車(chē)輛檢測(cè)技術(shù)——電感式傳感器

1、第三章 電感式傳感器第一節(jié) 變磁阻式傳感器電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)非電量如位移、壓力、流量、振動(dòng)等轉(zhuǎn)換成 線(xiàn)圈自感量 L 或互感量 M 的變化，再由測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出的一種傳 感器。由鐵心和線(xiàn)圈構(gòu)成的將直線(xiàn)或角位移的變化轉(zhuǎn)換為線(xiàn)圈電感量變化的傳感器， 又稱(chēng)電 感式位移傳感器。 這種傳感器的線(xiàn)圈匝數(shù)和材料導(dǎo)磁系數(shù)都是一定的， 其電感量的變化是由 于位移輸入量導(dǎo)致線(xiàn)圈磁路的幾何尺寸變化而引起的。 當(dāng)把線(xiàn)圈接入測(cè)量電路并接通激勵(lì)電 源時(shí)，就可獲得正比于位移輸入量的電壓或電流輸出。根據(jù)工作原理的不同，電感式傳感器可分為變磁阻式傳感器、變壓器式傳感器和電渦 流式傳感器等種類(lèi)

2、。電感式傳感器有以下特點(diǎn)：1 工作可靠，壽命長(zhǎng)；2靈敏度高，分辨率高（位移變化0.01 m，角度變化0.1''）;3 測(cè)量精度高，線(xiàn)性好 （非線(xiàn)性誤差可達(dá) 0.05%-0.1%）；4 性能穩(wěn)定，重復(fù)性好。電感式傳感器的主要缺點(diǎn)是靈敏度、線(xiàn)性度和測(cè)量范圍相互制約,存在交流零位信號(hào)，傳感器自身頻率響應(yīng)低， 不適用于高頻動(dòng)態(tài)測(cè)量。 電感式傳感器主要用于位移測(cè)量和可以轉(zhuǎn) 換成位移變化的機(jī)械量（如力、張力、壓力、壓差、加速度、振動(dòng)、應(yīng)變、流量、厚度、液 位、比重、轉(zhuǎn)矩等）的測(cè)量。這種傳感器能實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸、記錄、顯示和控制，在 工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中被廣泛采用。 在實(shí)際應(yīng)用中， 這三種

3、傳感器多制成差動(dòng)式， 以便提高線(xiàn) 性度和減小電磁吸力所造成的附加誤差。帶有模擬輸出的電感式接近傳感器是一種測(cè)量式控制位置偏差的電子信號(hào)發(fā)生器，其用途非常廣泛。 例如：可測(cè)量彎曲和偏移； 可測(cè)量振蕩的振幅高度； 可控制尺寸的穩(wěn)定性； 可控制定位； 可控制對(duì)中心率或偏心率。 當(dāng)金屬物體接近模擬傳感器的感應(yīng)面時(shí)使模擬 傳感器 LC 振蕩量衰減，利用這一點(diǎn)的變化量，轉(zhuǎn)換為電流輸出量，輸出電流的大小直 接和金屬物體與模擬傳感器感應(yīng)面之間距離遠(yuǎn)近成正比例關(guān)系。電感傳感器還可用作磁敏速度開(kāi)關(guān)、齒輪齒條測(cè)速等，該類(lèi)傳感器廣泛應(yīng)用于紡織、 化纖、機(jī)床、機(jī)械、冶金、機(jī)車(chē)汽車(chē)等行業(yè)的鏈輪齒輪速度檢測(cè)，鏈輸送帶的速度

4、和距離檢 測(cè)，齒輪齒條計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)速表及車(chē)輛防護(hù)系統(tǒng)的控制等。 另外該類(lèi)傳感器還可用在給料管理系統(tǒng) 中小物體檢測(cè)、物體噴出控制、斷線(xiàn)監(jiān)測(cè)、小零件區(qū)分、厚度檢測(cè)和位置控制等。變磁阻式傳感器是將位移、轉(zhuǎn)速、加速度等非電物理量轉(zhuǎn)換為磁阻變化的傳感器。工作原理變磁阻式傳感器的原理結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。它由線(xiàn)圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料如硅鋼片或坡莫合金制成，在鐵芯和銜鐵之間有氣隙，氣隙厚度為3,傳感器的運(yùn)動(dòng)部分與銜鐵相連。當(dāng)銜鐵移動(dòng)時(shí)，氣隙厚度3發(fā)生改變，引起磁路中磁阻變化，從而導(dǎo)致電感線(xiàn)圈的電感值變化，因此只要能測(cè)出這種電感量的變化，就能確定銜鐵位移量的大小和方向。世苦*鐵芯” 3恢

