传感器原理设计与应用

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1、《传感器原理及工程应用》第四章电感式传感器利用电磁感应原理将被测非电量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈自感系数人或互感系数肋的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出，这种装置称为电感式传感器。电感式传感器具有结构简单，工作可靠，测量精度高，零点稳定，输出功串较大等一系列优点．其主要缺点是灵敏度、线性度和测量范围相互制约，传感器自身困串响应低，不适用于快速动态测量。这种传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制，在工业自动控制系统中被广泛采用。4．1变磁阻式传感器变碰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。铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片

2、或坡英合企制成，在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为6，传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度8发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小相方向。1一线圈；2一铁芯(定铁芯)；3一衔铁(动铁芯)图4—1变磁阻式传感器式中：——线圈总磁链；——通过线圈的电流；——线圈的匝数；由——穿过线圈酌磁通。由隘路欧姆定律，得式中：RI——磁路总磁咀。对于变隙式传感器，因为气隙很小，所以可以认为气隙中的磁场是均匀的。若忽略磁路磁损，则磁路总磁阻为《传感器原理及工程应用》,第47页式中：U1——铁芯材料的

3、导磁率，U2——衔铁材料的导磁串；LI——磁通通过铁芯的长度；L2——磁通通过衔铁的长度；S1——铁芯的截面积，S2——衔铁的截面积，U0——空气的导磁率；S0——气隙的截面积，——气隙的厚度。通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻，即上式表明，当线圈匝数为常数时，电感人仅仅是隘路中磁阻Rm的函数，只要改变5或6。均可导致电感变化，因此变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度的传感器和变气隙面积S0的传感器。使用员广泛的是变气隙厚度式电感传感器。输出特性设电感传感器初始气隙为久，初始电感量为L9，衔铁位移引起的气隙变化量为A6，从式(4—6)可知上与6之间是非线性关系，特性曲线如图(

4、4—2)表示，初始电感量为当衔铁上移A9时，传感器气隙减小A8，即5＝久一A6，则此时输出电感为工＝LD十丛，代入式(4—6)式并整理，得由此可见，变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾，所以变隙式电感式传感器用于测量微小位移时是比较精确的。为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变隙式电感传感器。固4—3所示为差动变隙式电感传感器的原理结构图。由图可知，差动变隙式电感传感器由两个相同的电感线圈I、l和隘路组成，测量时，衔铁通过导杆与被测位移量相连，当被测体上下移动时，导杆带动衔铁也以相同的位移上下移动，使两个磁回路中磁阻发生大小相等、方向相反的变化，导致一

5、个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减小，形成差动形式。当衔铁往上移动A6时，两个线圈的电感变化量丛l、AL：分别由式(4—10)及式(4—12)表示，当差动使用时，两个电感线团接成交流电桥的相邻桥臂，另两个桥管由电阻组成，电桥输出电压与AL有关，其具体表达式为对上式进行线性处理忽略高次项得  《比较单线圈和差动两种变间隙式电感传感器的持性，可以得到如下结论：①差动式比单线因式的灵敏度高一倍。②差动式的非线性项等于单线圈非线性项乘以(Aj／6D)因子，因为(A6从)《1差动式的线性度得到明显改善。为了使输出特性能得到有效改善，构成差动的两个变隙式电感传感器在结构尺寸、材

6、料、电气参数等方面均应完全一致。三、测量电路电感式传顾器的测量电路有交流电桥式、交流变压器式以及谐振式等几种形式。1．交流电桥式测量电路图4—4所示为交流电桥i15量电路，把传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂Z1和Z2．另外二个相邻的桥臂用纯电阻代替，对于高Q值＜Q＝dL／R)的差动式电感传感器，其输出电医式中：Lo——衔铁在中间位置时单个线圈的电感；丛一两线因电感的差量。将丛＝2上。(州久)代入式(4—19)得00；(／限(A8／乱)．2．变压程式交流电桥电桥输出电压与A6有关变压器式交流电桥测量电路如图4—5所示，电桥两臂zI、2s为传感器线圈阻抗外两桥臂为交流变压器

7、次级线圈的1／2阻抗。当负截阻抗为无穷大时，桥路输出电压当传感器的衔铁处于中间位宣时，即z1＝z2＝z，此时有c／。＝o，电桥平衡。从式(4—21)及式(4—22)可知，衔铁上下移动相同距离时．输出电压的大小相等，但方向相反，由于t／。是交流电压，输出指示无法判断位移方向，必须配合相敏检波电路来解决。3．谐振式测量电路谐振式测量电路有谐振式调幅电路如图4—6所示，谐振式调频电路如图4—7所示。在调幅电路中，传感器电感L与电容c、变压器原边串联在一起，接入交流电源c／，变压器副边特有电压c／。输出，输出电压的频率与电源频率相同，