車輛檢測技術(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)原理將被測非電量如位移、壓力、流量、振動等轉(zhuǎn)換成 線圈自感量 L 或互感量 M 的變化，再由測量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出的一種傳 感器。由鐵心和線圈構(gòu)成的將直線或角位移的變化轉(zhuǎn)換為線圈電感量變化的傳感器， 又稱電 感式位移傳感器。 這種傳感器的線圈匝數(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)致線圈磁路的幾何尺寸變化而引起的。 當(dāng)把線圈接入測量電路并接通激勵電 源時，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

2、。電感式傳感器有以下特點(diǎn)：1 工作可靠，壽命長；2靈敏度高，分辨率高（位移變化0.01 m，角度變化0.1''）;3 測量精度高，線性好 （非線性誤差可達(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、線性度和測量范圍相互制約,存在交流零位信號，傳感器自身頻率響應(yīng)低， 不適用于高頻動態(tài)測量。 電感式傳感器主要用于位移測量和可以轉(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、應(yīng)變、流量、厚度、液 位、比重、轉(zhuǎn)矩等）的測量。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、傳感器多制成差動式， 以便提高線 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量式控制位置偏差的電子信號發(fā)生器，其用途非常廣泛。 例如：可測量彎曲和偏移； 可測量振蕩的振幅高度； 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關(guān)、齒輪齒條測速等，該類傳感器廣泛應(yīng)用于紡織、 化纖、機(jī)床、機(jī)械、冶金、機(jī)車汽車等行業(yè)的鏈輪齒輪速度檢測，鏈輸送帶的速度

4、和距離檢 測，齒輪齒條計數(shù)轉(zhuǎn)速表及車輛防護(hù)系統(tǒng)的控制等。 另外該類傳感器還可用在給料管理系統(tǒng) 中小物體檢測、物體噴出控制、斷線監(jiān)測、小零件區(qū)分、厚度檢測和位置控制等。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)動部分與銜鐵相連。當(dāng)銜鐵移動時，氣隙厚度3發(fā)生改變，引起磁路中磁阻變化，從而導(dǎo)致電感線圈的電感值變化，因此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。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線圈2鐵心（定鐵心）3 銜鐵（動鐵心）根據(jù)電感定義，線圈中電感量可由下式確定(3-1)式中：線圈總磁鏈；I通過線圈的電流； N線圈的匝數(shù)； 一穿過線圈的磁通。由磁路歐姆定律，得IN(3-2)Rm(3-3)式中：Rm磁路總磁阻。對于變隙式傳感器，因為氣隙很小，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：口 1 鐵芯材料的導(dǎo)磁率;口 2 銜鐵材料的導(dǎo)磁率；L1 磁通通過鐵芯的長度;L2磁通通過銜鐵的長度；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)線圈匝數(shù)為常數(shù)時，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Lo,銜鐵位移引起的氣隙變化量為厶3 ,從式(3-5)可知，L與3之間是非線性關(guān)系，特性曲線如圖 (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，則此時輸出電感為L=Lo+當(dāng)銜鐵上移A3時，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，傳感器氣隙減小A3, L,代入式(36)式并整理，得：=3 0- 則此時輸出電感為L=L 0+L01 ()()20()30(3-11)LL0-10()20()30(3-12)對式(3-10)、(3-12)作線性處理，忽略高次項,可得:

8、L L00當(dāng)逹o<<1時，可將上式用泰勒級數(shù)展開成級數(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)際測量中廣泛采用由此可見，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, 感式傳感器用于測量微小位移時是比較精確的。 為了減小非線性誤差, 差動變隙式電感傳感器。11 鐵 芯2 線圈3 銜鐵圖3-3差動變隙式電感傳感器的結(jié)構(gòu)原理1-鐵芯，2-線圈，3-銜鐵圖3-3所示為差動變隙式電感傳感器的原理結(jié)構(gòu)圖。由圖可知，差動變隙式電感傳感器由兩個相同的電感線圈i、n和磁路組成，測量時，銜鐵通過導(dǎo)桿與被測位移量相連，當(dāng)被測體

