传感器原理 设计与应用

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1、第六章电感式传感器电感式传感器是建立在电磁感应基础上、利用线圈电感或互感的改变来实现非电量电测的。根据工作原理的不同，可分为变阻磁式，变压器式和涡流式等种类。它可以把稳入的物理量如位移、振动、压力、流量、比重等参数，转换为线圈的自感系数L和互感系数M的变化．而L和M的变化在电路中又转换为电压或电流的变化，即将非电量转换成电信号输出。因此它能实现信息的远距离转输、记录、显示和控制等方面的要求。电感式传感器有以下特点：(11工作可靠，寿命长；(2)灵敏度高，分辨力高(位移变化，o．01um，角度变化0.1")；(3)精度高．线性好(非线性误差可达o．05％一o．1％)；(4

2、)性能稳定，重复性好。电感式传感器的缺点是存在交流零位信号、不适于高频动态信号测量6．1变磁阻式传感器6．1．1工作原理变磁因式传感器的结构原理如图6—1(a)所示。它由线圈、铁芯和衔铁三部分组成，在锈芯与衔铁之间有厚度为气隙。传感器的运动部分与衔铁相连。当传感器测量物理量时，衔铁运动部分产生位移，导致气隙厚度变化，从而使线圈的电感值变化。线圈的电感值L可按下式计算式中：w——线圈的匝数；RM一磁路的总磁9。如果空气隙厚度8较小，而且不考虑磁路的铁报时，总磁阻为磁路中铁芯、气眩和衔铁的磁咀之和。L1——各段铁芯的长度(包括衔铁)；——各段铁芯的相对磁导率(包括衔铁)；s

3、i——备段铁芯的面积(包括衔铁)；——空气隙的厚度；因为铁芯与衔铁为铁碰材料．其碰阻与空气隙磁阻相比较很小．计算时可以忽略不计．这时式(6—3)改写为由式(6—4)和(6—3)看出．变磁阻式传乐器的L量与、S和Ui之参数有关、如果固定其中任意两个，而改变另一个，则可以制造一种传感器。根据这个道理．可以制造三种不同形式的可变磁阻式电感传感器。变气隙厚度a的电感式传感器如果6—1(a)所示。这种传感器灵敏度很高，是员常用的电感式传感器，它的缺点是输出特性(L一8关系曲线)为非线性如图6—1(b)所示。受气隙面积5的电感式传感男(见因6—2(a))，这种传感器为线性特性，但灵

4、敏度低。它常用于角位移215量。变铁芯磁导率A的电感式传感器(见图6—2(b))．它是利用某些挟磁材料的压磁效应，所以也称压磁式传感器。压碰效应是当铁磁材料受到力作用时，在物体内部就产生应力，从而引起磁导率p发生变化。这种传感器主要用于各种力的测量。6．1．2等效电路由于电感式传感器通常采用铁磁体作为磁芯，所以传感器线圈的等效电路如图6—3所示。电感人与电阻尺串联(尺为线圈的损耗电阻)．并与电阻兄并联(久为铁芯的涡流损耗电阻)，电容c与上及尺并联(C为线圈的固有电容)。一、电感人对带磁芯的均匀统制的环形线圈，若其线困匝数为W，磁芯长度l(m)．通过的电流强度为I(A)，

5、则线圈内的磁场强度H(A／m)为磁感应强度B为则线圈的自感系数上为二、电阻尺设线圈由直径为众、电阻率为A的导线绕成．共W匝．则其电阻为式中人为平均匝长。尺只与线圈绕组的材料及尺寸有关，而与频率无关。当频率／；县，电感为上，电阻为尺的线圈的耗触因数凰为式中夕为涡流的透人深度，其值为其中A为铁芯材料的电阻率。为了增加快芯材科的电阻串，以减小涡流损耗‘磁芯可以采用薄片魔成，铁氧体材料。由涡流损耗电阻兄引起的线圈的耗散因数凡为、式中比例系数。 上式表明，De与f成正比。另外，还有磁滞损耗电阻兄引起的线圈的耗散因数Dh．由于Dh的计算比较复杂，故这里从略了。Da与气息有关。气隙越

6、大．DA越小，并且DA不随频率变化。四、耗散因数D和品质因数Q具有量片铁芯的电感线圈的总耗散因数D为三个耗散因数之和，即耗散因数的最小值发生在频率为人处．人的值为线圈的品质因数Q为耗散因数D的倒效。Q的最大值Q—为当气隙很小时，da与C和e相比可以忽略．故五、有并联寄生电容的电感线圈如图6—3历示．电感传感器存在一与传感器线圈并联的寄生电容c是线圈绕组的固有电容及连接传感器与电子测量设备电线电容所引起的。容线圈的阻抗为Z＝K十joL这一电容主要对于无并联电由上式可以看出，当线圈有电容并联时，有效串联损耗电阻及有效电感都增加了，丽有效Q值减小。具有并联电容的传感器的有效灵

7、敏度为 这个结果表明，并联电容后使电感传感器的灵敏度增加，因此必须根据访量设备所用的电缆实际长度对传感器进行校正或者相应地调整总并联电容。6．L3输出路性分析一、具有铁芯及小气隙的电感式传惑器一个具有铁芯、磁路长度为j、线圈匝数为v感线圈的电感L已由式(6—7)给出，即其中“是有气欧的铁芯的有效磁导串，其值为式中A为相对磁导率。对已知线团式中足k=sw2为一常数。若气隙减小，则电感增加．即申式(6—23)和式(6—24)可以看出：若传感器由两个可变电感线圈组成差动的形式(即当一线困电感增加时另一线困电感减小)，则输出为两者之差，因而灵敏度