5、74;Ml - 1戀盛瞅詫傳昭4W圖3-1變磁阻式傳感器1線(xiàn)圈2鐵心（定鐵心）3 銜鐵（動(dòng)鐵心）根據(jù)電感定義，線(xiàn)圈中電感量可由下式確定(3-1)式中：線(xiàn)圈總磁鏈；I通過(guò)線(xiàn)圈的電流； N線(xiàn)圈的匝數(shù)； 一穿過(guò)線(xiàn)圈的磁通。由磁路歐姆定律，得IN(3-2)Rm(3-3)式中：Rm磁路總磁阻。對(duì)于變隙式傳感器，因?yàn)闅庀逗苄?，所以可以認(rèn)為氣隙中的磁場(chǎng)是 均勻的。若忽略磁路磁損，則磁路總磁阻為：式中：口 1 鐵芯材料的導(dǎo)磁率;口 2 銜鐵材料的導(dǎo)磁率；L1 磁通通過(guò)鐵芯的長(zhǎng)度;L2磁通通過(guò)銜鐵的長(zhǎng)度；S1鐵心的截面積；S2銜鐵的截面積；口 0空氣的導(dǎo)磁率；So氣隙的截面積；3 氣隙的厚度；L11S1L22S

6、220S02o SoLii Si2oSo;L22S2則式(3-3)可近似為：聯(lián)立式(3-1)，式(3-2)及式(3-4)，可得：Km2oSo(3-4)LN2N2oSoRm2(3-5)上式表明，當(dāng)線(xiàn)圈匝數(shù)為常數(shù)時(shí)，電感L僅僅是磁路中磁阻 Rm的函數(shù)，只要改變3或So均可導(dǎo)致電感變化，因此變磁阻式傳感器又可分為變氣隙厚度3的傳感器和變氣隙面積S o的傳感器。使用最廣泛的是變氣隙厚度3式電感傳感器。輸出特性設(shè)電感傳感器初始?xì)庀稙? o,初始電感量為L(zhǎng)o,銜鐵位移引起的氣隙變化量為厶3 ,從式(3-5)可知，L與3之間是非線(xiàn)性關(guān)系，特性曲線(xiàn)如圖 (3-2)表示.圖3-2變隙式電感傳感器的 L 3特性初

7、始電感量為：Lo0S0N(3-6)=3 o-A3，則此時(shí)輸出電感為L(zhǎng)=Lo+當(dāng)銜鐵上移A3時(shí)，傳感器氣隙減小A3,即3 L,代入式(3-5)并整理，得：L L0N2L2( 00 S0r 1Lo(3-7)(3-8)由上式可求得電感增量厶L和相對(duì)增量 L/ Lo的表達(dá)式,即:L L0-1 () ()20 0 0(3-9)L L00()20(3-10)當(dāng)銜鐵上移A3時(shí)，傳感器氣隙減小A3, L,代入式(36)式并整理，得：=3 0- 則此時(shí)輸出電感為L(zhǎng)=L 0+L01 ()()20()30(3-11)LL0-10()20()30(3-12)對(duì)式(3-10)、(3-12)作線(xiàn)性處理，忽略高次項(xiàng),可得:

8、L L00當(dāng)逹o<<1時(shí)，可將上式用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)成級(jí)數(shù)形式為:L L0 LL°1( )()2()30 0 0_LK?！?(3-13)靈敏度:所以變隙式電實(shí)際測(cè)量中廣泛采用由此可見(jiàn)，變間隙式電感傳感器的測(cè)量范圍與靈敏度及線(xiàn)性度相矛盾, 感式傳感器用于測(cè)量微小位移時(shí)是比較精確的。 為了減小非線(xiàn)性誤差, 差動(dòng)變隙式電感傳感器。11 鐵 芯2 線(xiàn)圈3 銜鐵圖3-3差動(dòng)變隙式電感傳感器的結(jié)構(gòu)原理1-鐵芯，2-線(xiàn)圈，3-銜鐵圖3-3所示為差動(dòng)變隙式電感傳感器的原理結(jié)構(gòu)圖。由圖可知，差動(dòng)變隙式電感傳感器由兩個(gè)相同的電感線(xiàn)圈i、n和磁路組成，測(cè)量時(shí)，銜鐵通過(guò)導(dǎo)桿與被測(cè)位移量相連，當(dāng)被測(cè)體

