传感器原理与应用

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1、《传感器原理与应用》,第58页第四章电感式传感器电感式传感器是利用电磁感应把铰测的物理量加位移、压力、流量、振动等转换成线圈的自感系数人或互感系数AJ的变化，再由涵量电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。电感式传感器具有以下特点：(1)结构简单，传感器无活动电触点，因此工作可靠寿命长；(2)灵敏度和分辨率高，能测出0．01Pm酌位移变化。传感器的输出信号强，电压灵敏度一般每毫米的位移可达数百毫伏的输出；(3)线性度和重复性都比较好，在一定位移范围几十微米至数毫米内．传感器非线性误差可做到0．05％一0．1％

2、，并且稳定性也较好。同时．这种传感器能实现信息的远距离传辖、记录、显示和控制，它在上业自动控制系统中广泛被采用；但是它台频率响应较低，不宜快速动态测控等缺点。电感式传感器种类很多，本章主要介绍自感式、互感式和涡流式三种传感器。变磁阻式传感器变磁阻式传感器的结构如图4—1所示。它由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯利衔铁都由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成。在铁芯和活动衔铁之间有气隙，气隙厚度为8。传感器的运动部分与衔铁相连，当衔铁移动时，气院厚度6发生变化，从而使磁路中磁配变化．导致电感线圈的电感值变化，这样可以籍以判别被tIg量

3、的位移大小。线圈的电感值L可按下列电工学公式计算： 式中贝——线圈匝数；RN——单位长度上磁路的总磁阻磁路总磁阻可写为式中Rf——铁芯磁阻；R6——空气气隙磁阻式(4—3)中第一项为铁芯磁阻v第二项为衔铁磁阻；Ll一一磁通通过铁芯助长度(m)；4l——铁芯横截面积(m’)；Al——铁芯材料的导磁率(H／m)；乙——磁通通过衔铁的长度(m)；A2——衔铁横截面积(m2)；A：——衔铁材料的导磁率(H／m)；j一—气隙厚度(m)；A一—气隙横截面积(m’)；P。——空气的导磁率(4n×10“H／m)。由于及f《Rj，常常忽略Rf，

4、因此，可得线圈电感为《传感器原理与应用》,第59页由式(4—5)可知，当线圈匝数确定后，只要改变j和4均可导致电感的变化，因此v变碰阻式传感器又可分为变气隙厚度6的传原器和变气隙面积4的传感器。使用最广泛的是变气隙式电感传感器。二、等效电路电感传感器是利用铁芯线圈中的自感随衔铁位移或空隙面积改变而变化的原理制成的，但实际上线圈不可能呈现为纯电感，电感L还包含了线圈的铜损耗电阻及f(尺f与上串联)，同时存在铁芯祸流损耗电阻尺(只‘与入并联)；由于线圈和测量设备电缆的接人，存在线圈固有电容和电缆的分布电容．用集中参数c表示C与L和

5、Rf、盈。相并联)，因此，电感式传感器可用图4—2所示等效电路表示。它可以用一个复阻抗z来等效。由式(4—5)可知，当电感传感器线圈匝数和气隙面积一定时，电感星上与气晾厚度6成反比．可用图4—3所示。下面分析变气隙式电感传感器的输出特性。二、变气陈式电感传感器输出特性设电感传感器初始气隙为50·初始电感量为L6，衔铁位移引起的气隙变化量为Aj，从式(4”5)可知L和6之间是非线性关系。那么，初姑电感量为《传感器原理与应用》,第60页当衔铁下移Aj时，传感器气隙增大A6，即o＝50十Aj，则电感旦却减少，电感变化量为ALl，即《

6、传感器原理与应用》,第60页《传感器原理与应用》,第60页忽赂掉二次项以上的高次项，WAL，与址z和Aj成线性关系。由此可见，高次项是造成非线性的主要原因，且ALl和Aj2是不相等的。当瓮越小时，则高次项迅速减小．非线性得到改善。这说明了输出特性和测量范围之间存在矛盾，所以．电感式传感器用于ild量微小位移量是比较精确的。为了减小非线性误差．实际测量中广泛采用差动式电感传感器。由式[4—6)和式(4—7)，忽略二次以上项后，可得到传感器灵敏度为四、差动自由传感器变气欧电感传感器可以制作成各种形式(如螺管式电感传感器等)，但它们

7、都存在严重的非线性。为了减小非线性，可以利用两只完全对称的单个电感传感器合用一个活动衔铁．这样可构成差动式电感传感器，如差动螺管电感传感器、差动式E形电感传感器等．如图4—t(“)和(5)所示。其结构特点是上、下两个舷体的几何尺寸、材料、电气参数均完全一致。传感器的两只电感线圈接成交流电桥的相邻桥臂，另外两只桥臂由电阻组成、尽管图(d)和(6)的结构形式不同，但其工作原理完全相似，它们构成四臂交流电桥，供桥电源为耀““(交流)，桥路输出为交流电压LY。。初始状态时，衔铁位于中间位置．两边空隙相等。因此．两只电感线圈的电感量相等

8、，数住[极性相反，电桥输出认＝o，即电桥处于平衡状态。当衔铁偏离小间位置，向—亡或向下移动时，造成两边气隙不一样，使两只电感线困的电感量一增一减，电桥不平衡。电桥输出电压的大小与衔铁移动的大小成比例，其相位则与衔铁移动量的方向钉关。苦向下移动．输出电压为正；而向上移动时，输出