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第三節(jié)電感式傳感器1、電感式傳感器

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,這種裝置稱為電感式傳感器。2、主要優(yōu)缺點主要優(yōu)點是具有結(jié)構(gòu)簡單,工作可靠,測量精度高,零點穩(wěn)定,輸出功率較大等一系列優(yōu)點;

其主要缺點是靈敏度、線性度和測量范圍相互制約,傳感器自身頻率響應(yīng)低,不適用于快速動態(tài)測量。3、適用條件

這種傳感器能實現(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。

4、分類電感式傳感器種類很多,本節(jié)主要介紹自感式(單磁路電感式)和互感式(差動變壓器式)兩種傳感器。一、單磁路電感傳感器

1、工作原理

它由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。在鐵芯和銜鐵之間有氣隙,氣隙厚度為δ,傳感器的運動部分與銜鐵相連。當(dāng)銜鐵移動時,氣隙厚度δ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。圖3-1單磁路電感傳感器1—線圈;2—鐵芯(定鐵芯);3—銜鐵(動鐵芯)F220V實驗:氣隙變小,電感變大,電流變小F2、理論分析根據(jù)電感定義,線圈中電感量可由下式確定:式中W——線圈的匝數(shù);

Rm——磁路的總磁阻(1/亨);

Rm0、Rm1、Rm2——分別是空氣隙、鐵芯和銜鐵的磁阻。(3-1)由于鐵芯和銜鐵的導(dǎo)磁系數(shù)遠(yuǎn)大于空氣隙的導(dǎo)磁系數(shù),所以,鐵芯和銜鐵的磁阻Rm1和Rm2可略去不計,故有(3-2)其中式中——空氣隙有效導(dǎo)磁截面積,

——空氣的導(dǎo)磁系數(shù)

——空氣隙的磁路長度,式(3-2)表明,電感量與線圈匝數(shù)的平方成正比,與空氣隙有效導(dǎo)磁截面積成正比,與空氣隙的磁路長度成反比,因此,改變空氣隙長度和空氣隙截面積都能使電感量變化,從而可形成三種類型的單磁路電感傳感器:(1)改變氣隙厚度式(2)改變通磁氣隙面積式(3)螺旋管式(可動鐵芯式):其實質(zhì)是改變鐵芯上的有效線圈數(shù)。二、差動變壓器式電感傳感器

將被測量的非電量轉(zhuǎn)換為互感變化量的傳感器稱為互感式傳感器。這種互感傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的,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,簡稱差動變壓器。

在這種傳感器中,一般將被測量的變化轉(zhuǎn)換為變壓器的互感變化,變壓器初級線圈輸入交流電壓,次級線圈則互感應(yīng)出電動勢。

圖3-2差動變壓器原理圖

1—初級線圈;21,22—次級兩差動線圈;

3—線圈絕緣框架;4—活動銜鐵1、工作原理當(dāng)一次線圈加以適當(dāng)頻率的電壓激勵時,根據(jù)變壓器的作用原理,在兩個二次線圈中就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,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,必然會使兩次級線圈的互感系數(shù)M1=M2。根據(jù)電磁感應(yīng)原理,將有E21

=E22,則U2

=E21

?E22

=0,即差動變壓器輸出電壓為0。當(dāng)鐵芯向右移動時,在右邊二次線圈內(nèi)穿過的磁通比左邊二次線圈多些,所以互感也大些,感應(yīng)電動勢E21增加;另一個線圈的感應(yīng)電動勢E22隨鐵芯向右偏離中心位置而逐漸減小;反之,鐵芯向左移動時,E21減小,E22增加。兩個二次線圈的輸出電壓分別為U21和U22(空載時即為感應(yīng)電動勢E21,E22),如果將二次線圈反向串聯(lián),則傳感器的輸出電壓U2

=U21

?U22。當(dāng)鐵芯移動時,U2就隨著鐵芯位移x成線性增加,如果以適當(dāng)方法測量U2,就可以得到與x成正比的線性讀數(shù)。2、差動變壓器式傳感器優(yōu)點(1)線性范圍大(2)測量精度高(3)穩(wěn)定性好(4)使用方便3、適用條件廣泛應(yīng)用于直線位移測量中,也可通過彈性元件把壓力、重量等參數(shù)轉(zhuǎn)換成位移的變化再進行測量。4、差動變壓器式傳感器的應(yīng)用差動變壓器式傳感器可以直接用于位移測量,也可以測量與位移有關(guān)的任何機械量,如振動、加速度、應(yīng)變、比重、張力和厚度等。圖3-3所示為差動變壓器式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。它由懸臂梁1

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