9、上下移動(dòng)時(shí)，導(dǎo)桿帶動(dòng)銜鐵也以相同的位移上下移動(dòng)，使兩個(gè)磁回路中磁阻發(fā)生大小相等，方向相反的變化，導(dǎo)致一個(gè)線(xiàn)圈的電感量增加，另一個(gè)線(xiàn)圈的電感量減小，形成差動(dòng)形 式。當(dāng)銜鐵往上移動(dòng)時(shí)，兩個(gè)線(xiàn)圈的電感變化量L1.A L2分別由式（3 9）及式（311）表示，按差動(dòng)使用時(shí)，兩個(gè)電感線(xiàn)圈接成交流電橋的相鄰橋臂，另兩個(gè)橋臂由電阻組 成，電橋輸出電壓與A L有關(guān)，其具體表達(dá)式為：Ll_11_221_0 12() ()00 0對(duì)上式進(jìn)行線(xiàn)性處理，忽略高次項(xiàng)得：L2L0 0(3-14)比較單線(xiàn)圈和差動(dòng)兩種變間隙式電感傳感器的特性，可以得到如下結(jié)論差動(dòng)式比單線(xiàn)圈式的靈敏度高一倍。差動(dòng)式的非線(xiàn)性項(xiàng)等于單線(xiàn)圈非線(xiàn)性項(xiàng)

10、乘以（AS逹0）因子，因?yàn)?AS / S 0)<<1 ,所以差動(dòng)式的線(xiàn)性度得到明顯改善。為了使輸出特性能得到有效改善，構(gòu)成差動(dòng)的兩個(gè)變隙式電感傳感器在結(jié)構(gòu)尺寸、材料、電氣參數(shù)等方面均應(yīng)完全一致。三變磁阻式傳感器的應(yīng)用圖3-4所示是變隙電感式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)圖。它由膜盒、鐵芯、銜鐵及線(xiàn)圈等組成, 銜鐵與膜盒的上端連在一起。S13 £3亜?dòng)?邑贏攻偉!或?qū)绻盆糆B圖3-4變隙電感式傳感器結(jié)構(gòu)圖當(dāng)壓力進(jìn)入膜盒時(shí)，膜盒的頂端在壓力 于是銜鐵也發(fā)生移動(dòng)， 從而使氣隙發(fā)生變化， 示值就反映了被測(cè)壓力的大小。圖3-5所示為變隙式差動(dòng)電感壓力傳感器, 組成。P的作用下產(chǎn)生與壓力 P大小成

11、正比的位移。 流過(guò)線(xiàn)圈的電流也發(fā)生相應(yīng)的變化，電流表指它主要由C形彈簧管、銜鐵、鐵芯和線(xiàn)圈等圖 9變顒式羞動(dòng)電感壓力傳感希圖3-5變隙式差動(dòng)電感壓力傳感器當(dāng)被測(cè)壓力進(jìn)入 C形彈簧管時(shí)，C形彈簧管產(chǎn)生變形，其自由端發(fā)生位移帶動(dòng)與自由端連接成一體的銜鐵運(yùn)動(dòng)，使線(xiàn)圈1和線(xiàn)圈2中的電感發(fā)生大小相等、 符號(hào)相反的變化，即一個(gè)電感量增大，另一個(gè)電感量減小。 電感的這種變化通過(guò)電橋電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。由于輸出電壓與被測(cè)壓力之間成比例關(guān)系，所以只要用檢測(cè)儀表測(cè)量出輸出電壓，即可得知被測(cè)壓力的大小。第二節(jié)差動(dòng)變壓器式傳感器把被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換為線(xiàn)圈互感量變化的傳感器稱(chēng)為互感式傳感器。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基

12、本原理制成的， 并且次級(jí)繞組都用差動(dòng)形式連接， 故稱(chēng)差動(dòng)變壓器式傳感 器。差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)形式較多，有變隙式、變面積式和螺線(xiàn)管式等，但其工作原理基本一樣。非電量測(cè)量中，應(yīng)用最多的是螺線(xiàn)管式差動(dòng)變壓器，它可以測(cè)量1100mm范圍內(nèi)的機(jī)械位移，并具有測(cè)量精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。工作原理螺線(xiàn)管式差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)如圖3-6所示，它由初級(jí)線(xiàn)圈，兩個(gè)次級(jí)線(xiàn)圈和插入線(xiàn)圈中央的圓柱形鐵芯等組成。111 r 1r L.Q因11區(qū)1 «£廿碎夕卜九 3 廿畑！I 4EE4匝數(shù)為Ni的初誓TK? ，的初輟統(tǒng)SH4 SEE敗曲 f 的枚細(xì)統(tǒng) 圖3-6螺線(xiàn)管式差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)圍活動(dòng)銜鐵

