自感式傳感器

關(guān)于自感式傳感器13.1自感式傳感器3.1.1工作原理3.1.2變氣隙式自感傳感器3.1.3變面積式自感傳感器3.1.4螺線管式自感傳感器3.1.5自感式傳感器測(cè)量電路3.1.6自感式傳感器應(yīng)用舉例第2頁(yè),共27頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.1.1工作原理

線圈自感Ψ——線圈總磁鏈,單位：韋伯；I——通過(guò)線圈的電流，單位：安培；W——線圈的匝數(shù)；Rm——磁路總磁阻，單位：1/亨。a)氣隙型

b)截面型

c)螺管型自感式傳感器原理圖將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為自感L的變化，通過(guò)一定的轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓或電流輸出。空氣隙很小第3頁(yè),共27頁(yè)，2024年2月25日，星期天li——各段導(dǎo)磁體的長(zhǎng)度；μi——各段導(dǎo)磁體的磁導(dǎo)率；Si

——各段導(dǎo)磁體的截面積；

δ——空氣隙的厚度；μ0

——真空磁導(dǎo)率S——空氣隙磁通的截面積變氣隙型傳感器變截面型傳感器

線圈中放入圓形銜鐵（上圖c)，當(dāng)銜鐵上下移動(dòng)時(shí)，也可改變自感，構(gòu)成螺管型傳感器。代入Rm，得磁路封閉，磁場(chǎng)均勻，若忽略磁路鐵損，則總磁阻為第4頁(yè),共27頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.1.2變氣隙式自感傳感器

通常氣隙的磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻

可見，L與δ之間是非線性關(guān)系

對(duì)圖（a），磁路總磁阻可寫為：（3.1.6）第5頁(yè),共27頁(yè)，2024年2月25日，星期天當(dāng)銜鐵處于初始位置時(shí)，初始電感量為當(dāng)銜鐵上移Δδ時(shí)，則，代入式（3.1.6）式并整理得（3.1.7）第6頁(yè),共27頁(yè)，2024年2月25日，星期天當(dāng)時(shí)，上式用泰勒級(jí)數(shù)展開成如下的級(jí)數(shù)形式

同理，當(dāng)銜鐵隨被測(cè)物體的初始位置向下移動(dòng)時(shí)，有（3.1.11）（3.1.13）（3.1.10）第7頁(yè),共27頁(yè)，2024年2月25日，星期天對(duì)式（3.1.11）（3.1.13）作線性化處理，即忽略高次項(xiàng)后均可得靈敏度為可見，變間隙式自感傳感器的測(cè)量范圍與靈敏度及線性度是相矛盾的，故該類傳感器適用于測(cè)量微小位移場(chǎng)合。為減小非線性誤差，實(shí)際中廣泛采用差動(dòng)變隙式電感傳感器。（3.1.15）第8頁(yè),共27頁(yè)，2024年2月25日，星期天差動(dòng)變隙式電感傳感器

1-鐵芯；2-線圈；3-銜鐵（與被測(cè)件相連當(dāng)銜鐵上下移動(dòng)時(shí)，使兩個(gè)磁回路中的磁阻發(fā)生大小相等、方向相反的變化，導(dǎo)致一個(gè)線圈電感量增加，另一線圈電感量減小，形成差動(dòng)形式。使用時(shí)，兩電感線圈接在交流電橋的相鄰兩橋臂，另兩橋臂接有電阻。兩個(gè)完全相同的電感線圈合用一個(gè)銜鐵和相應(yīng)磁路第9頁(yè),共27頁(yè)，2024年2月25日，星期天對(duì)上式進(jìn)行線性處理，即忽略高次項(xiàng)得

靈敏度k0為（1）差動(dòng)變隙式自感傳感器的靈敏度是單線圈式傳感器的兩倍。（2）單線圈是忽略及以上高次項(xiàng)，差動(dòng)式是忽略及以上高次項(xiàng)，故差動(dòng)式自感傳感器的線性度得到明顯改善。當(dāng)銜鐵上移時(shí)，設(shè)兩個(gè)線圈的電感變化量ΔL1、ΔL2

差動(dòng)傳感器電感總變化量（3.1.16）（3.1.18）第10頁(yè),共27頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.1.3變面積式自感傳感器對(duì)圖3.1.1(b)傳感器氣隙長(zhǎng)度lδ保持不變，令磁通截面積隨被測(cè)非電量而變化，設(shè)鐵芯材料和銜鐵材料的磁導(dǎo)率相同，則此變面積自感傳感器自感L為對(duì)上式微分，得靈敏度變面積式自感傳感器在忽略氣隙磁通邊緣效應(yīng)的條件下，輸入與輸出呈線性關(guān)系；因此可望得到較大的線性范圍。但與變氣隙式自感傳感器相比，其靈敏度降低。第11頁(yè),共27頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.1.4螺線管式自感傳感器該類傳感器有單線圈（圖3.1.1(c))和差動(dòng)式兩種；單線圈螺管式自感傳感器第12頁(yè),共27頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.1.4螺線管式自感傳感器1-螺線管線圈Ⅰ；2-螺線管線圈Ⅱ；3-骨架；4-活動(dòng)鐵芯

L10，L20——分別為線圈Ⅰ、Ⅱ的初始電感值；μr—活動(dòng)鐵芯的相對(duì)磁導(dǎo)率,rc---活動(dòng)鐵芯半徑差動(dòng)螺管式電感傳感器由兩個(gè)完全相同的螺管相連，鐵芯初始狀態(tài)處于對(duì)稱位置，使兩邊螺管的初始電感值相等，即（3.1.21）第13頁(yè),共27頁(yè)，2024年2月25日，星期天當(dāng)鐵芯移動(dòng)（如右移）Δx后，使右邊電感值增加，左邊電感值減小

