Xie第三章(6)電感式傳感器

第三章傳感器基本原理（5）

?電感式傳感器內(nèi)容提要：電感式傳感器概述自感式傳感器差動(dòng)變壓器式傳感器電渦流式傳感器電感式傳感器的應(yīng)用1.電感式傳感器概述利用電磁感應(yīng)原理，將被測(cè)的物理量（如位移、壓力、流量、振動(dòng)等）轉(zhuǎn)換成線圈的自感系數(shù)L或互感系數(shù)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，實(shí)現(xiàn)由非電量到電量轉(zhuǎn)換的裝置。種類：自感式傳感器：將非電量轉(zhuǎn)換成自感系數(shù)變化差動(dòng)變壓器式傳感器：將非電量轉(zhuǎn)換成互感系數(shù)變化電渦流式傳感器：利用電渦流效應(yīng)將非電量轉(zhuǎn)換成線圈的電感或阻抗變化2.自感式傳感器由銜鐵、鐵芯和匝數(shù)為W的線圈構(gòu)成。主要用來測(cè)量位移或可以轉(zhuǎn)換成位移的被測(cè)量。磁阻RM包括鐵芯、銜鐵的磁阻和空氣隙的磁阻，即鐵磁材料各段的磁阻之和空氣隙的磁阻R為：則電感L為：因?yàn)殍F磁材料其磁阻與空氣隙磁阻相比較小，計(jì)算時(shí)可忽略不計(jì),

傳感器測(cè)量物理量時(shí)銜鐵的運(yùn)動(dòng)部分產(chǎn)生位移，導(dǎo)致線圈的電感值發(fā)生變化，線圈的電感L為：

當(dāng)線圈及鐵芯一定時(shí)，W為常數(shù)，如果改變或S時(shí)，L值會(huì)引起相應(yīng)變化。電感傳感器利用這一原理做成。電感傳感器是一個(gè)帶鐵芯的可變電感，由于線圈的銅耗、鐵芯的渦流損耗、磁滯損耗以及分布電容的影響，它并非呈現(xiàn)純電感。自感式傳感器的等效電路等效電路中L為電感，Rc為銅損電阻，Re電渦流損耗電阻，磁滯損耗電阻Rh，C為傳感器等效電路的等效電容。當(dāng)電感傳感器確定后，這些參數(shù)即為已知量。忽略分布電容且不考慮各種損耗時(shí)，電感傳感器阻抗Z為：當(dāng)考慮并聯(lián)分布電容時(shí)，阻抗Zs為：

考慮分布電容時(shí)，電感傳感器的有效串聯(lián)電阻和有效電感都增加了，而線圈的有效品質(zhì)因數(shù)卻減小，此時(shí)，電感傳感器有效靈敏度為：考慮分布電容后，電感傳感器的靈敏度增加了。因此，必須根據(jù)測(cè)試時(shí)所用電纜長度對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，或者相應(yīng)調(diào)整并聯(lián)電容。品質(zhì)因數(shù)Q為：當(dāng)電感傳感器Q值高時(shí)，即1/Q2<<1K=常見的自感式傳感器變間隙式變面積式螺管式自感式傳感器的結(jié)構(gòu)類型及特性變間隙式電感傳感器線圈電感與氣隙長度的關(guān)系為非線性關(guān)系，非線性度隨氣隙變化量的增大而增大，只有當(dāng)很小時(shí)，忽略高次項(xiàng)的存在，可得近似的線性關(guān)系。所以，單邊變間隙式電感傳感器存在線性度要求與測(cè)量范圍要求的矛盾。線圈電感的相對(duì)變化量為：若/0<<1，可得同理可得當(dāng)銜鐵向下移動(dòng)時(shí)的L/L0為：

銜鐵移動(dòng)時(shí)，空氣隙將從原始的0發(fā)生的變化。電感增量為：

若使得銜鐵向上移動(dòng)取為-，電感為：泰勒級(jí)數(shù)展開變面積式電感傳感器起始狀態(tài)時(shí)，鐵芯當(dāng)銜鐵隨被測(cè)量上、下移動(dòng)時(shí)，S=(a-x)h與銜鐵在氣隙出正對(duì)著，截面積為S0=ah。線圈電感L為：線圈電感L與面積S（或x）呈線性關(guān)系，靈敏度k為一常數(shù)，即正確選擇線圈匝數(shù)、鐵芯尺寸可提高靈敏度。一般選用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)更好。螺線管式電感傳感器由螺線管形線圈、磁性材料制成的柱形鐵芯和外套組成。L和x呈線性關(guān)系，靈敏度K為：

當(dāng)l/r>>1時(shí)，可認(rèn)為管內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度為均勻分布。

