Xie第三章(6)電感式傳感器

第三章傳感器基本原理（5）

?電感式傳感器內容提要：電感式傳感器概述自感式傳感器差動變壓器式傳感器電渦流式傳感器電感式傳感器的應用1.電感式傳感器概述利用電磁感應原理，將被測的物理量（如位移、壓力、流量、振動等）轉換成線圈的自感系數(shù)L或互感系數(shù)M的變化，再由測量電路轉換為電壓或電流的變化量輸出，實現(xiàn)由非電量到電量轉換的裝置。種類：自感式傳感器：將非電量轉換成自感系數(shù)變化差動變壓器式傳感器：將非電量轉換成互感系數(shù)變化電渦流式傳感器：利用電渦流效應將非電量轉換成線圈的電感或阻抗變化2.自感式傳感器由銜鐵、鐵芯和匝數(shù)為W的線圈構成。主要用來測量位移或可以轉換成位移的被測量。磁阻RM包括鐵芯、銜鐵的磁阻和空氣隙的磁阻，即鐵磁材料各段的磁阻之和空氣隙的磁阻R為：則電感L為：因為鐵磁材料其磁阻與空氣隙磁阻相比較小，計算時可忽略不計,

傳感器測量物理量時銜鐵的運動部分產(chǎn)生位移，導致線圈的電感值發(fā)生變化，線圈的電感L為：

當線圈及鐵芯一定時，W為常數(shù)，如果改變或S時，L值會引起相應變化。電感傳感器利用這一原理做成。電感傳感器是一個帶鐵芯的可變電感，由于線圈的銅耗、鐵芯的渦流損耗、磁滯損耗以及分布電容的影響，它并非呈現(xiàn)純電感。自感式傳感器的等效電路等效電路中L為電感，Rc為銅損電阻，Re電渦流損耗電阻，磁滯損耗電阻Rh，C為傳感器等效電路的等效電容。當電感傳感器確定后，這些參數(shù)即為已知量。忽略分布電容且不考慮各種損耗時，電感傳感器阻抗Z為：當考慮并聯(lián)分布電容時，阻抗Zs為：

考慮分布電容時，電感傳感器的有效串聯(lián)電阻和有效電感都增加了，而線圈的有效品質因數(shù)卻減小，此時，電感傳感器有效靈敏度為：考慮分布電容后，電感傳感器的靈敏度增加了。因此，必須根據(jù)測試時所用電纜長度對傳感器進行標定，或者相應調整并聯(lián)電容。品質因數(shù)Q為：當電感傳感器Q值高時，即1/Q2<<1K=常見的自感式傳感器變間隙式變面積式螺管式自感式傳感器的結構類型及特性變間隙式電感傳感器線圈電感與氣隙長度的關系為非線性關系，非線性度隨氣隙變化量的增大而增大，只有當很小時，忽略高次項的存在，可得近似的線性關系。所以，單邊變間隙式電感傳感器存在線性度要求與測量范圍要求的矛盾。線圈電感的相對變化量為：若/0<<1，可得同理可得當銜鐵向下移動時的L/L0為：

銜鐵移動時，空氣隙將從原始的0發(fā)生的變化。電感增量為：

若使得銜鐵向上移動取為-，電感為：泰勒級數(shù)展開變面積式電感傳感器起始狀態(tài)時，鐵芯當銜鐵隨被測量上、下移動時，S=(a-x)h與銜鐵在氣隙出正對著，截面積為S0=ah。線圈電感L為：線圈電感L與面積S（或x）呈線性關系，靈敏度k為一常數(shù)，即正確選擇線圈匝數(shù)、鐵芯尺寸可提高靈敏度。一般選用差動式結構更好。螺線管式電感傳感器由螺線管形線圈、磁性材料制成的柱形鐵芯和外套組成。L和x呈線性關系，靈敏度K為：

當l/r>>1時，可認為管內磁感應強度為均勻分布。

當x<<1時，可推得線圈的電感量L為:

設線圈長度和平均半徑分別為l和r，鐵芯進入線圈的長度和鐵芯半徑分別為x和ra，鐵芯有效磁導率為0。3.差動變壓器式傳感器差動變壓器上下兩只鐵芯上均有一個初級線圈W1(也稱勵磁線圈)和一個次級線圈W2(也叫輸出線圈)。上下兩個初級線圈串聯(lián)后接交流勵磁電源Usr，兩個次級線圈則按電勢反相串聯(lián)。工作原理：當銜鐵處于中間位置時，1＝

2，初級線圈中產(chǎn)生交變磁通1和2，在次級線圈中便產(chǎn)生交流感應電勢。由于兩邊氣隙相等，磁阻相等，所以1＝

2，次級線圈中感應出的電勢e21=e22，由于次級是按電勢反相連接的，結果輸出電壓Usc=0。當銜鐵偏離中間位置時，兩邊氣隙不等(即12)，次級線圈中感應的電勢不再相等(即e21e22)，便有電壓Usc輸出。Usc的大小及相位取決于銜鐵的位移大小和方向。分析差動變壓器式傳感器的輸出特性初級線圈的電流為：當有氣隙變化時，兩個初級線圈的電感值分別為：次級線圈的輸出電壓Usc為兩個線圈感應電勢之差：感應電勢分別為：初始時，初級線圈的阻抗分別為：M1及M2為初級與次級之間的互感系數(shù)，其值分別為：

設初級、次級線圈的匝數(shù)分別為W1、W2，當有氣隙時，傳感器的磁回路中的總磁阻近似值為R。

初始狀態(tài)時，初級線圈電感為：上下兩個磁系統(tǒng)中的磁通，代入式中得：忽略2，整理式子得，當>>R時，傳感器的靈敏度為：差動變壓器式傳感器的特性幾乎完全是線性的，靈敏度不僅取決于磁系統(tǒng)的結構參數(shù)，同時取決于初、次級線圈的匝數(shù)比及激磁電源電壓的大小，可通過改變匝數(shù)比及提高電源電壓的辦法來提高靈敏度。4.電渦流式傳感器電感線圈產(chǎn)生的磁力線經(jīng)過金屬導體時，金屬導體就會產(chǎn)生感應電流，該電流的流線呈閉合回線，類似水渦形狀，故稱之為電渦流。電渦流式傳感器是以電渦流效應為基礎，由一個線圈和與線圈鄰近的金屬體組成。當線圈通入交變電流I時，在線圈的周圍產(chǎn)生一交變磁場H1，處于該磁場中的金屬體上產(chǎn)生感應電動勢，并形成渦流。金屬體上流動的電渦流也將產(chǎn)生相應的磁場H2，H2與H1方向相反，對線圈磁場H1起抵消作用，從而引起線圈等效阻抗Z或等效電感L或品質因數(shù)相應變化。金屬體上的電渦流越大，這些參數(shù)的變化亦越大。金屬導體置于交變磁場中會產(chǎn)生電渦流，且該電渦流產(chǎn)生磁場的方向與原磁場方向相反的一種物理現(xiàn)象。采用電渦流式傳感器并配用相應的測量線路，可得到與該被測量相對應的電信號(電壓、電流或頻率)輸出。該方法常用來測量位移、金屬體厚度、溫度等參數(shù)，并可作探傷用。R1、L1線圈原有的電阻、電感；R2、L2電渦流等效短路環(huán)的電阻和電感；勵磁電流的角頻率；M線圈與金屬體之間的互感系數(shù)；U電源電壓5.電感式傳感器的應用液位測量銜鐵隨浮子運動反擊出液位的變化，從而使差動變壓器有一相應的電壓輸出。