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4.2差動(dòng)變壓器式傳感器4.3電渦流式傳感器4.4電感式傳感器的應(yīng)用4.1變磁阻式傳感器4.1.1工作原理結(jié)構(gòu)：線圈、鐵芯、銜鐵、氣隙。圖4–1變磁阻式傳感器線圈的電感量：式中：W——線圈的匝數(shù)；Rm——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：（4-1）（4-2）通常氣隙磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻，所以：（4-3）（4-4）據(jù)此，可形成三種形式的電感式傳感器。

Rm＝f（δ、μ、S）4.1.2變磁阻式傳感器的結(jié)構(gòu)類型及特征三類：變間隙式、變面積式和螺線管式。1.變間隙式電感傳感器結(jié)構(gòu)：線圈、鐵芯、銜鐵、氣隙。設(shè)間隙變化為－Δδ（上移），則：（4-5）L0為初始電感量。線圈電感與間隙的關(guān)系：圖4-2變隙式電壓傳感器的L-δ特性問題：靈敏度變化趨勢？傳感器適用條件？電感增量ΔL和相對增量ΔL/L0為：當(dāng)Δδ/δ0<<1時(shí)，可將上式用臺勞級數(shù)展開成如下的級數(shù)形式（L1）

：（4-6）（4-7）（4-8）對上式作線性處理（即忽略小項(xiàng)的高次項(xiàng)）：（4-9）靈敏度為：（4-10）δ0越小，靈敏度越高。非線性誤差的討論同應(yīng)變電阻的單肩電橋。差動(dòng)變隙式電感傳感器：圖4-3差動(dòng)變隙式電感傳感器當(dāng)銜鐵位置向下移動(dòng)Δδ時(shí)（L2）：（4-11）（4-12）（4-13）對差動(dòng)式，ΔL為L1－L2，所以有：（4-14）對上式作線性處理：靈敏度是單極式的2倍。非線性誤差減小，因?yàn)榇颂幝匀サ氖切№?xiàng)的3次方項(xiàng)。通常取Δδ/δ0＜0.4。（4-15）２.變面積式電感傳感器結(jié)構(gòu)：線圈電感：電感與面積Ｓ（或ｘ）成線性關(guān)系。（4-16）３.螺線管式電感傳感器結(jié)構(gòu)：一定范圍內(nèi)電感與位移ｘ成線性關(guān)系。4.1.3測量電路1.電感式傳感器的等效電路圖4-4電感式傳感器的等效電路L：電感Rc：銅線電阻（銅損）C：分布電容阻抗：（4-17）（4-18）品質(zhì)因數(shù)Q=ωL/R。通常有Q>>1，所以：（4-19）設(shè)：有：通常：R’＞R，L’＞L。結(jié)論：考慮分布電容后，電感式傳感器的靈敏度有所提高。因此，在實(shí)際應(yīng)用中要考慮引線對傳感器的影響來確定電感量。（4-20）2.交流電橋式測量電路只適用于差動(dòng)式電感傳感器。結(jié)構(gòu)：圖4-5交流電橋測量電路３.變壓器式交流電橋測量電路結(jié)構(gòu)：圖4-6變壓器式交流電橋4.諧振式測量電路（1）調(diào)幅電路：原理：L與C組成諧振電路，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。（注意確定工作點(diǎn)）（2）調(diào)頻電路：原理：把傳感器L和C接入一個(gè)振蕩回路中，L的變化引起輸出頻率變化。4.2差動(dòng)變壓器式傳感器4.2.1工作原理１.結(jié)構(gòu)：差動(dòng)變壓器由鐵芯、初級線圈和次級線圈組成。有門形（n形）和螺管式兩種，其中螺管式差動(dòng)變壓器又分二段式和三段式。差動(dòng)變壓器式傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖（a）、（b）變隙式差動(dòng)變壓器;（c）、（d）螺線管式差動(dòng)變壓器;（e）、（f）變面積式差動(dòng)變壓器

2.原理原理電路（變間隙式初級線圈是兩個(gè)線圈串接而成） 鐵芯位移使得互感M1、M2變化。兩次級線圈串連輸出，同相端相連（差分輸出）。4.2.2差動(dòng)變壓器式傳感器的特性1.基本特性由原理電路，當(dāng)次級開路時(shí)：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：更正：I1電壓的有效值為：活動(dòng)銜鐵處于中間位置時(shí)：活動(dòng)銜鐵向上移動(dòng)：

