測(cè)試技術(shù)-41-變磁阻式傳感器課件

第4章

電感式傳感器

第4章

電感式傳感器4.1變磁阻式傳感器4.1變磁阻式傳感器4.1.1工作原理M.Faraday電磁感應(yīng)定律(1831年)：當(dāng)一個(gè)線圈中電流i變化時(shí)，該電流產(chǎn)生的磁通Φ也隨之變化，因而在線圈本身產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)el，這種現(xiàn)象稱之為自感。產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)稱為自感電勢(shì)。變磁阻式傳感器的結(jié)構(gòu)如圖4-1所示。它由線圈、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δ，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δ發(fā)生改變，引起磁路中磁阻變化，從而導(dǎo)致電感線圈的電感值變化，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。

4.1變磁阻式4.1變磁阻式傳感器

圖4-1變磁阻式傳感器根據(jù)對(duì)電感的定義，線圈中電感量可由下式確定：（4-1）

4.1變磁阻式4.1變磁阻式傳感器式中：Ψ——線圈總磁鏈；

I——通過(guò)線圈的電流；

W——線圈的匝數(shù)；

φ——穿過(guò)線圈的磁通。由磁路歐姆定律，得（4-2）式中，為磁路總磁阻。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（4-3）4.1變磁阻式4.1變磁阻式傳感器通常氣隙磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻，即

（4-4）則式（4-3）可寫為（4-5）聯(lián)立式（4-1）、式（4-2）及式（4-5），可得

（4-6）4.1變磁阻式4.1變磁阻式傳感器上式表明，當(dāng)線圈匝數(shù)為常數(shù)時(shí)，電感L僅僅是磁路中磁阻的函數(shù)，改變?chǔ)幕蚓蓪?dǎo)致電感變化，因此變磁阻式傳感器又可分為變氣隙厚度δ的傳感器和變氣隙面積的傳感器。目前使用最廣泛的是變氣隙厚度式電感傳感器。4.1變磁阻式4.1變磁阻式傳感器4.1.2輸出特性由式（4-6）可知L與δ之間是非線性關(guān)系，特性曲線如圖4-2所示。設(shè)電感傳感器初始?xì)庀稙棣?，初始電感量為，銜鐵位移引起的氣隙變化量為當(dāng)銜鐵處于初始位置時(shí)，初始電感量為

（4-7）

（4-14）靈敏度為（4-15）

4.1變磁阻式4.1變磁阻式傳感器由此可見，變間隙式電感傳感器的測(cè)量范圍與靈敏度及線性度相矛盾，因此變間隙式電感傳感器適用于測(cè)量微小位移的場(chǎng)合。為了減小非線性誤差，實(shí)際測(cè)量中廣泛采用差動(dòng)變間隙式電感傳感器。

圖4-3差動(dòng)變間隙式電感傳感器4.1變磁阻式4.1變磁阻式傳感器4.1.3測(cè)量電路電感式傳感器的測(cè)量電路有交流電橋式、變壓器式交流電橋以及諧振式等。1.電感式傳感器的等效電路從電路角度看，電感式傳感器的線圈并非是純電感，該電感由有功分量和無(wú)功分量?jī)刹糠纸M成。有功分量包括：線圈線繞電阻和渦流損耗電阻及磁滯損耗電阻，這些都可折合成為有功電阻，其總電阻可用R來(lái)表示；無(wú)功分量包含：線圈的自感L,繞線間分布電容，為簡(jiǎn)便起見可視為集中參數(shù)，用C來(lái)表示。于是可得到電感式傳感器的等效電路如圖4-4所示。

圖4-4電感式傳感器的等效電路圖4-4中，L為線圈的自感，R為折合有功電阻的總電阻，C為并聯(lián)寄生電容。4.1變磁阻式傳4.1變磁阻式傳感器從以上分析可以看出，并聯(lián)電容的存在，使有效串聯(lián)損耗電阻及有效電感增加，而有效Q值減小，在有效阻抗不大的情況下，它會(huì)使靈敏度有所提高，從而引起傳感器性能的變化。因此在測(cè)量中若更換連接電纜線的長(zhǎng)度，在激勵(lì)頻率較高時(shí)則應(yīng)對(duì)傳感器的靈敏度重新進(jìn)行校準(zhǔn)。4.1變磁阻4.1變磁阻式傳感器2.交流電橋式測(cè)量電路圖4-5為交流電橋測(cè)量電路，把傳感器的兩個(gè)線圈作為電橋的兩個(gè)橋臂Z1和Z2，另外兩個(gè)相鄰的橋臂用純電阻R代替。設(shè)Z1=Z+ΔZ1,Z2=Z-ΔZ2，Z是銜鐵在中間位置時(shí)單個(gè)線圈的復(fù)阻抗，ΔZ1、ΔZ2分別是銜鐵偏離中心位置時(shí)兩線圈阻抗的變化量。對(duì)于高Q值的差動(dòng)式電感傳感器，有ΔZ1+ΔZ2≈jω(ΔL1+ΔL2)，則電橋輸出電壓為

(4-20)