13、；2導(dǎo)磁外殼；3 骨架;級(jí)線(xiàn)圈；5匝數(shù)為N2a的次級(jí)線(xiàn)圈;6匝數(shù)為N2b的次級(jí)線(xiàn)圈螺線(xiàn)管式差動(dòng)變壓器按線(xiàn)圈繞組排列的方式不同可分為一節(jié)、二節(jié)、三節(jié)、四節(jié)和五節(jié)式等類(lèi)型，如圖3-7所示。一節(jié)式靈敏度高，三節(jié)式零點(diǎn)殘余電壓較小，通常采用的是二節(jié) 式和三節(jié)式兩類(lèi)。XXXX1 1Xxxxx乂女IX丈K謝4-1：規(guī)區(qū)樓列方式O）-咄式I （b）二書(shū)弍F ®芭節(jié)氏|血 舊曲式I W五節(jié)式圖3-7線(xiàn)圈排列方式（a） 節(jié)式 （b）二節(jié)式 （C）三節(jié)式（d）四節(jié)式（e）五節(jié)式差動(dòng)變壓器式傳感器中兩個(gè)次級(jí)線(xiàn)圈反向串聯(lián)，并且在忽略鐵損、導(dǎo)磁體磁阻和線(xiàn)圈分布電容的理想條件下，其等效電路如圖3-8所示。當(dāng)初級(jí)

14、繞組 Ni加以激勵(lì)電壓Ui時(shí)，根據(jù)變壓器的工作原理，在兩個(gè)次級(jí)繞組N2a和N2b中便會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)E2a和E2b。如果工藝上保證變壓器結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱(chēng)，則當(dāng)活動(dòng)銜鐵處于初始平衡位置時(shí)，必然會(huì)使兩互感系數(shù)Mi=M2。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，將有E2a=E2b。由于變壓器兩次級(jí)繞組反向串聯(lián)，因而U2 = E2a-E2b=0，即差動(dòng)變壓器輸出電壓為零。4 - 12 塗勒3EEE將魴效L包路圖3-8差動(dòng)變壓器等效電路活動(dòng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí)，由于磁阻的影響，N2a中磁通將大于 N2b中磁通，使M1>M2，因而E2a增加，而 E2b減小。反之， E2b增加，E2a減小。因?yàn)?U2=E2a-E2b=0，所以當(dāng) E2

15、a、E2b 隨著銜鐵位移x變化時(shí)，U2也必將隨x變化。圖3-9給出了變壓器輸出電壓U2與活動(dòng)銜鐵位移x的關(guān)系曲線(xiàn)。實(shí)際上，當(dāng)銜鐵位于中心位置時(shí)，差動(dòng)變壓器輸出電壓并不等于零，我 們把差動(dòng)變壓器在零位移時(shí)的輸出電壓稱(chēng)為零點(diǎn)殘余電壓，記作Ux。它的存在使傳感器的輸出特性不過(guò)零點(diǎn)，造成實(shí)際特性與理論特性不完全一致。13 卷勖盤(pán)綽的輪出電出待性屮I絨零點(diǎn)殘余電壓主要是由傳感器的兩次級(jí)繞組的電氣參數(shù)與幾何尺寸不對(duì)稱(chēng)，以及磁性 材料的非線(xiàn)性等問(wèn)題引起的。零點(diǎn)殘余電壓的波形十分復(fù)雜，主要由基波和高次諧波組成。 基波產(chǎn)生的主要原因是： 傳感器的兩次級(jí)繞組的電氣參數(shù)和幾何尺寸不對(duì)稱(chēng)，導(dǎo)致它們產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)的幅值不等、 相位不同，因此不論怎樣調(diào)整銜鐵位置，兩線(xiàn)圈中感應(yīng)電勢(shì)都不能完全抵消。高次諧波中起主要作用的是三次諧波，產(chǎn)生的原因是由于磁性材料磁化曲線(xiàn)的非線(xiàn)性（磁飽和、磁滯）。零點(diǎn)殘余電壓一般在幾十毫伏以下，在實(shí)際使用時(shí)，應(yīng)設(shè)法減小Ux,否則將會(huì)影響傳感器的測(cè)量結(jié)果?；咎匦圆顒?dòng)變壓器等效電路如圖3-8所示。當(dāng)次級(jí)開(kāi)路時(shí)有IlUirij Li(3-15)Ii初級(jí)線(xiàn)圈激勵(lì)電流;式中：3激勵(lì)電壓 Ui的角頻率；U1初級(jí)線(xiàn)圈激勵(lì)電壓;ri、Li初級(jí)線(xiàn)圈直流電阻和電感。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，次級(jí)繞組中感應(yīng)電勢(shì)的表達(dá)式分別為：E2aj Mill.E2bj M 2 I 1由于次級(jí)