3电感式传感器

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1、第三章电感式传感器第一节传感器线圈的电气参数分析图3.1为一种简单的自感式传感器，它由线圈、铁心和衔铁等组成。当衔铁随被测量变化而上、下移动时，铁心气隙、磁路磁阻随之变化，引起线圈电感量的变化，然后通过测量电路转换成与位移成比例的电量，实现了非电量到电量的变换。可见，这种传感器实质上是一个具有可变气隙的铁心线圈。图3.1变气隙式自感传感器图3.2传感器线圈的等效电路L-线圈电感；R-线圈铜耗电阻；Re-铁心涡流损耗电阻；R磁滞损耗电阻；C-线圈的寄生电容类似于上述自感式传感器，变磁阻式传感器通常都具有铁心线圈或空心线圈(后者可视作前者的特例)。因此，分析铁心线圈的电气参数与它们对线圈特性的影响

2、，对了解与分析变磁阻式传感器以及选择传感器参数有帮助。为此，我们将传感器线圈等效成图3.2所示的等效电路，并对电路参数及其影响一一进行讨论。1.线圈电感L由磁路基本知识可知，匝数为W的线圈电感为(3-1)式中Rm——磁路总磁阻。当线圈具有闭合磁路时(3-2)式中RF——导磁体总磁阻。当线圈磁路具有小气隙时(3-3)式中Rθ——气隙总磁阻。为了分析方便，需要将各种形式的线圈的电感L用统一的式子表达。为此，引入等效磁导率概念，即将线圈等效成一封闭铁心线圈，其磁路等效磁导率为μｅ，磁通截面积为S，磁路长度为ｌ，于是式(3-1)变为      (3-4)式中μ——真空

3、磁导率，μ＝4π×10-7(H/ｍ)。2.铜损电阻Rc取决于导线材料及线圈的几何尺寸3.涡流损耗电阻Rｅ由频率为ｆ的交变电流激励产生的交变磁场，会在线圈铁心中造成涡流及磁滞损耗。根据经典的涡流损耗计算公式知，为降低涡流损耗，叠片式铁心的片厚应薄；高电阻率有利于损耗的下降，而高磁导率却会使涡流损耗增加。4.磁滞损耗电阻Rh铁磁物质在交变磁化时，磁分子来回翻转而要克服阻力，类似摩擦生热的能量损耗。5.并联寄生电容C的影响并联寄生电容主要由线圈绕组的固有电容与电缆分布电容所构成。图3.3线圈等效电路的变换形式为便于分析，先不考虑寄生电容C，并将图3.2中的线圈电感与并联铁损电阻等效为串联

4、铁损电阻Re′与串联电感L′的等效电路，如图3.3所示。这时Re′和L′的串联阻抗应该与Re和L的并联阻抗相等，即(3-5)(3-6)式(3-5)表明，铁损的串联等效电阻Re′与L有关。因此，当被测非电量的变化引起线圈电感量改变时，其电阻值亦发生不希望有的变化。要减少这种附加电阻变化的影响，比值Re/ωL应尽量小，以使Re′<<ωL′，从而减小了附加电阻变化的影响。可见，在设计传感器时应尽可能减少铁损。当考虑实际存在并联寄生电容C时，阻抗Z为(3-7)式中 总的损耗电阻，品质因数。当Q>>1时，1/Q2可以忽略，式(3-7)可简化为(3-8)有效值Q为(3-9)电感的相

5、对变化(3-10)由式(3-8)、(3-9)、(3-10)知，并联电容C的存在，使有效串联损耗电阻与有效电感均增加，有效Q值下降并引起电感的相对变化增加，即灵敏度提高。因此，从原理而言，按规定电缆校正好的仪器，如更换了电缆，则应重新校正或采用并联电容加以调整。实际使用中因大多数变磁阻式传感器工作在较低的激励频率下(ｆ≤10ｋHｚ)，上述影响常可忽略，但对于工作在较高激励频率下的传感器(如反射式涡流传感器)，上述影响必需引起充分重视。第二节自感式传感器一.工作原理与输出特性如前所述，自感式传感器实质上是一个带气隙的铁心线圈。按磁路几何参数变化形式的不同，目前常用的自感式传感器有变气隙式

6、、变面积式与螺管式三种；按磁路的结构型式又有Π型、E型或罐型等等；按组成方式分，有单一式与差动式两种。1.变气隙式自感传感器变气隙式自感传感器的结构原理见图3.1。由于变气隙式传感器的气隙通常较小，可以认为气隙磁场是均匀的，若忽略磁路铁损，则图3.1传感器的磁路总磁阻为(3-11)式中ｌ1,ｌ2——铁心和衔铁的磁路长度(ｍ)；S1，S2——铁心和衔铁的截面积(ｍ2)；μ1、μ2——铁心和衔铁的磁导率(H/ｍ)；S、ｌδ——气隙磁通截面积(ｍ2)和气隙总长(ｍ)。将式(3-11)代入式(3-1)，可得(3-12)由式(3-12)可知，当铁心、衔铁的材料和结构与线圈匝数确定后，若保持

7、S不变，则L即为ｌδ的单值函数，这就是变气隙式传感器的工作原理。为了精确分析传感器的特性，利用前述等效磁导率μe的概念，由式(3-4)可得(3-13)同时，由式(3-11)(3-14)式中μ——铁心和衔铁的相对磁导率，通常μ>>1。所以(3-15)代入式(3-4)可得带气隙铁心线圈的电感为(3-16)式中 ，为一常数。对式(3-16)进行微分可得传感器的灵敏度为(3-17)