圖4-5交流電橋測(cè)量電路4.1變磁阻式傳4.1變磁阻式傳感器靈敏度為（4-23）比較式（4-15）與式（4-23），單線圈式和差動(dòng)式兩種變間隙電感傳感器的靈敏度特性，可以得到如下結(jié)論：

①差動(dòng)式變間隙電感傳感器的靈敏度是單線圈式的兩倍。②差動(dòng)式的線性度得到明顯改善,電橋輸出電壓與成正比關(guān)系。4.1變磁阻式4.1變磁阻式傳感器3.變壓器式交流電橋變壓器式交流電橋測(cè)量電路如圖4-6所示，電橋兩臂Z1、Z2為傳感器線圈阻抗，另外兩橋臂為交流變壓器次級(jí)線圈的1/2阻抗。當(dāng)負(fù)載阻抗為無(wú)窮大時(shí)，橋路輸出電壓

(4-24)當(dāng)傳感器的銜鐵處于中間位置，即，電橋平衡。

圖4-6變壓器式交流電橋4.1變磁阻式傳4.1變磁阻式傳感器當(dāng)傳感器銜鐵上移時(shí)，如，時(shí)，

(4-25)當(dāng)傳感器銜鐵下移時(shí)，如，，此時(shí)

(4-26)從式（4-25）及式（4-26）可知，銜鐵上下移動(dòng)相同距離時(shí)，輸出電壓相位相反，大小隨銜鐵的位移而變化。由于是交流電壓，輸出指示無(wú)法判斷位移方向，必須配合相敏檢波電路來(lái)解決。4.1變磁阻式傳4.1變磁阻式傳感器4.諧振式測(cè)量電路諧振式測(cè)量電路有諧振式調(diào)幅電路(如圖4-7所示)和諧振式調(diào)頻電路(如圖4-8所示)。在調(diào)幅電路中，傳感器電感L與電容C、變壓器原邊串聯(lián)在一起，接入交流電源，變壓器副邊將有電壓輸出，輸出電壓的頻率與電源頻率相同，而幅值隨著電感L而變化，圖4-7（b）為輸出電壓與電感L的關(guān)系曲線，其中L0為諧振點(diǎn)的電感值，此電路靈敏度很高，但線性差，適用于線性度要求不高的場(chǎng)合。圖4-7諧振式調(diào)幅電路4.1變磁阻式傳4.1變磁阻式傳感器調(diào)頻電路的基本原理，是傳感器電感L的變化將引起輸出電壓頻率的變化。通常把傳感器電感L和電容C接入一個(gè)振蕩回路中，其振蕩頻率。當(dāng)L變化時(shí)，振蕩頻率隨之變化，根據(jù)的大小即可測(cè)出被測(cè)量的值。圖4-8（b）表示f與L的關(guān)系曲線，它具有嚴(yán)重的非線性關(guān)系。

圖4-8諧振式調(diào)頻電路4.1變磁阻式傳4.1變磁阻式傳感器4.1.4變磁阻式傳感器的應(yīng)用

圖4-9變間隙電感式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖當(dāng)壓力進(jìn)入膜盒時(shí)，膜盒的頂端在壓力P的作用下產(chǎn)生與壓力P大小成正比的位移，于是銜鐵也發(fā)生移動(dòng)，從而使氣隙發(fā)生變化，流過(guò)線圈的電流也發(fā)生相應(yīng)的變化，電流表A的指示值就反映了被測(cè)壓力的大小。

4.1變磁阻式4.1變磁阻式傳感器圖4-10為變間隙式差動(dòng)電感壓力傳感器。它主要由C形彈簧管、銜鐵、鐵芯和線圈等組成。圖4-10變間隙式差動(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)，使線圈1和線圈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。4.1變磁阻式

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電感式傳感器

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電感式傳感器4.1變磁阻式傳感器4.1變磁阻式傳感器4.1.1工作原理M.Faraday電磁感應(yīng)定律(1831年)：當(dāng)一個(gè)線圈中電流i變化時(shí)，該電流產(chǎn)生的磁通Φ也隨之變化，因而在線圈本身產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)el，這種現(xiàn)象稱之為自感。產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)稱為自感電勢(shì)。變磁阻式傳感器的結(jié)構(gòu)如圖4-1所示。它由線圈、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δ，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δ發(fā)生改變，引起磁路中磁阻變化，從而導(dǎo)致電感線圈的電感值變化，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。

4.1變磁阻式4.1變磁阻式傳感器

圖4-1變磁阻式傳感器根據(jù)對(duì)電感的定義，線圈中電感量可由下式確定：（4-1）

4.1變磁阻式4.1變磁阻式傳感器式中：Ψ——線圈總磁鏈；

I——通過(guò)線圈的電流；

W——線圈的匝數(shù)；

φ——穿過(guò)線圈的磁通。由磁路歐姆定律，得（4-2）式中，為磁路總磁阻。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（4-3）4.1變磁阻式4.1變磁阻式傳感器通常氣隙磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻，即

