第4章電感式傳感器1PPT

復(fù)習(xí)：電磁感應(yīng)現(xiàn)象：當(dāng)穿過(guò)導(dǎo)體回路的磁通量發(fā)生變化時(shí)，回路中就產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。自感現(xiàn)象：當(dāng)一線圈中的電流變化時(shí)，它所激發(fā)的磁場(chǎng)通過(guò)線圈自身的磁通量（或磁通匝鏈數(shù)）也在變化，使線圈自身產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。這種因線圈自身電流變化所引起的感應(yīng)現(xiàn)象叫做自感現(xiàn)象，所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)叫做自感電動(dòng)勢(shì)。比例系數(shù)L稱為自感系數(shù)，簡(jiǎn)稱自感，它的大小由線圈的幾何形狀、大小以及匝數(shù)所決定，若線圈中有鐵磁質(zhì)，則還與線圈中的電流及介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)?；ジ鞋F(xiàn)象：若有兩個(gè)線圈時(shí)，當(dāng)線圈1中的電流變化時(shí)，會(huì)在它鄰近的另一個(gè)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；同樣，線圈2中的電流變化時(shí)，也會(huì)在線圈1中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。這種現(xiàn)象稱為互感現(xiàn)象，所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)稱為互感電動(dòng)勢(shì)。比例系數(shù)M稱為互感系數(shù)，簡(jiǎn)稱互感，它的大小由線圈的幾何形狀、大小、匝數(shù)以及線圈之間的相對(duì)位置所決定，若線圈中有鐵磁質(zhì)，則還與線圈中的電流及介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)。4.3電感式傳感器將被測(cè)非電量如位移、壓力、流量、振動(dòng)等轉(zhuǎn)換成線圈自感L或互感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,實(shí)現(xiàn)由非電量到電量的轉(zhuǎn)換，這種裝置稱為電感式傳感器。按轉(zhuǎn)換原理分：自感式互感式電渦流式壓磁式4.3.1自感式傳感器（變磁阻式傳感器）一、工作原理及結(jié)構(gòu)類型

1.結(jié)構(gòu)：由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。在鐵芯和銜鐵之間有氣隙,氣隙厚度為δ。

2.工作原理：被測(cè)體與銜鐵相連，被測(cè)體的運(yùn)動(dòng)引起銜鐵移動(dòng),氣隙厚度δ發(fā)生相應(yīng)改變,引起磁路中磁阻變化,從而導(dǎo)致電感線圈工作過(guò)程：被測(cè)量變化——磁阻變化——自感變化——電壓或電流變化的自感值變化,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。自感式傳感器的原理圖

3.自感的計(jì)算自感磁路總磁阻線圈匝數(shù)因?yàn)闅庀遁^小，可以認(rèn)為氣隙磁場(chǎng)是均勻的，忽略磁路損耗，則式中:μ1——鐵芯材料的磁導(dǎo)率;μ2——銜鐵材料的磁導(dǎo)率;μ0——空氣的磁導(dǎo)率;l1——鐵芯的長(zhǎng)度;l2——銜鐵的長(zhǎng)度;——空氣隙的長(zhǎng)度;A1——鐵芯的截面積;A2——銜鐵的截面積;A——空氣隙的截面積

(4-1）(4-2）由于鐵芯和銜鐵是由高導(dǎo)磁材料制成的，磁導(dǎo)率數(shù)量級(jí)在102—106以上，其磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于空氣的磁導(dǎo)率，，所以通常氣隙磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻,即則式(4-2）可近似為（4－3）

將式(4-3）代入式(4-1）,可得：上式表明,當(dāng)線圈匝數(shù)為常數(shù)時(shí),自感L僅僅是磁路中磁阻Rm的函數(shù),只要改變?chǔ)幕駻均可導(dǎo)致自感L變化,因此自感式傳感器又可分為變氣隙厚度δ的傳感器和變氣隙面積A的傳感器。a)變氣隙式（閉磁路）b)變面積式（閉磁路）c)螺管式（開磁路）4.結(jié)構(gòu)類型

二、輸出特性1.變氣隙式自感傳感器(1)單一變氣隙式自感傳感器

A不變，δ變

L與δ之間是非線性關(guān)系（如圖所示）設(shè)電感初始?xì)庀稙棣?,

初始電感量為L(zhǎng)0,

變氣隙式自感傳感器的自感－氣隙長(zhǎng)度特性曲線

當(dāng)銜鐵上移Δδ時(shí),傳感器氣隙減小Δδ,即δ=δ0-Δδ,則此時(shí)電感為L(zhǎng)=L0+ΔL,得

當(dāng)Δδ<<δ0時(shí),可將上式用泰勞級(jí)數(shù)展開成級(jí)數(shù)形式為

由上式可求得電感增量ΔL的表達(dá)式,即

忽略高次項(xiàng),可得線性輸出為：

當(dāng)銜鐵下移Δδ時(shí),傳感器氣隙增加Δδ,即δ=δ0+Δδ,則此時(shí)自感為：忽略高次項(xiàng),可得線性輸出為：靈敏度為

由此可見,變氣隙式自感傳感器的測(cè)量范圍與靈敏度及線性度相矛盾,所以變氣隙式自感傳感器僅適用于微小位移測(cè)量。為了減小非線性誤差,實(shí)際測(cè)量中廣泛采用差動(dòng)式變氣隙自感傳感器?？紤]到二次項(xiàng)，相對(duì)非線性誤差為電容（2）

