傳感器原理及應(yīng)用-第3章

第3章電感式傳感器3.1變磁阻式傳感器

3.2變電壓器式傳感器

3.3電渦流式傳感器

電磁感應(yīng)利用線圈電感或互感的改變來實現(xiàn)非電量測量分為變磁阻式、變壓器式、渦流式等特點：工作可靠、壽命長靈敏度高，分辨力高精度高、線性好性能穩(wěn)定、重復性好變磁阻式傳感器3.1.1工作原理

3.1變磁阻式傳感器通常氣隙磁阻遠大于鐵芯和銜鐵的磁阻，即分為變氣隙厚度δ的傳感器和變氣隙面積δ的傳感器。

目前使用最廣泛的是變氣隙厚度式電感傳感器3.1.2輸出特性L與δ之間是非線性關(guān)系，特性曲線如所示。變隙式電壓傳感器的L-δ特性分析：當銜鐵處于初始位置時，初始電感量為當銜鐵上移Δδ時，傳感器氣隙減小Δδ，即δ=δ0－Δδ，則此時輸出電感為同理，當銜鐵隨被測體的初始位置向下移動Δδ時，有作線性處理，即忽略高次項后，可得當Δδ/δ0<<1時（臺勞級數(shù)）：靈敏度為：

可見：變間隙式電感傳感器的測量范圍與靈敏度及線性度相矛盾，因此變隙式電感式傳感器適用于測量微小位移的場合。與銜鐵上移切線斜率變大銜鐵下移切線斜率變小為了減小非線性誤差，實際測量中廣泛采用差動變隙式電感傳感器。3.1.3測量電路交流電橋式、交流變壓器式以及諧振式等。1.電感式傳感器的等效電路

當Q>>ω2LC且ω2LC<<1時對于高Q值（）有ΔZ1+ΔZ2≈jω(ΔL1+ΔL2)，則電橋輸出電壓為(3-20)

2.交流電橋式測量電路式中L0——銜鐵在中間位置時的單個線圈的電感△L——單線圈電感的變化量

將代入上式得可見，電橋的輸出電壓與有關(guān)。

3.交流變壓器式使用元件少，輸出阻抗小,獲得廣泛應(yīng)用(1)變壓器電路當傳感器銜鐵上移：如Z1=Z+ΔZ，Z2=Z－ΔZ，當傳感器銜鐵下移：如Z1=Z－ΔZ，Z2=Z+ΔZ，此時由于是交流電壓，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。(2)相敏檢波電路上一頁返回下一頁(a)非相敏整流電路；（b）相敏整流電路使用相敏整流，輸出電壓U0不僅能反映銜鐵位移的大小和方向，而且還消除零點殘余電壓的影響，

上一頁返回下一頁調(diào)幅電路：特點：此電路靈敏度很高，但線性差，適用于線性度要求不高的場合。4.諧振式測量電路分為：諧振式調(diào)幅電路和諧振式調(diào)頻電路。

調(diào)頻電路：傳感器電感L的變化引起輸出電壓頻率的變化。把傳感器電感L和電容C接入一個振蕩回路中，其振蕩頻率 。當L變化時，振蕩頻率隨之變化，根據(jù)f的大小即可測出被測量的值。3.1.4變磁阻式傳感器的應(yīng)用變隙電感式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖3.2差動變壓器式傳感器

●把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感變化

●根據(jù)變壓器的基本原理制成的，次級繞組用差動形式連接。

●差動變壓器結(jié)構(gòu)形式：變隙式、變面積式和螺線管式等。

●在非電量測量中，應(yīng)用最多的是螺線管式差動變壓器，它可以測量1～100mm機械位移，并具有測量精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠等優(yōu)點。(a)、(b)變隙式差動變壓器；(c)、(d)螺線管式差動變壓器；(e)、(f)變面積式差動變壓器上一頁返回下一頁3.2.1變隙式差動變壓器1.工作原理

2.輸出特性

在忽略鐵損（即渦流與磁滯損耗忽略不計）、漏感以及變壓器次級開路（或負載阻抗足夠大）的條件下,等效電路如下。圖中r1a與L1a,r1b與L1b,r2a與L2a,r2b與L2b，分別為W1a,W1b,W2a,W2b繞阻的直流電阻與電感。當r1a<<ωL1a，r1b<<ωL1b時，不考慮鐵芯與銜鐵中的磁阻影響，變隙式差動變壓器輸出電壓Uo的表達式，即.分析：當銜鐵處于初始平衡位置時，因δa=δb=δ0，則Uo=0。但是如果被測體帶動銜鐵移動，例如向上移動Δδ（假設(shè)向上移動為正）時，則有δa=δ0-Δδ，δb=δ0+Δδ，代入上式可得.變隙式差動變壓器輸出特性結(jié)論：

（１）供電電源首先要穩(wěn)定，電源幅值的適當提高可以提高靈敏度K值;（２）增加W2/W1的比值和減少δ0都能使靈敏度K值提高;（３）以上分析的結(jié)果是在忽略鐵損和線圈中的分布電容條件下得到的;（４）以上結(jié)果是在假定工藝上嚴格對稱前提下得到的，而實際上很難做到這一點;（５）上述推導是在變壓器副邊開路的情況下得到的。上一頁返回下一頁3.2.2螺線管式差動變壓器1.工作原理螺線管式差動變壓器結(jié)構(gòu)

