第四章 電感式傳感器

第四章電感式傳感器1概述電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)非電量如位移、壓力、流量、重量、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的裝置。優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠壽命長，測(cè)量精度高，零點(diǎn)穩(wěn)定，輸出功率較大等。缺點(diǎn):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。2電感式傳感器電磁感應(yīng)

被測(cè)非電量自感系數(shù)L互感系數(shù)M測(cè)量電路U、I、f自感式傳感器互感式傳感器電渦流式傳感器3F220V實(shí)驗(yàn)：4.1自感式傳感器4氣隙變小，電感變大，電流變小F5第一節(jié)變磁阻式傳感器一、結(jié)構(gòu)與工作原理

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δ，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，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。6根據(jù)電感定義，線圈中電感量：

其中：I——通過線圈的電流；

N——線圈的匝數(shù)；

Φ——每匝線圈產(chǎn)生的磁通。由磁路歐姆定律，得磁通表達(dá)式：

兩式聯(lián)立得：——磁路總磁阻。δ線圈鐵芯銜鐵Δδ磁動(dòng)勢(shì)7

——鐵芯材料的導(dǎo)磁率(H/m)；

——銜鐵材料的導(dǎo)磁率(H/m)；

——鐵芯的磁路總長度(m)；

——銜鐵的磁路總長度(m)；

——鐵芯的截面積()；

——銜鐵的截面積()；

——空氣的導(dǎo)磁率(4π×H/m)；

——?dú)庀兜慕孛娣e()；

δ——?dú)庀兜暮穸?m)。若忽略磁路磁損，則磁路總磁阻為:鐵芯和銜鐵磁阻:空氣氣隙磁阻:8通常氣隙磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻，即：則可近似認(rèn)為：聯(lián)立前幾式，可得9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

的函數(shù)，只要改變?chǔ)幕駻均可導(dǎo)致電感變化。因此變磁阻式傳感器又可分為變氣隙厚度δ的傳感器和變氣隙面積A的傳感器。使用最廣泛的是變氣隙厚度δ式電感傳感器。10二、等效電路

實(shí)際傳感器中，線圈不可能是純電感，它包括線圈的銅損電阻RC；鐵芯的渦流損耗電阻Re

；由于線圈和測(cè)量設(shè)備電纜的接入，存在線圈固有電容和電纜的分布電容，用集中參數(shù)C表示。

等效電路ZCLRcRe11三、變氣隙式電感傳感器輸出特性設(shè)電感傳感器初始?xì)庀稙?/p>

，初始電感量為，銜鐵位移引起的氣隙變化量為Δδ，可知L與δ之間是非線性關(guān)系，特性曲線如圖所示，初始電感量為：圖

變隙式電感傳感器的L-δ特性

12當(dāng)銜鐵下移Δδ時(shí)，傳感器氣隙增大Δδ，即

，則電感量減少，電感減少量為電感量的相對(duì)變化為13忽略高次項(xiàng)：

14當(dāng)銜鐵上移Δδ時(shí)，傳感器氣隙減小Δδ，即

，則電感量增大，電感增加量為：電感量的相對(duì)變化為15忽略高次項(xiàng)：

靈敏度S：電感變化與引起該變化的機(jī)械位移變化之比16變間隙式電感傳感器的測(cè)量范圍與線性度相矛盾。變間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。17這種結(jié)構(gòu)除了可以改善線性、提高靈敏度外，對(duì)溫度變化、電源頻率變化等的影響也可以進(jìn)行補(bǔ)償，從而減少了外界影響造成的誤差。四、差動(dòng)式自感傳感器

在實(shí)際使用中，常采用兩個(gè)相同的傳感線圈共用一個(gè)銜鐵，構(gòu)成差動(dòng)式自感傳感器，兩個(gè)線圈的電氣參數(shù)和幾何尺寸要求完全相同。18當(dāng)銜鐵3移動(dòng)時(shí)，一個(gè)線圈的電感量增加，另一個(gè)線圈的電感量減少，形成差動(dòng)形式。差動(dòng)式自感傳感器1-線圈2-鐵芯3-銜鐵4-導(dǎo)桿（a）變氣隙型432131412344（b）變面積型（c）螺管型19變氣隙型差動(dòng)式自感傳感器銜鐵下移：

