第5章電感式傳感器

第5章電感式傳感器引言電感式傳感器是一種建立在電磁感應(yīng)基礎(chǔ)上的，利用線圈的自感L和互感M的變化來實(shí)現(xiàn)測量的一種裝置。測量時被測物理量引起線圈的自感或互感變化，再由測量電路轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化量輸出。優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠壽命長，測量精度高，零點(diǎn)穩(wěn)定，輸出功率較大等。缺點(diǎn):靈敏度、線性度和測量范圍相互制約，傳感器自身頻率響應(yīng)低，不適用于快速動態(tài)測量。第一節(jié)自感式傳感器一、結(jié)構(gòu)和工作原理1.結(jié)構(gòu):

線圈、鐵芯和銜鐵。2.原理：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)動部分與銜鐵相連。當(dāng)銜鐵移動時，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，只要能測出這種電感量的變化，就能確定銜鐵位移量的大小和方向。1-線圈；2-鐵芯（定鐵芯）；3-銜鐵（動鐵芯）電路的磁阻指由于電流引起的鏈合磁通量。根據(jù)電感定義，線圈中電感量可由下式確定：上式中：Ψ——線圈總磁鏈；I——通過線圈的電流；N——線圈的匝數(shù)；Φ——穿過線圈的磁通。由磁路歐姆定律，得磁通表達(dá)式：——磁路總磁阻。對于變隙式傳感器，因?yàn)闅庀逗苄?，所以可以認(rèn)為氣隙中的磁場是均勻的。若忽略磁路磁損，則磁路總磁阻為:式中：

——鐵芯材料的導(dǎo)磁率(H/m)；

——銜鐵材料的導(dǎo)磁率(H/m)；

——磁通通過鐵芯的長度(m)；

——磁通通過銜鐵的長度(m)；

——鐵芯的截面積()；

——銜鐵的截面積()；

——空氣的導(dǎo)磁率(4π×H/m)；

——?dú)庀兜慕孛娣e()；

δ——?dú)庀兜暮穸?m)。通常氣隙磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻，即：和則可近似認(rèn)為：聯(lián)立前幾式，可得上式表明，當(dāng)線圈匝數(shù)為常數(shù)時，電感L僅僅是磁路中磁阻

的函數(shù)，只要改變δ或均可導(dǎo)致電感變化3.輸出特性設(shè)電感傳感器初始?xì)庀稙?/p>

，初始電感量為，銜鐵位移引起的氣隙變化量為Δδ，可知L與δ之間是非線性關(guān)系，特性曲線如圖所示，初始電感量為：圖3-4變隙式電感傳感器的L-δ特性當(dāng)銜鐵上移Δδ時，傳感器氣隙減小Δδ，即

，則此時輸出電感為

，代人上式整理得：當(dāng)

時，可將上式用泰勒級數(shù)展開成級數(shù)形式為由上式可求得電感增量

和相對增量

的表達(dá)式，即：當(dāng)銜鐵下移Δδ時，傳感器氣隙增大Δδ，即

，則此時輸出電感為整理，得：線性處理，忽略高次項(xiàng)，可得：靈敏度為：由此可見，變間隙式電感傳感器的測量范圍與靈敏度及線性度相矛盾，所以變隙式電感式傳感器用于測量微小位移時是比較精確的。三、差動自感傳感器1.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：上下兩個磁體的幾何尺寸、材料、電氣參數(shù)均完全一致，傳感器的兩只電感線圈接成交流電橋的相鄰橋臂，另外兩只橋臂由電阻組成，構(gòu)成交流電橋的四個橋臂。2.工作原理：初始狀態(tài)時，銜鐵位于中間位置，兩邊氣隙寬度相同，電橋平衡，輸出電壓Uo=0;當(dāng)銜鐵偏離中心位置，兩邊氣隙寬度發(fā)生變化，一增一減；差動自感傳感器電感量的變化量為：差動式自感傳感器的靈敏度，再忽略高次項(xiàng)后得到：四、測量電路1.交流電橋式測量電路結(jié)構(gòu)：如圖原理：初始位置，銜鐵位于中間這時δ1=δ2=δ0，因此：當(dāng)銜鐵上移時：δ1=δ0-△δ，δ2=δ0+△δ

差動電感傳感器上下兩部分阻抗為：電橋輸出電壓為結(jié)論：電橋輸出電壓的幅值大小與銜鐵的相對移動量的大小成正比，當(dāng)δ0>0時，與同相；當(dāng)△δ

<0時，與反相。2．變壓器式交流電橋

變壓器式交流電橋測量電路如圖所示，電橋兩臂

、

為傳感器線圈阻抗，另外兩橋臂為交流變壓器次級線圈的1/2阻抗。變壓器式交流電橋當(dāng)負(fù)截阻抗為無窮大時，橋路輸出電壓當(dāng)傳感器的銜鐵處于中間位置，即

時有，電橋平衡。當(dāng)傳感器銜鐵上移時，上面線圈的阻抗增加，而下面線圈的阻抗減小，即

，

此時：當(dāng)傳感器銜鐵下移時，則

，此時：設(shè)線圈Q值很高，省略損耗電阻，則由上兩式可寫為：

從上式可知，銜鐵上下移動相同距離時，輸出電壓的大小相等，但方向相反，由于是交流電壓，輸出指示無法判斷位移方向，必須配合相敏檢波電路來解決。3.相敏檢波電路結(jié)構(gòu)：如圖原理：當(dāng)銜鐵位于中心位置當(dāng)銜鐵向上移動當(dāng)銜鐵向下移動第二節(jié)互感式傳感器互感式傳感器是把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感量變化的傳感器。它根據(jù)變壓器的基本原理制成，并且次級繞組都用差動形式連接，故又稱為差動變壓器式傳感器。差動變壓器結(jié)構(gòu)形式較多，有變隙式、變面積式和螺線管式等，但其工作原理基本一樣。非電量測量中，應(yīng)用最多的是螺線管式差動變壓器，它可以測量1～100mm范圍內(nèi)的機(jī)械位移，并具有測量精度高，靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。一、結(jié)構(gòu)與工作原理1.結(jié)構(gòu)兩個初級繞組線圈1和線圈2的同名端同相串聯(lián)；兩個次級繞組線圈3和線圈4的同名端反相串聯(lián)；為家在初級繞組的激勵電壓，為輸出電壓2.工作原理當(dāng)銜鐵位于中間位置時，M1=M2，,;當(dāng)銜鐵向上移動時，