與同極性。

活動(dòng)銜鐵向下移動(dòng)：與同極性。

正負(fù)方向反映了銜鐵的移動(dòng)方向，幅度大小反映銜鐵移動(dòng)的距離。差動(dòng)變壓器輸出電壓的特性曲線

2.輸出特性曲線變隙式差動(dòng)變壓器輸出特性3.零位電壓（零點(diǎn)殘余電壓）由于兩個(gè)線圈參數(shù)不可能完全相同，使得鐵芯在中間位置時(shí)，輸出電動(dòng)勢不為零（調(diào)不到零）的現(xiàn)象叫做零位電壓。產(chǎn)生零點(diǎn)殘余電壓的原因大致有如下兩點(diǎn)：（1）由于兩電感線圈的電氣參數(shù)及導(dǎo)磁體幾何尺寸不完全對稱，在兩電感線圈上的電壓幅值和相位不同，從而形成零點(diǎn)殘余電壓的基波分量。（2）由于傳感器導(dǎo)磁材料磁化曲線的非線性（如鐵磁飽和、磁滯損耗），使激勵(lì)電流與磁通波形不一致，從而形成零點(diǎn)殘余電壓的高次諧波分量。零位電壓對測量的影響：零點(diǎn)殘余電壓的存在，使得傳感器輸出特性在零點(diǎn)附近不靈敏，限制了分辨率的提高。零點(diǎn)殘余電壓太大，使線性度變壞，靈敏度下降，甚至?xí)狗糯笃黠柡?，堵塞有用信號通過，致使儀器不再反映被測量的變化。零位電壓的特點(diǎn)：由于零位電壓實(shí)際上主要是由實(shí)部不對稱造成的，所以零位電壓的相位與有用輸出信號相位相差90度。零位電壓的補(bǔ)償：使兩線圈的實(shí)部、虛部分別相等。主要是實(shí)部相等。方法是串、并聯(lián)電阻，并聯(lián)電容。4.2.3.差動(dòng)變壓器式傳感器測量電路差動(dòng)變壓器的輸出是交流電壓，若用交流電壓表測量，只能反映銜鐵位移的大小，不能反映移動(dòng)的方向。由于輸出信號中包含零點(diǎn)殘余電壓，為了達(dá)到能辨別移動(dòng)方向和消除零點(diǎn)殘余電壓的目的，實(shí)際測量時(shí)，常常采用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路。1.差動(dòng)整流電路

差動(dòng)整流電路（a）半波電壓輸出；（b）半波電流輸出；（c）全波電壓輸出；（d）全波電流輸出更正：電流型2.相敏檢波電路對相位敏感的檢波電路。詳見實(shí)驗(yàn)。4.3電渦流式傳感器4.3.1工作原理 渦流：金屬塊在變化的磁場中，其體內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電流（電流線閉合）。電渦流式傳感器原理圖（a）傳感器激勵(lì)線圈;（b）被測金屬導(dǎo)體 i=F（ρ，μ，t，x，f）ρ－材料的電阻率，μ－材料的導(dǎo)磁率，t－材料的厚度，x－傳感器到材料的距離，f－信號頻率。電渦流式傳感器等效電路圖4.3.2電渦流式傳感器的結(jié)構(gòu)型式及特點(diǎn)兩種類型的渦流式傳感器：高頻反射式低頻透射式1.高頻反射式（f≥107HZ）高頻電流的趨膚效應(yīng)，高頻電磁場不能穿透一定厚度的金屬板，金屬板表面的感應(yīng)渦流產(chǎn)生電磁場反作用于線圈，改變線圈的L大小。

ZL=F（ρ，μ，x，f）對于金屬ρ很小，μ約等于1，所以：

ZL=F（x，f）結(jié)構(gòu)：變間隙式、變面積式和螺線管式２.低頻透射式（f≈103HZ）原理：有兩個(gè)線圈，分布于金屬板兩面，一個(gè)發(fā)射電磁波，一個(gè)接收電磁波，電磁場能透過金屬板。感應(yīng)電動(dòng)勢：E=F（ρ，t，f）電渦流密度軸向分布曲線d為金屬導(dǎo)體中某一點(diǎn)與表面的距離結(jié)構(gòu)：透射式渦流厚度傳感器結(jié)構(gòu)透射式渦流厚度傳感器的檢測范圍可達(dá)1～100mm？，分辨率為0.1μm，線性度為1%調(diào)頻式測量電路(a)測量電路框圖；(b)振蕩電路4.3.3測量電路1．調(diào)頻電路

LC作振蕩回路。（f是x的函數(shù)，振蕩信號由此電路產(chǎn)生）2．調(diào)幅電路

LC作諧振回路。（f是常數(shù)，振蕩信號由其他電路產(chǎn)生，uo是x的函數(shù)）調(diào)幅式測量電路示意圖4.4電感式傳感器的應(yīng)用1.變隙電感式壓力傳感器結(jié)構(gòu)：膜盒、鐵芯、銜鐵及線圈等組成測量：P原理：敏感元件：轉(zhuǎn)換元件：2.變隙式差動(dòng)電感壓力傳感器變隙式差動(dòng)電感壓力傳感器

結(jié)構(gòu)：C形彈簧管、鐵芯、銜鐵及線圈等組成測量：P原理：敏感元件：轉(zhuǎn)換元件：3.差動(dòng)變壓器式