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时间:2020-10-05
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1、第六章电感式传感器InductiveSensors绪论电感式传感器是建立在电磁感应基础上,利用线圈自感或互感的改变来实现非电量电测的,可分为变磁阻式、变压器式、涡流式等种类。可以测量位移、振动、压力、流量、比重等参数。Inductivesensorsarebasedontheprincipleofelectromagneticinduction.Byuseofself-inductanceandmutualinductanceofcoils,inductivesensorscanrealizedthemeasurementsofdisplacement,pr
2、essure,vibration,liquidfluxetc.Theinductivesensorsinvolvereluctancevariationsensors,linearvariabledifferentialtransformers(LVDTs),eddycurrentsensorsetc.特点(1)工作可靠、寿命长;(2)灵敏度高、分辨率高位移:0.01μm;角度0.1”;输出信号强,电压灵敏度可达数百mV/mm。(3)精度高、线性好在几十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。非线性误差:0.05%~0.1%;(4)性能
3、稳定、重复性好。不足:存在交流零位信号,不宜于高频动态测量。6.1变磁阻(自感)式传感器(reluctancevariationsensors)6.1.1工作原理分类:变气隙厚度δ的电感式传感器(variablegassensors)变气隙面积S的电感式传感器(variableareasensors)变铁芯磁导率μ的电感式传感器(movingcoresensors)自感式电感传感器常见的形式1—线圈coil;2—铁芯Magneticcore;3—衔铁Movingcore变隙式变截面式螺线管式线圈L铁芯δ衔铁δself-inductanceofcoilis:L
4、=W²/RM(6-1-1)W----numberofturnsRM-------Reluctance因为气隙较小(0.1~1mm),所以,认为气隙磁场是均匀的,若忽略磁路铁损,则磁路总磁阻为:铁芯磁导率远大于空气的磁导率,因此铁芯磁阻远较气隙磁阻小可见,自感L是气隙截面积和长度的函数,即L=f(S,δ)如果S保持不变,则L为δ的单值函数,构成变隙式自感传感器;若保持δ不变,使S随位移变化,则构成变截面式自感传感器。其特性曲线如图。L=f(S)L=f(δ)δLSL=f(δ)为非线性关系。当δ=0时,L为∞,考虑导磁体的磁阻,当δ=0时,并不等于∞,而具有一定的
5、数值,在δ较小时其特性曲线如图中虚线所示。如移动衔铁使面积S改变,从而改变L值时,则L=f(S)的特性曲线为一直线。6.1.2等效电路假设自感线圈为一理想纯电感,但实际传感器中包括:线圈的铜损电阻(Rc)、铁芯的涡流损耗电阻(Re)和线圈的寄生电容(C)。因此,自感传感器的等效电路如图。CLRcRe一、电感L(6-1-3)二、损耗电阻RC(6-1-4)(6-1-5)LCRCRe耗散因数DC为:三、涡流损耗电阻Re(6-1-6)耗散因数De为:(6-1-7)四、耗散因数D和品质因数QD=DC+De+Dh(磁滞损耗)lgDDcDeDc+De+DhDc+DeDhf
6、mlgf当频率f取值:;此时耗散因数D取最小值:(6-1-8)对应的品质因数Q的最大值为:(6-1-9)五、有并联寄生电容的电感线圈不考虑并联寄生电容时:若考虑并联寄生电容,则有效灵敏度:6.1.3输出特性分析一、具有铁芯及小气隙的电感式传感器设磁路总长为l,且铁芯和衔铁的磁导率相同,截面相等则总磁阻:一般,μr»1,所以:式中:μe=lμr/(l+δμr)(6-1-12)传感器工作时,若衔铁移动使总气隙减少Δδ,则电感增加ΔL1,由式(6-1-14)得:则(6-1-13)式中:K=W²Sμ0或:(6-1-14)(6-1-15)若(Δδ/δ)/(1+l/δμ
7、r)«1,则(6-1-15)式可展开成:(6-1-16)同理,若气隙增加,则电感减少,则:(6-1-17)忽略高次项,电感变化灵敏度为:(6-1-18)线性度:(6-1-19)δLΔL1ΔL2L0δ0①当气隙δ发生变化时,自感的变化与气隙变化均呈非线性关系,其非线性程度随气隙相对变化Δδ/δ的增大而增加;②气隙减少Δδ所引起的自感变化ΔL1与气隙增加同样Δδ所引起的自感变化ΔL2并不相等,即ΔL1>ΔL2,其差值随Δlδ/lδ的增加而增大。差动电感传感器1-差动线圈2-铁心3-衔铁4-测杆5-工件灵敏度:线性度:①差动式自感传感器的灵敏度比单线圈传感器提高一
8、倍②差动式自感传感器非线性失真小,如当Δδ/δ=10
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