第4章电感式传感器

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1、第4章电感式传感器第一节变磁阻式传感器第二节互感式传感器第三节电涡流式传感器第一节变磁阻式传感器一、变隙式自感传感器1、结构和工作原理由磁路基本知识知，线圈自感为N：线圈匝数；Rm：磁路总磁阻(铁芯与衔铁磁阻和空气隙磁阻)l1：铁芯磁路总长；l2：衔铁的磁路长；S：气隙磁通截面积；S1：铁芯横截面积；S2：衔铁横截面积；μ1：铁芯磁导率；μ2：衔铁磁导率；μ0：真空磁导率，μ0=4π×10-7H／m；δ：空气隙厚度。由于自感传感器的铁芯一般在非饱和状态下，其磁导率远大于空气的磁导率，因此铁芯磁阻远较气隙磁阻小，所以上式可简化为由上式可见,线圈匝数确定之后,只要气隙长度δ和气

2、隙截面S二者之一发生变化,传感器的电感量就会发生变化。因此,有变气隙长度和变气隙截面电感传感器之分,前者常用来测量线位移,后者常用于测量角位移。设衔铁处于起始位置时,传感器的初始气隙为δ0。初始电感为当衔铁向上移动Δδ时,传感器的气隙长度将减少,即为δ=δ0-Δδ,这时的电感量为相对变化量为2、输出特性当时,可将上式展开成级数同理,如衔铁向下移动Δδ时,传感器气隙将增大,即为δ=δ0+Δδ,电感量的变化量为相对变化量为可以看出,当忽略高次项时,ΔL才与Δδ成线性关系。当然,Δδ/δ0越小,高次项迅速减小,非线性可得到改善。然而,这又会使传感器的量程变小。所以,对输出特性线性

3、度的要求和对测量范围的要求是相互矛盾的,一般对变气隙长度的传感器,取Δδ/δ0=0.1~0.2。二、变面积自感传感器xa铁心与衔铁间气隙厚度忽略。三、螺管式自感传感器铁芯位移x传感器工作时，因铁芯在线圈中伸入长度的变化，引起螺管线圈自感值的变化。当用恒流源激励时，则线圈的输出电压与铁芯的位移量有关。四、差动自感传感器1、变隙式差动自感传感器铁芯位移x2、螺管式差动自感传感器五、测量电路1.电感式传感器的等效电路总电阻R：线圈线绕电阻和涡流损耗电阻及磁滞损耗电阻L：线圈的自感C：绕线间分布电容上图的等效线圈阻抗为将上式有理化并应用品质因数Q=ωL/R，可得当Q>>ω2LC且ω

4、2LC<<1时，上式可近似为则令从以上分析可以看出，并联电容的存在，使有效串联损耗电阻及有效电感增加，在有效阻抗不大的情况下，它会使灵敏度有所提高，从而引起传感器性能的变化。因此在测量中若更换连接电缆线的长度，在激励频率较高时则应对传感器的灵敏度重新进行校准。2.交流电桥式测量电路设Z1=Z+ΔZ1,Z2=Z-ΔZ2，对于差动式电感传感器，有ΔZ1+ΔZ2≈jω(ΔL1+ΔL2)，则电桥输出电压为变隙式差动自感传感器电桥输出电压与Δδ成正比关系。3、变压器式交流电桥电桥两臂Z1、Z2为传感器线圈阻抗，另外两桥臂为交流变压器次级线圈的1/2阻抗。当负载阻抗为无穷大时，桥

5、路输出电压六、变磁阻式传感器的应用当压力进入膜盒时，膜盒的顶端在压力P的作用下产生与压力P大小成正比的位移，于是衔铁也发生移动，从而使气隙发生变化，流过线圈的电流也发生相应的变化，电流表A的指示值就反映了被测压力的大小。它主要由C形弹簧管、衔铁、铁芯和线圈等组成。第二节互感式传感器一、结构及等效电路～～～Rs1Rs2RPM1M2Ls1Ls2Lp初级线圈激励电压Lp,Rp初级线圈电感和电阻M1,M2分别为初级与次级线圈1,2间的互感系数Ls1,Ls2两个次级线圈的电感Rs1,Rs2两个次级线圈的电阻输出电压输出电压有效值当磁芯平衡时当磁芯上升时当磁芯下降时二、测量电路(相敏检

6、波电路)三、误差因素分析1、激励电压幅值与频率的影响激励电源电压幅值的波动，会使线圈激励磁场的磁通发生变化，直接影响输出电势。而频率的波动，只要适当地选择频率，其影响不大。2、温度变化的影响周围环境温度的变化，引起线圈及导磁体磁导率的变化，从而使线圈磁场发生变化产生温度漂移。当线圈品质因数较低时，影响更为严重，因此，采用恒流源激励比恒压源激励有利。适当提高线圈品质因数并采用差动电桥可以减少温度的影响。3、零点残余电压当差动变压器的衔铁处于中间位置时，理想条件下其输出电压为零。但实际上，当使用桥式电路时，在零点仍有一个微小的电压值(从零点几mV到数十mV)存在，称为零点残余电

7、压。如图是扩大了的零点残余电压的输出特性。零点残余电压的存在造成零点附近的不灵敏区；零点残余电压输入放大器内会使放大器末级趋向饱和，影响电路正常工作等。0e2x-xe20消除零点残余电压方法：1．从设计和工艺上保证结构对称性为保证线圈和磁路的对称性，首先，要求提高加工精度，线圈选配成对，采用磁路可调节结构。其次，应选高磁导率、低矫顽力、低剩磁感应的导磁材料。并应经过热处理，消除残余应力，以提高磁性能的均匀性和稳定性。由高次谐波产生的因素可知，磁路工作点应选在磁化曲线的线性段。2．选用合适的测量线路采用相敏检波电路不