δ銜鐵R1R2L2L120忽略高次項(xiàng)：

提高一倍上式中不存在偶次項(xiàng)，顯然差動(dòng)式自感傳感器的非線性誤差要比單個(gè)自感傳感器的小得多。21差動(dòng)式與單線圈電感式傳感器相比，具有下列優(yōu)點(diǎn)：①線性好；②靈敏度提高一倍，即銜鐵位移相同時(shí)，輸出信號(hào)大一倍；③溫度變化、電源波動(dòng)、外界干擾等對(duì)傳感器精度的影響，由于能互相抵消而減小。22測(cè)量電路（1）交流電橋式測(cè)量電路R1R2Z2Z1差動(dòng)的兩個(gè)傳感器線圈接成電橋的兩個(gè)工作臂（Z1、Z2為兩個(gè)差動(dòng)傳感器線圈的復(fù)阻抗），另兩個(gè)橋臂用平衡電阻R1、R2代替。設(shè)初始時(shí)

Z1=Z2=Z=R0+jωL0；

R1=R2=R；

。銜鐵偏離中心位置后，假設(shè)Z1=Z+ΔZ;Z2=Z-ΔZ

;還假設(shè)傳感器線圈具有高Q值23

—銜鐵在中間位置時(shí)，單個(gè)線圈的電感;R0為其損耗—單線圈電感的變化量。由于可見，電橋輸出電壓與Δδ有關(guān)，相位與銜鐵移動(dòng)方向有關(guān)。24(2)變壓器式交流電橋

變壓器式交流電橋測(cè)量電路如圖所示，電橋兩臂

、

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1/2阻抗。當(dāng)負(fù)載阻抗為無窮大時(shí)，橋路輸出電壓當(dāng)傳感器的銜鐵處于中間位置，即

時(shí)有，電橋平衡。25當(dāng)傳感器銜鐵下移時(shí)，下面線圈的阻抗增加，而上面線圈的阻抗減小，即

，

此時(shí)：若線圈的Q值很高，損耗電阻可忽略，則

當(dāng)銜鐵向上、向下移動(dòng)相同的距離時(shí)，產(chǎn)生的輸出電壓大小相等，但極性相反。由于是交流信號(hào)，要判斷銜鐵位移的大小及方向同樣需要經(jīng)過相敏檢波電路的處理。26第二節(jié)互感式傳感器互感式傳感器是把被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感量變化的傳感器。它根據(jù)變壓器的基本原理制成，并且次級(jí)繞組都用差動(dòng)形式連接，稱為差動(dòng)變壓器式傳感器。27一、結(jié)構(gòu)與工作原理

螺線管式差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)如圖所示。它由一個(gè)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。１-活動(dòng)銜鐵；２-導(dǎo)磁外殼；３-骨架；４-匝數(shù)為

的初級(jí)繞組；５-匝數(shù)為

的次級(jí)繞組；６-匝數(shù)為

的次級(jí)繞組圖

螺線管式差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)圖28當(dāng)初級(jí)繞組加以激勵(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)

。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，將有。

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。29活動(dòng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí)，由于磁阻的影響，

中磁通將大于

，使

，因而增加，而減小。反之，增加，減小。因?yàn)?，所以也必將隨x變化。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，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。30二、等效電路

如果考慮差動(dòng)變壓器的渦流損耗、鐵損和寄生電容等，其等效電路是很復(fù)雜的，忽略上述因素，差動(dòng)變壓器的等效電路如圖所示。LPRS2LS1M1M2LS2RS1RP～～～31當(dāng)次級(jí)開路時(shí)，初級(jí)繞組的交流電流為：次級(jí)繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：由于次級(jí)繞組反向串接，故差動(dòng)變壓器輸出電壓為LPRS2LS1M1M2LS2RS1RP～～～32其有效值為①鐵芯處于中間位置時(shí)，M1=M2=M，U0=0②鐵芯上升時(shí)，M1=M+ΔM，M2=M-ΔM③鐵芯下降時(shí)，M1=M-ΔM，M2=M+ΔM與同極性與同極性33差動(dòng)變壓器輸出的是交流電壓，若用交流模擬數(shù)字電壓表測(cè)量，只能反映銜鐵位移的大小，不能反映移動(dòng)方向。另外，其測(cè)量值必定含有零點(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(cè)量時(shí)，常常采用兩種測(cè)量電路：差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路。三、測(cè)量電路

