鐵道車輛傳感器技術(shù)-電感式傳感器

項目一傳感器技術(shù)

任務(wù)3電感式傳感器變磁阻式傳感器結(jié)構(gòu)和工作原理1.2電感式傳感器概述0102差動變壓器傳感器結(jié)構(gòu)和工作原理03變磁阻式傳感器的輸出特性04電感式傳感器的應(yīng)用05一、電感式傳感器概述

1.作用：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.優(yōu)缺點：電感式傳感器具有結(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。這種傳感器能實現(xiàn)信息的遠距離傳輸、記錄、顯示和控制,在工業(yè)自動控制系統(tǒng)中被廣泛采用。

一、電感式傳感器概述

3.電感式傳感器分類：（1）變磁阻式傳感器（2）變壓器式傳感器（3）電渦流式傳感器在實際應(yīng)用中，這三種傳感器多制成差動式，以便提高線性度和減小電磁吸力所造成的附加誤差。

自感傳感器的基本工作原理演示氣隙變小，電感變大，電流變小簡介：

XLW20位移傳感器是基于單一線圈的感應(yīng)元器件這一概念設(shè)計的，特殊的纏繞技術(shù)使得它的測量范圍達到其主體長度的90%以上。

位移傳感器是由激光焊接組裝而成，它的表面全采用無銹鋼制成。柱芯由高耐磨性的不銹鋼管引導(dǎo)，從而使得其耐磨性達至100百邁次以上移位動作。位移傳感器能通過MBO20來固定。

XLW20位移傳感器需要一個具有AC-current和DC-current的特殊TCA型信號控制器。通過傳感器的AC電壓將顯示內(nèi)芯位置，而DC電壓可根據(jù)固定溫度下線圈電阻系數(shù)顯示出傳感器的溫度。DC電壓是用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)溫度的。差動磁阻位移傳感器

簡介：

CZ-01磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器采用電磁感應(yīng)原理實現(xiàn)測速，在傳感器前端繞有線圈，當(dāng)齒輪旋轉(zhuǎn)時，通過傳感器線圈的磁力線發(fā)生變化，在傳感器線圈中產(chǎn)生周期性的電壓，通過對該電壓處理計數(shù)，就能測出齒輪的轉(zhuǎn)速。該傳感器外殼使用不銹鋼，輸出信號強，抗干擾性能好，安裝使用方便，可在煙霧、油氣、水氣等惡劣環(huán)境中使用。CZ-01--磁阻轉(zhuǎn)速傳感器

簡介：

TD系列線性差動變壓器式位移傳感器采用中頻差動變壓器式位移傳感器作為傳感元件，是一種高可靠性的LVDT位移傳感器。它抗干擾能力強，線性好，結(jié)構(gòu)簡單，不易損壞，能長期連續(xù)使用，可用于汽輪機汽缸膨脹，閥位開度位移測量。由于產(chǎn)品的耐用性和高精度性，因此它有著廣闊的應(yīng)用范圍。TD系列線性差動變壓器式位移傳感器

簡介：

RVDT采用非接觸式專利設(shè)計，與同步分析器和電位計等其它傳統(tǒng)的角位移測量儀相比，有效地提高了長期可靠性。它的設(shè)計獨特，在不使用諸如滑環(huán)、葉片、接觸式游標，電刷等易磨損的活動部件的前提下仍可保證測量精度。

該傳感器采用特殊形狀的轉(zhuǎn)子和線繞線圈，模擬線性可變差動傳感器(LVDT)的線性位移，有較高的可靠性和性能。轉(zhuǎn)子

軸的旋轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生線性輸出信號，圍繞出廠預(yù)置的零位移動±60°(總共120°)。此輸出信號的相位指示離開零位的位移方向。轉(zhuǎn)子的非接觸式電磁耦合使產(chǎn)品具有無限的分辨率，即絕對測量精度可達到零點幾度。

直流差動變壓器式角位移傳感器

產(chǎn)品型號：R30DRVDTs簡介：探頭頭部體選用最新PPS工程塑料模具成型。它是一種具有高強度、耐高溫(220℃)、抗腐蝕的新型材料；不易碰壞、耐高溫、碰到某些化學(xué)藥品不會開裂；保證了探頭的可靠性；高溫探頭頭部體采用微晶玻璃耐高溫450℃，可承受燃氣和蒸汽的高溫；高抗干擾電渦流傳感器抗磁場干擾能力大幅度提高，使傳感器可以應(yīng)用在發(fā)電機等產(chǎn)生強磁場的設(shè)備中；探頭信號輸出使用的同軸電纜和延伸同軸電纜選用進口寬溫度范圍電纜(-55℃～200℃)；電纜強度高、電氣性能優(yōu)異、連接可靠性高；電纜接頭選用進口軍用標準插頭座SMA，接觸電阻小，可靠性增加；電纜與插頭、電纜與探頭殼體均有加強承力套，抗拉力可達35KG；電渦流傳感器

二、變磁阻式傳感器結(jié)構(gòu)和工作原理磁路組成：1-線圈2-定鐵芯3-銜鐵（動）工作原理：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,進而改變線圈的電壓，電流或頻率。

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。綜合得：

結(jié)論：當(dāng)線圈匝數(shù)為常數(shù)時,電感L僅僅是磁路中磁阻Rm的函數(shù),只要改變δ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δ的傳感器和變氣隙面積S0的傳感器。使用最廣泛的是變氣隙厚度δ式電感傳感器。三、變磁阻式傳感器的輸出特性

