關(guān)于電感式傳感器解析

1、電 感 式 傳 感 器 利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)非電量如位移、壓力、流量、 振動(dòng)等轉(zhuǎn)換成線圈自感量L或互感量M的變化, 再由測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出, 這種裝置稱為電感式傳感器 電感式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 工作可靠, 測(cè)量精度高, 零點(diǎn)穩(wěn)定, 輸出功率較大等一系列優(yōu)點(diǎn), 其主要缺點(diǎn)是靈敏度、線性度和測(cè)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(dòng)態(tài)測(cè)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(dòng)控制系統(tǒng)中被廣泛采用。 電感式傳感器種類很多, 本章主要介紹自感式、 互感式和電渦流式三種傳感器。 4.1 變磁阻式傳感器 一、 工作原理 變磁阻式傳感器的結(jié)構(gòu)

2、如圖 4 - 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, 傳感器的運(yùn)動(dòng)部分與銜鐵相連。當(dāng)銜鐵移動(dòng)時(shí), 氣隙厚度發(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(cè)出這種電感量的變化, 就能確定銜鐵位移量的大小和方向。 根據(jù)電感定義, 線圈中電感量可由下式確定: L= (4 - 1） 式中: 線圈總磁鏈; I 通過線圈的電流; w線圈的匝數(shù); 穿過線圈的磁通。 由磁路歐姆定律, 得 式中: Rm磁路總磁阻。對(duì)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(chǎng)是均勻的。若忽略磁路磁

3、損, 則磁路總磁阻為 Rm= (4 - 3) 式中: 1鐵芯材料的導(dǎo)磁率; 2銜鐵材料的導(dǎo)磁率; L1磁通通過鐵芯的長(zhǎng)度; L2磁通通過銜鐵的長(zhǎng)度; S1鐵芯的截面積; S2銜鐵的截面積; 0空氣的導(dǎo)磁率; S0氣隙的截面積; 氣隙的厚度。 通常氣隙磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻, 即則式(4 - 3）可近似為 Rm =聯(lián)立式(4 - 1）#, 式(4 - 2）及式(4 - 5）, 可得 (4 - 6） 上式表明, 當(dāng)線圈匝數(shù)為常數(shù)時(shí), 電感L僅僅是磁路中磁阻Rm的函數(shù), 只要改變或S0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的傳感器和變氣隙面積0的傳感器。使用最廣泛的是變氣隙厚度

4、式電感傳感器。 二、 輸出特性 設(shè)電感傳感器初始?xì)庀稙?, 初始電感量為L(zhǎng)0, 銜鐵位移引起的氣隙變化量為, 從式(4 - 6）可知L與之間是非線性關(guān)系, 特性曲線如圖(4 -2）表示,初始電感量為 當(dāng)銜鐵上移時(shí), 傳感器氣隙減小, 即=0-, 則此時(shí)輸出電感為L(zhǎng) = L0+L, 代入式(4 - 6）式并整理, 得 當(dāng)/01時(shí), 可將上式用臺(tái)勞級(jí)數(shù)展開成級(jí)數(shù)形式為 L = L0+L = 由上式可求得電感增量L和相對(duì)增量L/ L0的表達(dá)式, 即 當(dāng)銜鐵上移時(shí), 傳感器氣隙減小, 即=0-, 則此時(shí)輸出電感為L(zhǎng) = L0+L, 代入式(4 - 6）式并整理, 得 對(duì)式(4 - 11）、 (4 -

5、13） 作線性處理，忽略高次項(xiàng), 可得靈敏度為 (4 - 15） 由此可見, 變間隙式電感傳感器的測(cè)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(cè)量微小位移時(shí)是比較精確的。為了減小非線性誤差, 實(shí)際測(cè)量中廣泛采用差動(dòng)變隙式電感傳感器。 圖 4 - 3 所示為差動(dòng)變隙式電感傳感器的原理結(jié)構(gòu)圖。 由圖可知, 差動(dòng)變隙式電感傳感器由兩個(gè)相同的電感線圈、和磁路組成, 測(cè)量時(shí), 銜鐵通過導(dǎo)桿與被測(cè)位移量相連, 當(dāng)被測(cè)體上下移動(dòng)時(shí), 導(dǎo)桿帶動(dòng)銜鐵也以相同的位移上下移動(dòng), 使兩個(gè)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(gè)線圈的電感量增加, 另一個(gè)線圈的電感量減小, 形成差動(dòng)形式。