34全波差動(dòng)整流電路無論次級(jí)線圈的輸出瞬時(shí)電壓極性如何，整流電路的輸出電壓始終等于R1、R2兩個(gè)電阻上的電壓差。R2圖4-15全波差動(dòng)整流電路電壓波形R1abhgcfde++1、差動(dòng)整流電路

35鐵芯在零位以上鐵芯在零位ttUdc圖4-15全波差動(dòng)整流電路電壓波形tttUghU0tUdctUghtU0鐵芯在零位以下全波差動(dòng)整流電路電壓波形結(jié)論：鐵芯在零位以上或零位以下時(shí)，輸出電壓的極性相反，零點(diǎn)殘存電壓有效抑制，能判別鐵芯移動(dòng)的方向。Udc.Ugh.tU0.......第二節(jié)電渦流式傳感器渦流式傳感器是利用金屬導(dǎo)體在交流磁場(chǎng)中的電渦流效應(yīng)。渦流的大小與金屬板的電阻率ρ、導(dǎo)磁率μ、厚度h、金屬板與線圈的距離δ、激勵(lì)電流角頻率ω等參數(shù)有關(guān)。若固定某些參數(shù)，就可根據(jù)渦流的變化測(cè)量另一個(gè)參數(shù)。37一、基本原理

下圖為電渦流式傳感器的原理圖，該圖由傳感器線圈和被測(cè)導(dǎo)體組成線圈—導(dǎo)體系統(tǒng)。38根據(jù)法拉第定律，當(dāng)傳感器線圈通以正弦交變電流時(shí)，線圈周圍空間必然產(chǎn)生正弦交變磁場(chǎng)，使置于此磁場(chǎng)中的金屬導(dǎo)體中感應(yīng)電渦流，又產(chǎn)生新的交變磁場(chǎng)。新的交變磁場(chǎng)根據(jù)愣次定律的作用將反抗原磁場(chǎng)，導(dǎo)致傳感器線圈的等效阻抗發(fā)生變化，此電渦流的閉合流線的圓心同線圈在金屬板上的投影的圓心重合。39二、等效電路把被測(cè)導(dǎo)體上形成的電渦流等效成一個(gè)短路環(huán)中的電流，短路環(huán)可以認(rèn)為是一匝短路線圈，其電阻為R1、電感為L1。這樣線圈與被測(cè)導(dǎo)體便可等效為兩個(gè)相互耦合的線圈。線圈與導(dǎo)體間存在一個(gè)互感M，它隨線圈與導(dǎo)體間距x的減小而增大。MRL1LR140根據(jù)克?；舴蚨桑闪谐鱿旅娴姆匠蹋?1MRL1LR141傳感器線圈的等效阻抗為：線圈的等效電阻、電感及品質(zhì)因素為：當(dāng)被測(cè)導(dǎo)體的某些參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，可引起渦流式傳感器線圈的阻抗Z、電感L和品質(zhì)因數(shù)Q變化，測(cè)量Z、L或Q就可求出被測(cè)量參數(shù)的變化。421.調(diào)頻式電路將傳感器線圈接入LC振蕩回路，當(dāng)傳感器被測(cè)導(dǎo)體距離x改變時(shí)，在渦流影響下，傳感器的電感變化，將導(dǎo)致頻率的變化，該頻率可由數(shù)字頻率計(jì)直接測(cè)量，或者通過F-v變換，用數(shù)字電壓表測(cè)量對(duì)應(yīng)的電壓。432.調(diào)幅式電路晶體振蕩器LC輸出放大檢波濾波R渦流傳感器線圈與電容并聯(lián)組成LC并聯(lián)諧振回路，由恒流源石英晶體振蕩器供電。沒有被測(cè)物體時(shí)，并聯(lián)諧振回路的諧振頻率等于激勵(lì)振蕩器的頻率f0，此時(shí)LC并聯(lián)回路呈現(xiàn)阻抗最大。諧