設(shè)電感傳感器初始氣隙為δ0,初始電感量為L0,銜鐵位移引起的氣隙變化量為Δδ,由

可知L與δ之間是非線性關(guān)系,特性曲線如下圖表示:當(dāng)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L=L0+ΔL，整理得：當(dāng)Δδ/δ0遠小于1（無限接近于0）時,可將上式用臺勞級數(shù)展開成級數(shù)形式為L=L0+ΔL=由上式可求得電感增量ΔL和相對增量ΔL/L0的表達式,即當(dāng)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L=L0+ΔL,代入公式并整理,得對上式作線性處理，忽略高次項,可得靈敏度為由此可見,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,所以變隙式電感式傳感器用于測量微小位移時是比較精確的。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。差動變隙式電感傳感器由圖可知,差動變隙式電感傳感器由兩個相同的電感線圈Ⅰ、Ⅱ和磁路組成,測量時,銜鐵通過導(dǎo)桿與被測位移量相連,當(dāng)被測體上下移動時,導(dǎo)桿帶動銜鐵也以相同的位移上下移動,使兩個磁回路中磁阻發(fā)生大小相等,方向相反的變化,導(dǎo)致一個線圈的電感量增加,另一個線圈的電感量減小,形成差動形式。當(dāng)銜鐵往上移動Δδ時,兩個線圈的電感變化量ΔL1和ΔL2,當(dāng)差動使用時,兩個電感線圈接成交流電橋的相鄰橋臂,另兩個橋臂由電阻組成,電橋輸出電壓與ΔL有關(guān),其具體表達式為ΔL=ΔL1+ΔL2對上式進行線性處理，忽略高次項得靈敏度K0為比較單線圈和差動兩種變間隙式電感傳感器的特性,可以得到如下結(jié)論:

1.差動式比單線圈式的靈敏度高一倍。

2.差動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)成差動的兩個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)完全一致。四、差動變壓器式傳感器結(jié)構(gòu)和工作原理差動變壓器式傳感器是把被測位移量轉(zhuǎn)換為一次線圈與二次線圈間的互感量M的變化的裝置。當(dāng)一次線圈接入激勵電源之后，二次線圈就將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，當(dāng)兩者間的互感量變化時，感應(yīng)電動勢也相應(yīng)變化。由于兩個二次線圈采用差動接法，故稱為差動變壓器。差動變壓器結(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范圍內(nèi)的機械位移,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?；顒鱼曡F導(dǎo)磁外殼骨架一次線圈二次線圈二次線圈螺線管式差動變壓器結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)特點：兩個二次線圈反向串聯(lián)，組成差動輸出形式。螺線管式差動變壓器等效電路圖(一)差動變壓器式傳感器結(jié)構(gòu)

差動變壓器式傳感器中兩個次級線圈反向串聯(lián),并且在忽略鐵損、導(dǎo)磁體磁阻和線圈分布電容的理想條件下,其等效電路如上圖所示。當(dāng)初級繞組N1加以激勵電壓時,根據(jù)變壓器的工作原理,在兩個次級繞組N21和N22中便會產(chǎn)生感應(yīng)電勢U21和U22。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,必然會使兩互感系數(shù)M1=M2。根據(jù)電磁感應(yīng)原理,將有U21

=U22。由于變壓器兩次級繞組反向串聯(lián),因而U0

=U21-

U22=0

,即差動變壓器輸出電壓為零。（二）差動變壓器式傳感器工作原理銜鐵在中間位置：U21=U22，U0=0銜鐵往上移動：一邊互感↑，一邊互感↓，U21>U22,U0=U21-U22≠0

（三）零點殘余電壓及其消除方法差動變壓器也存在零點殘余電壓問題。零點殘余電壓的存在使得傳感器的特性曲線不通過原點，并使實際特性不同于理想特性。

產(chǎn)生原因：傳感器的兩次級繞組的電氣參數(shù)與幾何尺寸不對稱，以及磁性材料的非線性等問題引起的。

危害：零點殘余電壓過大，會使靈敏度下降，非線性誤差增大，不同檔位的放大倍數(shù)有顯著差別，甚至造成放大器末級趨于飽和，致使儀器電路不能正常工作，甚至不再反映被測量的變化。在儀器的放大倍數(shù)較大時，這一點尤應(yīng)注意。消除方法：1.盡可能保證傳感器的幾何尺寸，線圈電氣參數(shù)和磁路的對稱。2.采用適當(dāng)?shù)臏y量電路，如相敏整流電路。3.采用適當(dāng)?shù)难a償電路減小零點殘余電壓。加串聯(lián)電阻，加并聯(lián)電阻，加并聯(lián)電容，加反饋繞組或反饋電容等。五、電感式傳感器的應(yīng)用1.自感式傳感器測液位高度浮子的位移變成電量：液位升高，液體對浮子的浮力F↑，破壞平衡狀態(tài)。浮子上升，鐵心上移，電感變化，輸出信號改變。上圖所示是變隙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)壓力進入膜盒時,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,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壓力的大小。2.變隙電感式壓力傳感器上圖所示為變隙式差動電感壓力傳感器。它主要由C形彈簧管、銜鐵、鐵芯和線圈等組成。當(dāng)被測壓力進入C形彈簧管時,C形彈簧管產(chǎn)生變形,其自由端發(fā)生位移,帶動與自由端連接成一體的銜鐵運動,使線圈1和線圈2中的電感發(fā)生大小相等、符號相反的變化,即一個電感量增大,另一個電感量減小。電感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壓力之間成比例關(guān)系,所以只要用檢測儀表測量出輸出電壓,即可得知被測壓力的大小。3.變隙式差動電感壓力傳感器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。上圖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和差動變壓器2構(gòu)成。測量時,將懸臂梁底座及差動變壓器的線圈骨架固定,而將銜鐵的A端與被測振動體相連。當(dāng)被測體帶動銜鐵以Δx(t)