6、當(dāng)銜鐵往上移動(dòng)時(shí), 兩個(gè)線圈的電感變化量L1、L2分別由式（4 - 10）及式（4 - 12）表示, 當(dāng)差動(dòng)使用時(shí), 兩個(gè)電感線圈接成交流電橋的相鄰橋臂, 另兩個(gè)橋臂由電阻組成, 電橋輸出電壓與L有關(guān), 其具體表達(dá)式為 L = L1+L2對(duì)上式進(jìn)行線性處理，忽略高次項(xiàng)得靈敏度K0為 比較單線圈和差動(dòng)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(dòng)式比單線圈式的靈敏度高一倍。 差動(dòng)式的非線性項(xiàng)等于單線圈非線性項(xiàng)乘以（/0）因子, 因?yàn)椋?0）1, 所以, 差動(dòng)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(dòng)的兩個(gè)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

7、一致。 三、 測(cè)量電路 電感式傳感器的測(cè)量電路有交流電橋式、 交流變壓器式以及諧振式等幾種形式。 1. 交流電橋式測(cè)量電路 圖 4 - 4所示為交流電橋測(cè)量電路, 把傳感器的兩個(gè)線圈作為電橋的兩個(gè)橋臂Z1和Z2, 另外二個(gè)相鄰的橋臂用純電阻代替, 對(duì)于高Q值（Q = L/R）的差動(dòng)式電感傳感器, 其輸出電壓式中: L0銜鐵在中間位置時(shí)單個(gè)線圈的電感; L單線圈電感的變化量。將L=L0（/0）代入式(4 - 19）得 （/0）, 電橋輸出電壓與有關(guān)。 2. 變壓器式交流電橋 變壓器式交流電橋測(cè)量電路如圖 4 - 5所示, 電橋兩臂Z1、 Z2為傳感器線圈阻抗, 另外兩橋臂為交流變壓器次級(jí)線圈的

8、1/2 阻抗。當(dāng)負(fù)截阻抗為無窮大時(shí), 橋路輸出電壓 當(dāng)傳感器的銜鐵處于中間位置, 即Z1= Z2=Z時(shí)有=0, 電橋平衡。 當(dāng)傳感器銜鐵上移時(shí), 即Z1=Z+Z, Z2=Z-Z, 此時(shí) 當(dāng)傳感器銜鐵下移時(shí), 則Z1=Z-Z, Z2=Z+Z, 此時(shí) 從式(4 - 21）及式(4 - 22）可知, 銜鐵上下移動(dòng)相同距離時(shí), 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. 諧振式測(cè)量電路 諧振式測(cè)量電路有諧振式調(diào)幅電路如圖 4 - 6 所示, 諧振式調(diào)頻電路如圖 4 - 7 所示。 在調(diào)幅電路中, 傳感器電感L與電容C#, 變壓

9、器原邊串聯(lián)在一起, 接入交流電源, 變壓器副邊將有電壓 輸出, 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, 圖 4 - 6（b）所示為輸出電壓 與電感L的關(guān)系曲線, 其中L0為諧振點(diǎn)的電感值,此電路靈敏度很高, 但線性差, 適用于線性要求不高的場(chǎng)合。 調(diào)頻電路的基本原理是傳感器電感L變化將引起輸出電壓頻率的變化。一般是把傳感器電感L和電容C接入一個(gè)振蕩回路中, 其振蕩頻率f=1/2（LC）1/2。 當(dāng)L變化時(shí), 振蕩頻率隨之變化, 根據(jù)f的大小即可測(cè)出被測(cè)量的值。圖 4 - （b）表示f與L的特性, 它具有明顯的非線性關(guān)系。 四、 變磁阻式傳感器的應(yīng)用 圖 4 - 8 所示是變隙