（4-4）則式（4-3）可寫為（4-5）聯(lián)立式（4-1）、式（4-2）及式（4-5），可得

（4-6）4.1變磁阻式4.1變磁阻式傳感器上式表明，當(dāng)線圈匝數(shù)為常數(shù)時(shí)，電感L僅僅是磁路中磁阻的函數(shù)，改變?chǔ)幕蚓蓪?dǎo)致電感變化，因此變磁阻式傳感器又可分為變氣隙厚度δ的傳感器和變氣隙面積的傳感器。目前使用最廣泛的是變氣隙厚度式電感傳感器。4.1變磁阻式4.1變磁阻式傳感器4.1.2輸出特性由式（4-6）可知L與δ之間是非線性關(guān)系，特性曲線如圖4-2所示。設(shè)電感傳感器初始?xì)庀稙棣?，初始電感量為，銜鐵位移引起的氣隙變化量為當(dāng)銜鐵處于初始位置時(shí)，初始電感量為

（4-7）

（4-14）靈敏度為（4-15）

4.1變磁阻式4.1變磁阻式傳感器由此可見，變間隙式電感傳感器的測(cè)量范圍與靈敏度及線性度相矛盾，因此變間隙式電感傳感器適用于測(cè)量微小位移的場(chǎng)合。為了減小非線性誤差，實(shí)際測(cè)量中廣泛采用差動(dòng)變間隙式電感傳感器。

圖4-3差動(dòng)變間隙式電感傳感器4.1變磁阻式4.1變磁阻式傳感器4.1.3測(cè)量電路電感式傳感器的測(cè)量電路有交流電橋式、變壓器式交流電橋以及諧振式等。1.電感式傳感器的等效電路從電路角度看，電感式傳感器的線圈并非是純電感，該電感由有功分量和無(wú)功分量?jī)刹糠纸M成。有功分量包括：線圈線繞電阻和渦流損耗電阻及磁滯損耗電阻，這些都可折合成為有功電阻，其總電阻可用R來(lái)表示；無(wú)功分量包含：線圈的自感L,繞線間分布電容，為簡(jiǎn)便起見可視為集中參數(shù)，用C來(lái)表示。于是可得到電感式傳感器的等效電路如圖4-4所示。

圖4-4電感式傳感器的等效電路圖4-4中，L為線圈的自感，R為折合有功電阻的總電阻，C為并聯(lián)寄生電容。4.1變磁阻式傳4.1變磁阻式傳感器從以上分析可以看出，并聯(lián)電容的存在，使有效串聯(lián)損耗電阻及有效電感增加，而有效Q值減小，在有效阻抗不大的情況下，它會(huì)使靈敏度有所提高，從而引起傳感器性能的變化。因此在測(cè)量中若更換連接電纜線的長(zhǎng)度，在激勵(lì)頻率較高時(shí)則應(yīng)對(duì)傳感器的靈敏度重新進(jìn)行校準(zhǔn)。4.1變磁阻4.1變磁阻式傳感器2.交流電橋式測(cè)量電路圖4-5為交流電橋測(cè)量電路，把傳感器的兩個(gè)線圈作為電橋的兩個(gè)橋臂Z1和Z2，另外兩個(gè)相鄰的橋臂用純電阻R代替。設(shè)Z1=Z+ΔZ1,Z2=Z-ΔZ2，Z是銜鐵在中間位置時(shí)單個(gè)線圈的復(fù)阻抗，ΔZ1、ΔZ2分別是銜鐵偏離中心位置時(shí)兩線圈阻抗的變化量。對(duì)于高Q值的差動(dòng)式電感傳感器，有ΔZ1+ΔZ2≈jω(ΔL1+ΔL2)，則電橋輸出電壓為

(4-20)

圖4-5交流電橋測(cè)量電路4.1變磁阻式傳4.1變磁阻式傳感器靈敏度為（4-23）比較式（4-15）與式（4-23），單線圈式和差動(dòng)式兩種變間隙電感傳感器的靈敏度特性，可以得到如下結(jié)論：

①差動(dòng)式變間隙電感傳感器的靈敏度是單線圈式的兩倍。②差動(dòng)式的線性度得到明顯改善,電橋輸出電壓與成正比關(guān)系。4.1變磁阻式4.1變磁阻式傳感器3.變壓器式交流電橋變壓器式交流電橋測(cè)量電路如圖4-6所示，電橋兩臂Z1、Z2為傳感器線圈阻抗，另外兩橋臂為交流變壓器次級(jí)線圈的1/2阻抗。當(dāng)負(fù)載阻抗為無(wú)窮大時(shí)，橋路輸出電壓

(4-24)當(dāng)傳感器的銜鐵處于中間位置，即，電橋平衡。

圖4-6變壓器式交流電橋4.1變磁阻式傳4.1變磁阻式傳感器當(dāng)傳感器銜鐵上移時(shí)，如，時(shí)，

(4-25)當(dāng)傳感器銜鐵下移時(shí)，如，，此時(shí)

(4-26)從式（4-25）及式（4-26）可知，銜鐵上下移動(dòng)相同距離時(shí)，輸出電壓相位相反，大小隨銜鐵的位移而變化。由于是交流電壓，輸出指示無(wú)法判斷位移方向，必須配合相敏檢波電路來(lái)解決。4.1變磁阻式傳4.1變磁阻式傳