第4章-电感式传感器.ppt

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1、第4章电感式传感器4.1变磁阻式传感器4.2差动变压器式传感器4.3电涡流式传感器4.1变磁阻式传感器4.1.1工作原理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。铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成，在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为δ，传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度δ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和方向。图4–1变磁阻式传感器根据对电感的定义，线圈中电感量可由下式确定：（4-1）式中

2、：Ψ——线圈总磁链；I——通过线圈的电流；W——线圈的匝数；φ——穿过线圈的磁通。由磁路欧姆定律，得（4-2）式中,Rm为磁路总磁阻。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（4-3）式中：μ1——铁芯材料的导磁率；μ2——衔铁材料的导磁率；l1——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；μ0——空气的导磁率；S0——气隙的截面积；δ——气隙的厚度。通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻，即（4-4

3、）则式（4-3）可写为（4-5）联立式（4-1）、式（4-2）及式（4-5），可得（4-6）上式表明，当线圈匝数为常数时，电感L仅仅是磁路中磁阻Rm的函数，改变δ或S0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δ的传感器和变气隙面积S0的传感器。目前使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器。4.1.2输出特性由式（4-6）可知L与δ之间是非线性关系，特性曲线如图4-2所示。设电感传感器初始气隙为δ0，初始电感量为L0，衔铁位移引起的气隙变化量为Δδ，当衔铁处于初始位置时，初始电感量为（4-7）当衔铁上移Δδ时，

4、传感器气隙减小Δδ，即δ=δ0-Δδ，则此时输出电感为L=L0+ΔL，代入式（4-6）式并整理，得（4-8）图4-2变隙式电压传感器的L-δ特性当Δδ/δ0<<1时，可将上式用台劳级数展开成如下的级数形式：（4-9）由上式可求得电感增量ΔL和相对增量ΔL/L0的表达式，即(4-10)(4-11)同理，当衔铁随被测体的初始位置向下移动Δδ时，有（4-12）（4-13）对式（4-11）、（4-13）作线性处理，即忽略高次项后，可得（4-14）灵敏度为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，因此变隙式电感式

5、传感器适用于测量微小位移的场合。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。（4-15）图4-3差动变隙式电感传感器4.1.3测量电路电感式传感器的测量电路有交流电桥式、变压器式交流电桥以及谐振式等。1.电感式传感器的等效电路从电路角度看，电感式传感器的线圈并非是纯电感，该电感由有功分量和无功分量两部分组成。有功分量包括：线圈线绕电阻和涡流损耗电阻及磁滞损耗电阻，这些都可折合成为有功电阻，其总电阻可用R来表示；无功分量包含：线圈的自感L,绕线间分布电容，为简便起见可视为集中参数，用C来表示。于是可得到电

6、感式传感器的等效电路如图4-4所示。图4-4电感式传感器的等效电路图4-4中，L为线圈的自感，R为折合有功电阻的总电阻，C为并联寄生电容。上图的等效线圈阻抗为(4-16)将上式有理化并应用品质因数Q=ωL/R，可得(4-17)当Q>>ω2LC且Ω2lc<<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，而有效Q值减小，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

7、流电桥式测量电路图4-5为交流电桥测量电路，把传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂Z1和Z2，另外两个相邻的桥臂用纯电阻R代替。设Z1=Z+ΔZ1,Z2=Z-ΔZ2，Z是衔铁在中间位置时单个线圈的复阻抗，ΔZ1,ΔZ2分别是衔铁偏离中心位置时两线圈阻抗的变化量。对于高Q值的差动式电感传感器，有ΔZ1+ΔZ2≈jω(ΔL1+ΔL2)，则电桥输出电压为(4-20)图4-5交流电桥测量电路当衔铁往上移动Δδ时，两个线圈的电感变化量ΔL1、ΔL2分别由式（4-10）及式（4-12）表示，差动传感器电感的总变化量ΔL=ΔL1+ΔL2

8、,具体表达式为（4-21）对上式进行线性处理,即忽略高次项得（4-22）灵敏度K0为（4-23）比较式（4-15）与式（4-23），单线圈式和差动式两种变间隙电感传感器的灵敏度特性，可以得到如下结论：①差动式变间隙电感传感器的灵敏度是单线圈式的两倍。②差动式变间隙电感传感器的非线性项由式