根據(jù)以上兩式，可以求得每只線圈的靈敏度為兩只線圈的靈敏度大小相等，符號(hào)相反，具有差動(dòng)特征。

考慮到μr>>1，而lc與l，rc與r均有相同數(shù)量級(jí)，則式(3.1.21)和式(3.1.24)可簡(jiǎn)化為（3.1.22）（3.1.23）（3.1.24）可見，當(dāng)lc與l為常數(shù)時(shí)，增加W，μr，rc都可使L0和k1（k2）提高。第14頁(yè),共27頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.1.5自感式傳感器測(cè)量電路1.調(diào)幅電路2.調(diào)頻電路3.調(diào)相電路4.自感傳感器的靈敏度為測(cè)出電感量的變化，需由轉(zhuǎn)換電路將電感量的變化轉(zhuǎn)換成電壓（電流）的變化。第15頁(yè),共27頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.調(diào)幅電路

變壓器電橋電路輸出空載電壓初始平衡狀態(tài)，Z1=Z2=Z,u0=0當(dāng)銜鐵偏離中間零點(diǎn)時(shí)使用元件少，輸出阻抗小,獲得廣泛應(yīng)用傳感器兩線圈阻抗圖3.1.5變壓器電橋(3.1.28)第16頁(yè),共27頁(yè)，2024年2月25日，星期天同理，當(dāng)傳感器銜鐵移動(dòng)方向相反時(shí)空載輸出電壓兩種情況輸出的電壓大小相等，方向相反，即相位差1800。用示波器無(wú)法判別交流電壓的相位，因此為判別銜鐵位移方向，即要判別信號(hào)的相位，需在后續(xù)電路中配置相敏檢波器來(lái)解決。交流電壓，無(wú)方向性第17頁(yè),共27頁(yè)，2024年2月25日，星期天(2)相敏檢波電路當(dāng)差動(dòng)銜鐵居中時(shí)，Z1=Z2=Z，輸出電壓V=0。當(dāng)銜鐵偏離中間位置而使Z2=Z+ΔZ增加，則Z1=Z-ΔZ減少。這時(shí)當(dāng)電源u上端為正，下端為負(fù)時(shí)，電阻R2上的壓降大于R1上的壓降；當(dāng)u上端為負(fù)，下端為正時(shí)，R1上壓降則大于R2上的壓降。則有，此時(shí)電壓表V輸出下端為正，上端為負(fù)。同理可分析銜鐵偏離中間位置使Z1=Z+ΔZ增加，Z2=Z-ΔZ減少時(shí)差動(dòng)電感傳感器線圈阻抗兩平衡電阻相等相敏整流器交流電源第18頁(yè),共27頁(yè)，2024年2月25日，星期天非相敏整流和相敏整流電路輸出電壓比較(a)非相敏整流電路；（b）相敏整流電路比較上述兩種情況知，輸出電壓的幅值表示了銜鐵位移的大小，極性則反映了銜鐵移動(dòng)的方向。由上圖可見，使用相敏整流，輸出電壓U0不僅能反映銜鐵位移的大小和方向，而且還消除零點(diǎn)殘余電壓的影響。

第19頁(yè),共27頁(yè)，2024年2月25日，星期天(3)諧振式調(diào)幅電路該電路的靈敏度很高，但是線性差，適用于線性要求不高的場(chǎng)合。諧振點(diǎn)的電感值傳感器電感第20頁(yè),共27頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.調(diào)頻電路原理：傳感器自感L變化將引起輸出電壓頻率f的變化GCLfL變化時(shí)，振蕩頻率隨之變化，根據(jù)f大小即可測(cè)出被測(cè)量的值。當(dāng)L微小變化ΔL后，頻率變化Δf為：靈敏度很高，但線性差，適用于線性要求不高的場(chǎng)合。Lf0振蕩電路第21頁(yè),共27頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.調(diào)相電路傳感器電感變化將引起輸出電壓相位變化。設(shè)計(jì)時(shí)使電感線圈具有較高的品質(zhì)因數(shù)。忽略其損耗電阻，則電感線圈與固定電阻上的壓降UL和UR兩個(gè)相量垂直。相位電橋L變化時(shí)，輸出電壓U0幅值不變，相位角隨之變化。第22頁(yè),共27頁(yè)，2024年2月25日，星期天4.自感傳感器的靈敏度

傳感器結(jié)構(gòu)靈敏度轉(zhuǎn)換電路靈敏度總靈敏度指?jìng)鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)（測(cè)頭）和轉(zhuǎn)換電路綜合在一起的總靈敏度。以調(diào)幅電路為例來(lái)討論。空載輸出電壓第23頁(yè),共27頁(yè)，2024年2月25日，星期天第一項(xiàng)決定于傳感器的類型第二項(xiàng)決定于轉(zhuǎn)換電路的形式第三項(xiàng)決定于供電電壓的大小如對(duì)氣隙型傳感器、采用圖3.1.5的變壓器電橋，可得生產(chǎn)中測(cè)定傳感器的靈敏度是在把傳感器接入轉(zhuǎn)換電路后進(jìn)行的。規(guī)定傳感器靈敏度的單位為mV/(μm·V)，即當(dāng)電源電壓為1V，銜鐵偏移1μm時(shí)，輸出電壓為若干毫伏。第24頁(yè),共27頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.1.6自感式傳感器應(yīng)用舉例自感式位移傳感器自感式壓力傳感器第25頁(yè),共27頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.自感式位移傳感器1傳感器引線2鐵心套筒3磁芯4電感線