化工测量及仪表第3章压力11

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1、3.5电感式压力计3.5.1自感式传感器3.5.2互感式差动传感器3.5电感式压力计电感式压力计采用的敏感元件是电感式压力传感器，利用电磁感应原理，把被测压力转换成自感或互感系数的变化，再由测量电路转换为电压或电流输出。它的种类很多，以下介绍常用的自感或互感式两种传感器。3.5.1自感式传感器工作原理简单的自感式传感器结构原理如图所示。它由线圈、铁心和衔铁三部分组成。铁心和衔铁均由导磁材料制成。在铁心与衔铁之间为空气隙，气隙厚度为δ。压力传感元件与衔铁相连，传感元件的位移会引起空气隙变化，从而改变磁路的磁阻，使线圈电感值发生变化。由电工学可知，线圈中的电感可以表示为式中l——导磁体的长度；μ

2、——导磁体的导磁率μ0——空气的导磁率；A1——导磁体的截面积A——气隙的截面积；δ——气隙的厚度。式中N——线圈匝数；RM——磁路总磁阻。当空气隙厚度δ较小时，可以忽略磁路的铁损，总磁阻可以表示为1线圈2铁心3衔铁电磁感应原理一般导磁体的磁阻与空气隙的磁阻相比要小的多，所以线圈的磁路总磁阻可以近似表示为由上式可知，当线圈匝数N确定之后，只要改变δ和A均可以引起电感L的变化，因此自感式传感器可分为改变气隙厚度δ和改变气隙面积两种，改变气隙厚度使用较广泛。而线圈的电感可表示为下面分析变气隙式电感传感器的输出特性。设衔铁处于起始位置时，初始气隙厚度为δ0，对应的初始电感为：当衔铁上移Δδ时，传感

3、器的气隙减小δ=δ0-Δδ，对应的电感量为电感的变化量为电感的相对变化量为若Δδ/δ越小，非线性误差越小，但这样又会使得传感器的测量范围减小。自感式传感器一般取Δδ/δ=0.1~0.2。当Δδ/δ0<<1时，上式可展开成级数形式同理，当衔铁下移Δδ时，传感器的气隙增大，δ=δ0+Δδ，电感的变化量为同样ΔL/L0可展开成级数由上式可知ΔL/L0与Δδ/δ0为非线性特性。但当Δδ/δ0<<1，若忽略二次项以上的高次项，则有差动式自感压力传感器流电桥的相邻桥臂，与另外两个固定电阻组成交流电桥。U为桥路交流电源，U0为桥路交流输出。为了减少变气隙式传感器的非线性误差，常采用限制测量范围即减小衔铁移

4、动范围的方法，构成如图所示的差动结构。起始位置时，衔铁处于中间位置，上、下两侧气隙相同，即δ1=δ2=δ0，则Z1=Z2=Z0，故桥路输出电压Uo=0，电桥处于平衡状态。它的特点是上、下两个完全对称的自感传感器合用一个活动衔铁，传感器的两只电感线圈作为交当衔铁偏离中间位置，向上或者向下移动时，使两只电感线圈的电感量一个增一个减，δ1≠δ2。此时传感器的电感变化量为：式中L0为衔铁在中间位置时，单个线圈的初始电感量。由于不存在偶数项，显然其非线性远小于单个电感传感器。同时，它比单个传感器的灵敏度提高了1倍。当电桥失去平衡，桥路输出U0的大小与衔铁移动的大小成比例，其相位则与衔铁移动的方向有关。

5、对于高Q值(Q=ωL0/R0，它是自感传感器的品质因数，Q值大表明线圈制造质量好)的差动式传感器，桥路输出可近似表示为：桥路输出电压可表示为：式中ω——激励电压的角频率；Z0——单个电感线圈阻抗；R0——单个电感线圈电阻上式表明桥路输出电压幅值与衔铁位移量Δδ成正比，相位则与衔铁移动方向有关。输出近似线性相位与衔铁方向有关电感信号的测量电路——变压器式交流电桥变压器式交流电桥结构如右图所示。图中相邻两工作臂为Z1、Z2，是差动电感传感器的两个线圈的阻抗；另两臂为变压器次级线圈的两半(每臂电压为U/2)，输出电压取自A、B两点。假定0点为零电位，且传感器线圈为高Q值，其线圈电阻远远小于其感抗，

6、即r<<ωL，则可以推导其输出特性公式为在初始位置，即衔铁位于差动电感传感器中间时，由于两线圈完全对称，因此Z1=Z2=Z0，此时桥路平衡，即。当衔铁上移时，上线圈阻抗增加，即Z2=Z+ΔZ，而下线圈阻抗减少，为Z1=Z-ΔZ，此时输出电压为因为在Q值很高时，线圈内阻可以忽略，所以同理衔铁下移时，可推导出由此可见，衔铁上移和下移时，输出电压相位相反，且随ΔL的变化输出电压也相应地改变。据此，经适当电路处理可判别位移的大小及方向。电感信号的测量电路——调幅电路右图（a）为将感抗变化转换为交流信号幅值的调幅电路。传感器L与固定电容C、变压器T串联在一起，接入外接电源u后，变压器的次级将有电压u0

7、输出。输出电压的频率与电源频率相同，幅值随L变化。图(b)所示为输出电压与电感L的关系曲线，其中L0为谐振点的电感值。实际应用时，可以使用特性曲线一侧接近线性的一段。这种电路的灵敏度很高，但线性度差，适用于对线性度要求不高的场合。(a)(b)电感信号的测量电路——调频电路右图（a）为将感抗变化转换为交流信号幅值的调频电路。把传感器电感L和一个固定电容C接入一个振荡回路中，其振荡频率为当L变化时，振荡频率随之变