M1>M2，,;當(dāng)銜鐵向下移動時，M1<M2，,;3.殘余電壓當(dāng)銜鐵偏離中心位置時，輸出電壓隨偏離的增大而增大。實(shí)際上，銜鐵位于中心位置時，輸出電壓不為0，二是大小為，它是零點(diǎn)殘余電壓。在使用中應(yīng)盡量減少，具體方法如下：盡可能保證傳感器幾何尺寸、線圈電氣參數(shù)的對稱。磁性材料要經(jīng)過處理，消除內(nèi)部的殘余應(yīng)力，使其性能均勻穩(wěn)定；選用合適的測量電路，如采用相敏整流電路。即可判別銜鐵移動方向又可改善輸出特性，減小零點(diǎn)殘余電動勢；采用補(bǔ)償線路減小零點(diǎn)殘余電動勢。二、等效電路差動變壓器式傳感器中兩個次級線圈反向串聯(lián)，并且在忽略鐵損、導(dǎo)磁體磁阻和線圈分布電容的理想條件下，其等效電路如下圖所示。差動變壓器等效電路當(dāng)初級繞組

加以激勵電壓時，根據(jù)變壓器的工作原理，在兩個次級繞組

和

中便會產(chǎn)生感應(yīng)電勢和。如果工藝上保證變壓器結(jié)構(gòu)完全對稱，則當(dāng)活動銜鐵處于初始平衡位置時，必然會使兩互感系數(shù)

。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，將有變壓器兩次級繞組反向串聯(lián)，因而即差動變壓器輸出電壓為零。1.等效電路與計(jì)算差動變壓器中，當(dāng)次級開路時，初級線圈激勵電流為：式中：ω——激勵電壓的角頻率；

——初級線圈激勵電壓；

——初級線圈激勵電流；

——初級線圈直流電阻和電感。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，次級繞組中感應(yīng)電勢的表達(dá)式分別為：由于次級兩繞組反向串聯(lián)，且考慮到次級開路，則由以上關(guān)系可得：輸出電壓的有效值為：下面分三種情況進(jìn)行分析：活動銜鐵處于中間位置時：故活動銜鐵向上移動時：故與同極性?；顒鱼曡F向下移動時：故與同極性。第三節(jié)電渦流式變換原理一、電渦流效應(yīng)1.工作原理

右圖為電渦流式傳感器的原理圖，該圖由傳感器線圈和被測導(dǎo)體組成線圈—導(dǎo)體系統(tǒng)。電渦流傳感器原理圖根據(jù)法拉第定律，當(dāng)傳感器線圈通以正弦交變電流時，線圈周圍空間必然產(chǎn)生正弦交變磁場，使置于此磁場中的金屬導(dǎo)體中感應(yīng)電渦流，又產(chǎn)生新的交變磁場。根據(jù)愣次定律的作用將反抗原磁場，導(dǎo)致傳感器線圈的等效阻抗發(fā)生變化，此電渦流的閉合流線的圓心同線圈在金屬板上的投影的圓心重合。由上可知，線圈阻抗的變化完全取決于被測金屬導(dǎo)體的電渦流效應(yīng)。而電渦流效應(yīng)既與被測體的電阻率

、相對磁導(dǎo)率

以及幾何形狀有關(guān)，又與線圈幾何參數(shù)、線圈中激磁電流頻率

有關(guān)，還與線圈與導(dǎo)體間的距離

有關(guān)。傳感器線圈受電渦流影響時的等效阻抗

的函數(shù)關(guān)系式為：式中：

—被測體的電阻率；

—相對磁導(dǎo)率；

—線圈與被測體的尺寸因子；

—線圈激磁電流的頻率；

—線圈與導(dǎo)體間的距離。保持上式中其它參數(shù)不變，而只改變其中一個參數(shù)，傳感器線圈阻抗

就僅僅是這個參數(shù)的單值函數(shù)。通過與傳感器配用的測量電路測出阻抗

的變化量，即可實(shí)現(xiàn)對該參數(shù)的測量。二、等效電路分析根據(jù)基爾霍夫第二定律，可列出如下方程：式中：

—線圈激磁電流角頻率；

—線圈電阻和電感；

—短路環(huán)等效電感；

—短路環(huán)等效電阻；

—互感系數(shù)。解得等效阻抗Z的表達(dá)式為：式中：

—線圈受電渦流影響后的等效電阻；

—線圈受電渦流影響后的等效電感。線圈的等效品質(zhì)因數(shù)Q值為：由Z的表達(dá)式可知，由于渦流的影響，線圈阻抗的實(shí)數(shù)部分增大，虛數(shù)部分減小，因此線圈Q值下降。第四節(jié)電感式傳感器的應(yīng)用3.3.5電渦流式傳感器的應(yīng)用1．測位移電渦流式傳感器的主要用途之一是可用來測量金屬件的靜態(tài)或動態(tài)位移，最大量程達(dá)數(shù)百毫米，分辨率為0.