差動(dòng)變氣隙式自感傳感器差動(dòng)變氣隙式自感傳感器差動(dòng)變氣隙式自感傳感器由兩個(gè)相同的電感線圈Ⅰ、Ⅱ和磁路組成,測(cè)量時(shí),銜鐵與被測(cè)體相連,當(dāng)被測(cè)體上下移動(dòng)時(shí),銜鐵也上下移動(dòng),導(dǎo)致一個(gè)線圈的電感量增加,另一個(gè)線圈的電感量減小。把兩個(gè)電感線圈接成交流電橋的相鄰橋臂,另兩個(gè)橋臂由電阻組成,電橋輸出電壓與兩個(gè)線圈的電感量的差值ΔL有關(guān)，形成差動(dòng)形式。設(shè)初始時(shí)，銜鐵處于中間位置，忽略高次項(xiàng)：靈敏度為：相對(duì)非線性誤差為銜鐵上移

比較單線圈和差動(dòng)兩種變間隙式電感傳感器的特性,可以得到如下結(jié)論:①差動(dòng)式比單線圈式的靈敏度高一倍。

②差動(dòng)式的線性度得到明顯改善。2.變面積式自感傳感器δ不變，A變

鐵芯面積為當(dāng)鐵芯上下移動(dòng)x時(shí)：自感：靈敏度：結(jié)論：變面積式傳感器具有良好的線性度，但靈敏度較低（比變氣隙式低），通常用來(lái)測(cè)量比較大的位移量。3.螺管式自感傳感器

結(jié)構(gòu)：一個(gè)螺管線圈內(nèi)套入一個(gè)活動(dòng)的銜鐵，就構(gòu)成了螺管式自感傳感器。

工作原理：當(dāng)銜鐵插入線圈時(shí)，插入部分的磁阻下降，從而使線圈自感量發(fā)生改變。設(shè)>>，線圈內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度是均勻的，未插入銜鐵時(shí)，螺線管自感為：－線圈半徑，－線圈長(zhǎng)度，－線圈匝數(shù)當(dāng)插入銜鐵后，電感為：結(jié)論：螺管式傳感器具有良好的線性度，測(cè)量范圍比較大。但靈敏度較低（比變面積式還低）。提高靈敏度可以采取下列措施：增加N；增加銜鐵面積；采用高磁導(dǎo)率的材料。－銜鐵相對(duì)磁導(dǎo)率，re－銜鐵半徑，le－銜鐵插入線圈內(nèi)的長(zhǎng)度線圈的自感與銜鐵插入的深度le成正比。靈敏度：

三種類型比較：

變氣隙型自感傳感器靈敏度高，它的主要缺點(diǎn)是非線性嚴(yán)重，為了限制非線性誤差，測(cè)量范圍只能較??；它的自由行程小，因?yàn)殂曡F在運(yùn)動(dòng)方向上受鐵心限制，制造裝配困難。

變面積型和螺管型自感傳感器靈敏度較低，優(yōu)點(diǎn)是具有較好的線性，因而測(cè)量范圍可取大些，自由行程可按需要安排，制造裝配較方便。

螺管型與變面積型自感傳感器相比，批量生產(chǎn)中的互換性好，由于具備上述優(yōu)點(diǎn)，而靈敏度的問(wèn)題可在放大電路方面加以解決，因此目前螺管型自感傳感器的應(yīng)用越來(lái)越多。三、等效電路圖４-3-3自感傳感器的等效電路L:線圈電感Rc:線圈銅耗電阻Re:鐵心渦流損耗電阻Rh(f):磁滯損耗電阻C:線圈的寄生電容等效電路圖４-3-3∵∴結(jié)論：

1、應(yīng)選擇激勵(lì)頻率

2、更換連接電纜時(shí)，須重新進(jìn)行校準(zhǔn)。四、自感式傳感器的測(cè)量電路電感式傳感器常用交流阻抗電橋和諧振電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換。1.電感電橋輸出電壓銜鐵偏離中間點(diǎn)時(shí)(變氣隙為例)初始平衡狀態(tài)，L1=L2＝L0把差動(dòng)式自感傳感器接入電橋，輸出電壓與銜鐵位移成線性關(guān)系。2.運(yùn)算放大電路

―－－適用于單一式自感傳感器圖中L0為固定電感，其值等于自感傳感器LX的初始值。3.調(diào)頻電路調(diào)頻電路的基本原理是：傳感器電感的變化引起輸出電壓頻率f的變化。一般把傳感器電感線圈L和一個(gè)固定電容C接入一個(gè)振蕩電路中，其振蕩頻率為：當(dāng)L變化時(shí)，振蕩頻率