10、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。 當(dāng)壓力進(jìn)入膜盒時(shí), 膜盒的頂端在壓力P的作用下產(chǎn)生與壓力P大小成正比的位移。于是銜鐵也發(fā)生移動(dòng), 從而使氣隙發(fā)生變化, 流過線圈的電流也發(fā)生相應(yīng)的變化, 電流表指示值就反映了被測(cè)壓力的大小。 圖 4 - 9 所示為變隙式差動(dòng)電感壓力傳感器。它主要由C形彈簧管、銜鐵、鐵芯和線圈等組成。 當(dāng)被測(cè)壓力進(jìn)入C形彈簧管時(shí), C形彈簧管產(chǎn)生變形, 其自由端發(fā)生位移, 帶動(dòng)與自由端連接成一體的銜鐵運(yùn)動(dòng), 使線圈 1 和線圈 2 中的電感發(fā)生大小相等、 符號(hào)相反的變化, 即一個(gè)電感量增大, 另一個(gè)電感量減小。 電感

11、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(cè)壓力之間成比例關(guān)系, 所以只要用檢測(cè)儀表測(cè)量出輸出電壓, 即可得知被測(cè)壓力的大小。 4.2 差動(dòng)變壓器式傳感器 把被測(cè)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)變壓器的基本原理制成的, 并且次級(jí)繞組都用差動(dòng)形式連接, 故稱差動(dòng)變壓器式傳感器。差動(dòng)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(cè)量中, 應(yīng)用最多的是螺線管式差動(dòng)變壓器, 它可以測(cè)量1100mm范圍內(nèi)的機(jī)械位移, 并具有測(cè)量精度高, 靈敏度高, 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。 差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)形式較多, 有變隙

12、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(cè)量中, 應(yīng)用最多的是螺線管式差動(dòng)變壓器, 它可以測(cè)量1100mm范圍內(nèi)的機(jī)械位移, 并具有測(cè)量精度高, 靈敏度高, 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。 一、 工作原理 螺線管式差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)如圖 4 -10 所示, 它由初級(jí)線圈#, 兩個(gè)次級(jí)線圈和插入線圈中央的圓柱形鐵芯等組成。 螺線管式差動(dòng)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 4 - 11 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。 差動(dòng)變壓器式傳感器中兩個(gè)次級(jí)線圈反向串聯(lián), 并且在忽略鐵損、 導(dǎo)磁體磁阻

13、和線圈分布電容的理想條件下, 其等效電路如圖 4 - 12所示。當(dāng)初級(jí)繞組w1加以激勵(lì)電壓 時(shí), 根據(jù)變壓器的工作原理, 在兩個(gè)次級(jí)繞組w2a和w2b中便會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì) 和 。 如果工藝上保證變壓器結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱,則當(dāng)活動(dòng)銜鐵處于初始平衡位置時(shí),必然會(huì)使兩互感系數(shù)M1=M2。根據(jù)電磁感應(yīng)原理, 將有 。 由于變壓器兩次級(jí)繞組反向串聯(lián), 因而 , 即差動(dòng)變壓器輸出電壓為零。 活動(dòng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí),由于磁阻的影響, w2a中磁通將大于w2b, 使M1M2, 因而增加, 而減小。 反之, 增加, 減小。因?yàn)?, 所以當(dāng)、 隨著銜鐵位移x變化時(shí), 也必將隨x變化。 圖 4 - 13 給出了變壓器輸出電壓

14、與活動(dòng)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(shí), 差動(dòng)變壓器輸出電壓并不等于零, 我們把差動(dòng)變壓器在零位移時(shí)的輸出電壓稱為零點(diǎn)殘余電壓，記作 , 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。 零點(diǎn)殘余電壓主要是由傳感器的兩次級(jí)繞組的電氣參數(shù)與幾何尺寸不對(duì)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?；óa(chǎn)生的主要原因是：傳感器的兩次級(jí)繞組的電氣參數(shù)和幾何尺寸不對(duì)稱，導(dǎo)致它們產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)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(shì)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