當(dāng)x<<1時(shí)，可推得線圈的電感量L為:

設(shè)線圈長度和平均半徑分別為l和r，鐵芯進(jìn)入線圈的長度和鐵芯半徑分別為x和ra，鐵芯有效磁導(dǎo)率為0。3.差動(dòng)變壓器式傳感器差動(dòng)變壓器上下兩只鐵芯上均有一個(gè)初級(jí)線圈W1(也稱勵(lì)磁線圈)和一個(gè)次級(jí)線圈W2(也叫輸出線圈)。上下兩個(gè)初級(jí)線圈串聯(lián)后接交流勵(lì)磁電源Usr，兩個(gè)次級(jí)線圈則按電勢(shì)反相串聯(lián)。工作原理：當(dāng)銜鐵處于中間位置時(shí)，1＝

2，初級(jí)線圈中產(chǎn)生交變磁通1和2，在次級(jí)線圈中便產(chǎn)生交流感應(yīng)電勢(shì)。由于兩邊氣隙相等，磁阻相等，所以1＝

2，次級(jí)線圈中感應(yīng)出的電勢(shì)e21=e22，由于次級(jí)是按電勢(shì)反相連接的，結(jié)果輸出電壓Usc=0。當(dāng)銜鐵偏離中間位置時(shí)，兩邊氣隙不等(即12)，次級(jí)線圈中感應(yīng)的電勢(shì)不再相等(即e21e22)，便有電壓Usc輸出。Usc的大小及相位取決于銜鐵的位移大小和方向。分析差動(dòng)變壓器式傳感器的輸出特性初級(jí)線圈的電流為：當(dāng)有氣隙變化時(shí)，兩個(gè)初級(jí)線圈的電感值分別為：次級(jí)線圈的輸出電壓Usc為兩個(gè)線圈感應(yīng)電勢(shì)之差：感應(yīng)電勢(shì)分別為：初始時(shí)，初級(jí)線圈的阻抗分別為：M1及M2為初級(jí)與次級(jí)之間的互感系數(shù)，其值分別為：

設(shè)初級(jí)、次級(jí)線圈的匝數(shù)分別為W1、W2，當(dāng)有氣隙時(shí)，傳感器的磁回路中的總磁阻近似值為R。

初始狀態(tài)時(shí)，初級(jí)線圈電感為：上下兩個(gè)磁系統(tǒng)中的磁通，代入式中得：忽略2，整理式子得，當(dāng)>>R時(shí)，傳感器的靈敏度為：差動(dòng)變壓器式傳感器的特性幾乎完全是線性的，靈敏度不僅取決于磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，同時(shí)取決于初、次級(jí)線圈的匝數(shù)比及激磁電源電壓的大小，可通過改變?cè)褦?shù)比及提高電源電壓的辦法來提高靈敏度。4.電渦流式傳感器電感線圈產(chǎn)生的磁力線經(jīng)過金屬導(dǎo)體時(shí)，金屬導(dǎo)體就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，該電流的流線呈閉合回線，類似水渦形狀，故稱之為電渦流。電渦流式傳感器是以電渦流效應(yīng)為基礎(chǔ)，由一個(gè)線圈和與線圈鄰近的金屬體組成。當(dāng)線圈通入交變電流I時(shí)，在線圈的周圍產(chǎn)生一交變磁場(chǎng)H1，處于該磁場(chǎng)中的金屬體上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并形成渦流。金屬體上流動(dòng)的電渦流也將產(chǎn)生相應(yīng)的磁場(chǎng)H2，H2與H1方向相反，對(duì)線圈磁場(chǎng)H1起抵消作用，從而引起線圈等效阻抗Z或等效電感L或品質(zhì)因數(shù)相應(yīng)變化。金屬體上的電渦流越大，這些參數(shù)的變化亦越大。金屬導(dǎo)體置于交變磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生電渦流，且該電渦流產(chǎn)生磁場(chǎng)的方向與原磁場(chǎng)方向相反的一種物理現(xiàn)象。采用電渦流式傳感器并配用相應(yīng)的測(cè)量線路，可得到與該被測(cè)量相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)(電壓、電流或頻率)輸出。該方法常用來測(cè)量位移、金屬體厚度、溫度等參數(shù)，并可作探傷用。R1、L1線圈原有的電阻、電感；R2、L2電渦流等效短路環(huán)的電阻和電感；勵(lì)磁電流的角頻率；M線圈與金屬體之間的互感系數(shù)；U電源電壓5.電感式傳感器的應(yīng)用液位測(cè)量銜鐵隨浮子運(yùn)動(dòng)反擊出液位的變化，從而使差動(dòng)變壓器有一相應(yīng)的電壓輸出。