差動變壓器等效電路

差動變壓器輸出電壓的特性曲線

當活動銜鐵向上移動時,由于磁阻的影響，W2a中磁通將大于W2b，使M1>M2，因而E2a增加，而E2b減小。反之，E2b增加，E2a減小。因為Uo=E2a-E2b，所以當E2a、E2b隨著銜鐵位移x變化時，Uo也必將隨x而變化。2.零點殘余電壓當銜鐵位于中心位置時，差動變壓器輸出電壓并不等于零，我們把差動變壓器在零位移動時的輸出電壓稱為零點殘余電壓，記作ΔUo.它的存在使傳感器的輸出特性不經(jīng)過零點，造成實際特性與理論特性不完全一致。零點殘余電壓產(chǎn)生原因：主要是由傳感器的兩次級繞組的電氣參數(shù)和幾何尺寸不對稱，以及磁性材料的非線性等引起的。零點殘余電壓的波形主要由基波和高次諧波組成。基波產(chǎn)生的主要原因是：傳感器的兩次級繞組的電氣參數(shù)、幾何尺寸不對稱，導致它們產(chǎn)生的感應(yīng)電勢幅值不等、相位不同，因此不論怎樣調(diào)整銜鐵位置，兩線圈中感應(yīng)電勢都不能完全抵消。高次諧波（主要是三次諧波）產(chǎn)生原因：是磁性材料磁化曲線的非線性（磁飽和、磁滯）。零點殘余電壓一般在幾十毫伏以下，在實際使用時，應(yīng)設(shè)法減小Ux，否則將會影響傳感器的測量結(jié)果。減小零點殘余電壓方法：

1.

盡可能保證傳感器幾何尺寸、線圈電氣參數(shù)及磁路的對稱。

2.

選用合適的測量電路，如采用相敏整流電路。3.采用補償線路減小零點殘余電動勢。3.基本特性當初級開路時式中：U——初級線圈激勵電壓；

ω——激勵電壓U的角頻率；

I1——初級線圈激勵電流；r1、L1——初級線圈直流電阻和電感。..根據(jù)電磁感應(yīng)定律，次級繞組中感應(yīng)電勢的表達式分別為輸出電壓的有效值為①活動銜鐵處于中間位置時M1=M2=M

故Uo=0②活動銜鐵向上移動時M1=M+ΔM，M2=M-ΔM

故與E2a同極性。.③活動銜鐵向下移動時M1=M-ΔM，M2=M+ΔM

故與E2b同極性。.4.差動變壓器式傳感器測量電路問題：（1）差動變壓器的輸出是交流電壓(用交流電壓表測量，只能反映銜鐵位移的大小，不能反映移動的方向);（2）測量值中將包含零點殘余電壓。常常采用差動整流電路或相敏檢波電路。(1)差動整流電路把差動變壓器的兩個次級輸出電壓分別整流，然后將整流的電壓或電流的差值作為輸出。整流電路的輸出電壓為當銜鐵在零位時，因為U24=U68，所以U2=0；當銜鐵在零位以上時，因為U24>U68，則U2>0；而當銜鐵在零位以下時，則有U24<U68，則U2<0。U2的正負表示銜鐵位移的方向。..........差動整流電路（a）半波電壓輸出；（b）半波電流輸出；（c）全波電壓輸出；（d）全波電流輸出（2）相敏檢波電路（a）相敏檢波電路原理圖；（b）us、u2為正半周時等效電路；(c)us、u2為負半周時等效電路上一頁返回下一頁相敏檢波電路波形

(a）被測位移變化波形圖；(b)差動變壓器激勵電壓波形；(c)差動變壓器輸出電壓波形；(d)相敏檢波解調(diào)電壓波形；(e)相敏檢波輸出電壓波形上一頁返回下一頁

5.差動變壓器式傳感器的應(yīng)用

可直接用于位移測量，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、張力等。

(1)加速度傳感器（2）力和力矩的測量1－線圈2－銜鐵3－彈性元件優(yōu)點：承受軸向力時應(yīng)力分布均勻；當長徑比較小時，受橫向偏心的分力的影響較小。上一頁返回下一頁（3）微小位移的測量1－測端2－防塵罩3－軸套4－圓片簧5－測桿6－磁筒7－磁芯8－線圈9－彈簧10－導線上一頁返回下一頁（4）壓力測量微壓力傳感器1-接頭；2-膜盒；3-底座；4-線路板；5-差動變壓器線圈；6-銜鐵；7-罩殼；8-插頭；9-通孔傳感器與彈性敏感元件（膜片、膜盒和彈簧管等）相結(jié)合，可以組成開環(huán)壓力傳感器和閉環(huán)力平衡式壓力計上一頁返回下一頁

a)電渦流傳感器原理圖

b)電渦流傳感器等效電路圖

3.3電渦流式傳感器渦流效應(yīng)：金屬導體置于變化著的磁場中，導體內(nèi)就會產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流像水中旋渦那樣在導體內(nèi)轉(zhuǎn)圈，稱之為電渦流或渦流。這種現(xiàn)象就稱為渦流效應(yīng)。3.3.1工作原理

根據(jù)等效電路列出電路方程組：

通過解方程組，可得I1、I2。因此傳感器線圈的復陰抗為：

線圈的等效電感為：

u－磁導率；x-線圈與導體的距離3.3.2電渦流形成范圍1電渦流的徑向形成范圍線圈-導體系統(tǒng)產(chǎn)生的電渦流密度J既是線圈與導體間的距離x的函數(shù)，又是沿線全半徑為r的函數(shù)2電渦流強度與距離的關(guān)系當x改變時，電渦流密度發(fā)生變化，即電渦流強度隨距離的變化而變化，金屬導體表面的電渦流強度為