传感器与检测技术---第4章 电感式传感器.ppt

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1、4.1自感式传感器4.2互感式传感器4.3电涡流式传感器第4章电感式传感器返回主目录利用电磁感应原理将被测非电量(如位移、压力、流量、振动等)转换成线圈自感L或互感M变化的装置称为电感式传感器。常见的有下列三种：4.1自感式传感器一、工作原理自感式传感器的结构如图4-1所示。它由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。根据电感定义,线圈中电感量可由下式确定:式中:ψ——线圈总磁链;I——通过线圈的电流;W——线圈的匝数;φ——穿过线圈的磁通。(4-1）由磁路欧姆定律,得式中:Rm——磁路总磁阻。若忽略磁路磁损,则磁路总磁阻为式中:μ1——铁芯材料的导磁

2、率;l1——磁通通过铁芯的长度;μ2——衔铁材料的导磁率;l2——磁通通过衔铁的长度;S1——铁芯的截面积;S2——衔铁的截面积;S0——气隙的截面积;δ——气隙的厚度。μ0——空气的导磁率;(4-3)(4-2)则式(4-3）可近似为联立式(4-1）,式(4-2）及式(4-5）,可得通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻,即(4-5）(4-4）(4-6）上式表明,当线圈匝数W为常数时,电感L仅仅是磁路中磁阻Rm的函数,只要改变δ或S0均可导致电感L变化,因此自感式传感器又可分为变气隙厚度δ传感器和变气隙面积S0传感器。目前使用最广泛的是变气隙厚度δ的

3、自感传感器。二、输出特性设自感传感器初始气隙为δ0,初始电感量为L0,衔铁位移引起的气隙变化量为Δδ,从式(4-6）可知L与δ之间是非线性关系,特性曲线如图(4-2）所示,初始电感量为当衔铁上移Δδ时,传感器气隙减小Δδ,即δ=δ0-Δδ,则此时输出电感为L=L0+ΔL,代入式(4-6）式并整理,得当Δδ/δ0<<1时,可将上式用台劳级数展开成级数形式为同理，当衔铁下移Δδ时,传感器气隙增加Δδ,即δ=δ0+Δδ,，则此时输出电感为L=L0-ΔL,代入式(4-6）式并整理,得由上式可求得电感增量ΔL和相对增量ΔL/L0的表达式,即(4-11）(4-13）

4、(4-10）(4-12）对式(4-11）、(4-13）作线性处理，忽略高次项,可得(4-14）其灵敏度K0为(4-15)由此可见,变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾,所以变隙式电感式传感器用于测量微小位移时是比较精确的。为了减小非线性误差,实际测量中广泛采用差动变隙式电感传感器。图4-3所示为差动变隙式电感传感器的原理结构图。由图可知,差动变隙式电感传感器由两个相同的电感线圈L1、L2和磁路组成。当衔铁往上移动Δδ时,两个线圈的电感变化量ΔL1、ΔL2分别由式（4-10）及式（4-12）表示,差动传感器电感的总变化量ΔL＝ΔL1＋

5、ΔL2,其具体表达式为对上式进行线性处理，忽略高次项得其灵敏度K0为比较单线圈和差动两种变间隙式电感传感器的特性,可以得到如下结论:①差动式比单线圈式的灵敏度高一倍。②由于它忽略的是(Δδ/δ0)3以上的高次项，又因为(Δδ/δ0)<<1。所以，差动式的线性度得到明显改善。注：构成差动的两个变隙式电感传感器在结构尺寸、材料、电气参数等方面均应完全一致。三、测量电路电感式传感器的测量电路有交流电桥式、交流变压器式以及谐振式等几种形式。1.交流电桥式测量电路图4-4所示为交流电桥测量电路,把传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂Z1和Z2,另外二个相邻的

6、桥臂用纯电阻代替,其输出电压当传感器衔铁上移时，即Z1＝Z＋△Z1，Z2＝Z－△Z2，则当传感器衔铁下移时，即Z1＝Z－△Z1，Z2＝Z＋△Z2，则从上两式可知,衔铁上、下移动相同距离时,输出电压的大小相等,但方向相反,由于电源是交流电压,故输出电压不能反映位移的方向,必须配合相敏检波电路来解决。下图是一个常用的相敏检波电路当衔铁上移时，Z1＝Z＋△Z1增加，而Z2＝Z－△Z2减少。分析可知，无论UAC是正半波还是负半波，输出U0=UMO-UNO<0，即总是上端为负，下端为正。Z1Z2U0RRVD1VD2VD3VD4++++－－－－MNO同理可知，当衔铁下

7、移时,Z1＝Z－△Z1减少,而Z2＝Z＋△Z2增加。无论UAC是正半波还是负半波，输出U0=UMO-UNO>0，即总是上端为正，下端为负。由上分析可知，用此种电路测量，得到的直流输出电压不但能反映衔铁位移的大小，还能反映衔铁位移的方向。且测量精度较高。2.变压器式交流电桥变压器式交流电桥测量电路如图4-5所示,电桥两臂Z1、Z2为传感器线圈阻抗,另外两桥臂为交流变压器次级线圈的一半，其电压为初级线圈电压的1/2。当负截阻抗为无穷大时,桥路输出电压当传感器的衔铁处于中间位置时，有Z1=Z2=Z,电桥平衡。即当传感器衔铁上移时,即Z1=Z+ΔZ,Z2=Z-Δ

8、Z,此时从式(4-21）及式(4-22）可知,衔铁上下移动相同距离