9、上下移動時，導(dǎo)桿帶動銜鐵也以相同的位移上下移動，使兩個磁回路中磁阻發(fā)生大小相等，方向相反的變化，導(dǎo)致一個線圈的電感量增加，另一個線圈的電感量減小，形成差動形 式。當(dāng)銜鐵往上移動時，兩個線圈的電感變化量L1.A L2分別由式（3 9）及式（311）表示，按差動使用時，兩個電感線圈接成交流電橋的相鄰橋臂，另兩個橋臂由電阻組 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對上式進(jìn)行線性處理，忽略高次項得：L2L0 0(3-14)比較單線圈和差動兩種變間隙式電感傳感器的特性，可以得到如下結(jié)論差動式比單線圈式的靈敏度高一倍。差動式的非線性項等于單線圈非線性項

10、乘以（AS逹0）因子，因為(AS / S 0)<<1 ,所以差動式的線性度得到明顯改善。為了使輸出特性能得到有效改善，構(gòu)成差動的兩個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、銜鐵及線圈等組成, 銜鐵與膜盒的上端連在一起。S13 £3亜訕 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，膜盒的頂端在壓力 于是銜鐵也發(fā)生移動， 從而使氣隙發(fā)生變化， 示值就反映了被測壓力的大小。圖3-5所示為變隙式差動電感壓力傳感器, 組成。P的作用下產(chǎn)生與壓力 P大小成

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

12、本原理制成的， 并且次級繞組都用差動形式連接， 故稱差動變壓器式傳感 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1100mm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)。工作原理螺線管式差動變壓器結(jié)構(gòu)如圖3-6所示，它由初級線圈，兩個次級線圈和插入線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螺線管式差動變壓器結(jié)構(gòu)圍活動銜鐵

13、；2導(dǎo)磁外殼；3 骨架;級線圈；5匝數(shù)為N2a的次級線圈;6匝數(shù)為N2b的次級線圈螺線管式差動變壓器按線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。XXXX1 1Xxxxx乂女IX丈K謝4-1：規(guī)區(qū)樓列方式O）-咄式I （b）二書弍F ®芭節(jié)氏|血 舊曲式I W五節(jié)式圖3-7線圈排列方式（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，其等效電路如圖3-8所示。當(dāng)初級

14、繞組 Ni加以激勵電壓Ui時，根據(jù)變壓器的工作原理，在兩個次級繞組N2a和N2b中便會產(chǎn)生感應(yīng)電勢E2a和E2b。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)Mi=M2。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，將有E2a=E2b。由于變壓器兩次級繞組反向串聯(lián)，因而U2 = E2a-E2b=0，即差動變壓器輸出電壓為零。4 - 12 塗勒3EEE將魴效L包路圖3-8差動變壓器等效電路活動銜鐵向上移動時，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。因為 U2=E2a-E2b=0，所以當(dāng) E2

15、a、E2b 隨著銜鐵位移x變化時，U2也必將隨x變化。圖3-9給出了變壓器輸出電壓U2與活動銜鐵位移x的關(guān)系曲線。實(shí)際上，當(dāng)銜鐵位于中心位置時，差動變壓器輸出電壓并不等于零，我 們把差動變壓器在零位移時的輸出電壓稱為零點(diǎn)殘余電壓，記作Ux。它的存在使傳感器的輸出特性不過零點(diǎn)，造成實(shí)際特性與理論特性不完全一致。13 卷勖盤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繞組的電氣參數(shù)與幾何尺寸不對稱，以及磁性 材料的非線性等問題引起的。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： 傳感器的兩次級繞組的電氣參數(shù)和幾何尺寸不對稱，導(dǎo)致它們產(chǎn)生的感應(yīng)電勢的幅值不等、 相位不同，因此不論怎樣調(diào)整銜鐵位置，兩線圈中感應(yīng)電勢都不能完全抵消。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的非線性（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，應(yīng)設(shè)法減小Ux,否則將會影響傳感器的測量結(jié)果?；咎匦圆顒幼儔浩鞯刃щ娐啡鐖D3-8所示。當(dāng)次級開路時有IlUirij Li(3-15)Ii初級線圈激勵電流;式中：3激勵電壓 Ui的角頻率；U1初級線圈激勵電壓;ri、Li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：E2aj Mill.E2bj M 2 I 1由于次級