扰等。

零点残余电压产生原因：①基波分量。

由于差动变压器两个次级绕组不可能完全一致，因此它的等效电路参数（互感M、自感L及损耗电阻R）不可能相同，从而使两个次级绕组的感应电势数值不等。

又因初级线圈中铜损电阻及导磁材料的铁损和材质的不均匀，线圈匝间电容的存在等因素，使激励电流与所产生的磁通相位不同。

②高次谐波。

高次谐波分量主要由导磁材料磁化曲线的非线性引起。

由于磁滞损耗和铁磁饱和的影响，使得激励电流与磁通波形不一致产生了非正弦(主要是三次谐波)磁通，从而在次级绕组感应出非正弦电势。

另外，激励电流波形失真，因其内含高次谐波分量，这样也将导致零点残余电压中有高次谐波成分。

消除零点残余电压方法：1、从设计和工艺上保证结构对称性为保证线圈和磁路的对称性，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、低矫顽力、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。

由高次谐波产生的因素可知，磁路工作点应选在磁化曲线的线性段。

2、选用合适的测量线路采用相敏检波电路不仅可鉴别衔铁移动方向，而且把衔铁在中间位置时，因高次谐波引起的零点残余电压消除掉。

如图，采用相敏检波后衔铁反行程时的特性曲线由1变到2，从而消除了零点残余电压。

相敏检波后的输出特性3．采用补偿线路①由于两个次级线圈感应电压相位不同，并联电容可改变其一的相位，也可将电容C改为电阻，如图(a)。

由于R的分流作用将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。