15、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(shí)，應(yīng)設(shè)法減小 , 否則將會(huì)影響傳感器的測(cè)量結(jié)果。 二、 基本特性 差動(dòng)變壓器等效電路如圖 4 - 12 所示。當(dāng)次級(jí)開路時(shí)有 (4 - 23)式中: 激勵(lì)電壓 的角頻率; 初級(jí)線圈激勵(lì)電壓; 初級(jí)線圈激勵(lì)電流; r1、 L1初級(jí)線圈直流電阻和電感。根據(jù)電磁感應(yīng)定律, 次級(jí)繞組中感應(yīng)電勢(shì)的表達(dá)式分別為: 由于次級(jí)兩繞組反向串聯(lián), 且考慮到次級(jí)開路, 則由以上關(guān)系可得: (4 - 26)輸出電壓的有效值為 (4 - 27)下面分三種情況進(jìn)行分析。(1) 活動(dòng)銜鐵處于中間位置時(shí) M1=M2=M 故 =

16、0 (2) 活動(dòng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí) M1=M+M M2=M-M故 =2M /r21+（L1）21/2, 與同極性。 (3) 活動(dòng)銜鐵向下移動(dòng)時(shí) M1=M-M M2=M+M故 , 與 同極性。 三、 差動(dòng)變壓器式傳感器測(cè)量電路 差動(dòng)變壓器輸出的是交流電壓, 若用交流電壓表測(cè)量, 只能反映銜鐵位移的大小, 而不能反映移動(dòng)方向。另外, 其測(cè)量值中將包含零點(diǎn)殘余電壓。為了達(dá)到能辨別移動(dòng)方向及消除零點(diǎn)殘余電壓的目的, 實(shí)際測(cè)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 這種電路是把差動(dòng)變壓器的兩個(gè)次級(jí)輸出電壓分別整流, 然后將整流的電壓或電流的差值作為輸出, 圖 4 - 14 給出了幾種

17、典型電路形式。 圖中（a）、（c）適用于交流負(fù)載阻抗, （b）、（d）適用于低負(fù)載阻抗, 電阻R0用于調(diào)整零點(diǎn)殘余電壓。 下面結(jié)合圖 4 - 14（c）, 分析差動(dòng)整流工作原理。 從圖 4 - 14（c）電路結(jié)構(gòu)可知, 不論兩個(gè)次級(jí)線圈的輸出瞬時(shí)電壓極性如何, 流經(jīng)電容C1的電流方向總是從 2 到 4, 流經(jīng)電容C2的電流方向從6到8, 故整流電路的輸出電壓為 U2=U24-U68 (4 - 28) 當(dāng)銜鐵在零位時(shí), 因?yàn)閁24=U68 , 所以U2=0; 當(dāng)銜鐵在零位以上時(shí), 因?yàn)閁24U68, 則U20; 而當(dāng)銜鐵在零位以下時(shí), 則有U24U68, 則U2 0時(shí), u2與u0同頻同相, 當(dāng)

18、位移x 0時(shí), u2與u0為同頻同相, 當(dāng)u2與u0均為正半周時(shí), 見圖 4 - 15（a）, 環(huán)形電橋中二極管VD1、D4截止, VD2、VD3導(dǎo)通, 則可得圖 4 - 15（b）的等效電路。 根據(jù)變壓器的工作原理, 考慮到O、M分別為變壓器T1、 T2的中心抽頭, 則有 u01= u02= (4 - 29) u21= u22= (4 - 30) 式中 n1#, n2為變壓器T1、T2的變比。采用電路分析的基本方法, 可求得圖 4 - 15（b）所示電路的輸出電壓uL的表達(dá)式: 同理當(dāng)u2與u0均為負(fù)半周時(shí), 二極管VD2、VD3截止, VD1、 VD4導(dǎo)通。 其等效電路如圖 4 - 15（c）所示, 輸出電壓uL 表達(dá)式與式(4 -31）相同, 說明只要位移x0, 不論u2與u0是正半周還是負(fù)半周，負(fù)載RL兩端得到的電壓uL始終為正。 當(dāng)x0時(shí),u2與u0為同頻反相。采用上述相同的分析方法不難得到當(dāng)x0時(shí), 不論u2與u0是正半周還是負(fù)半周, 負(fù)載電阻RL兩端得到的輸出電