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第三讲 电感式传感器,电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感L或互感系数M的变化,从而导致线圈电感量改变这一物理现象来实现测量的。 电感式传感器种类较多,常见的有:自感式电感传感器、互感式电感传感器两大类;此外还有电涡流式传感器、压磁式传感器、感应同步器等等。,3.1 自感式电感传感器(变磁阻式),自感式电感传感器可分为变间隙型、变面积型和螺管型三种类型。,变间隙型、变面积型 螺管型,一、工作原理(变间隙型),传感器由线圈、铁心和衔铁组成。 铁芯衔铁用高导磁率的金属制成,二者之 间由空隙隔开。工作时衔铁与被测物体 连接,被测物体的位移将引起空气隙的长 度发生变化。由于气隙磁阻的变化,导致 了线圈电感量的变化。线圈的电感可用下 式表示:,式中,N为线圈匝数;Rm为磁路总磁阻。,因此有: 一般情况下,导磁体的磁阻与空气隙磁阻相比是很小的,因此线圈的电感值可近似地表示为: 由此可见改变及A均可使L变化,即对应为变气隙型和变面积型。,对于变间隙型,如果忽略磁路铁损,则磁路总磁阻为: 式中,l1为铁心磁路长;l2为衔铁磁路长;A为截面积;1为铁心磁导率;2为衔铁磁导率;0为空气磁导率;为空气隙厚度。,二、灵敏度与非线性(变间隙型) 1、输出特性,初始时电感量为: 当衔铁下移时,气隙增大为0,电感减小L1, 则有: 电感相对变化为:,忽略高次非线性项L与L0和成线性关系。同时由于L1与L2不等,故在测量范围较小时,测量精度才高,故此类适于小位移测量。 灵敏度,当衔铁上移时:,有下式:,2、差动自感传感器 1)结构,在实际使用中,常采用两个相同的传感线圈共用一个衔铁,构成差动式电感传感器,这样可以提高传感器的灵敏度,减小测量误差。 变间隙型 变面积型 螺管型,2)输出特性,由前式若接成差动则有:,若在后续的测量电路中,使得输出与 L1L2成正比则S2L0/0, 提高一倍,可见其线性范围较大。,三、等效电路,1、铜损电阻RC线圈的电阻,RC与L串联。 2、铁芯涡流损耗电阻Re铁芯上绕有电感线圈,在交变电场下会形成电涡流,造成能量的损耗,该损耗以Re来表示,Re与L并联。 3、磁滞损耗电阻Rh 铁磁材料在交变电场中,反复磁化时,由于磁体内分子不断变化,故分子振动加剩、温度升高造成能量损耗。Rh与Re、L并联。 4、等效电容C 该电容包括线圈的匝间电容和电缆线的分布电容。 5、自身电感,四、转换电路,调幅电路一般为交流电桥,是主要的测量电路,它的作用是将线圈电感的变化转换成电桥电路的电压或电流输出。 前面已提到差动式结构可以提高灵敏度,改善线性,所以交流电桥也多采用双臂工作形式。通常将传感器作为电桥的两个工作臂,电桥的平衡臂可以是纯电阻,也可以是变压器的二次侧绕组或紧耦合电感线圈。,1、调幅电路,变压器式电桥,由于是双臂工作形式当衔铁下移时,Z1=ZZ,Z2=Z+Z,则有:,上移时相同。由于输出是交流信号,无法判向,应用相应电路处理。,带相敏整流的交流电桥,设差动电感传感器的线圈阻抗分别为Z1和Z2。当衔铁处于中间位置时,Z1=Z2=Z,电桥处于平衡状态,C点电位等于D点地位,电表指示为零。,当衔铁上移,上部线圈阻抗增大,Z1=Z+Z,则下部线圈阻抗减少,Z2=Z-Z。如果输入交流电压为正半周,设A点电位为正,B点电位为负,二极管V1、V4导通,V2、V3截止。在A-E-C-B支路中,C点电位由于Z1增大而比平衡时的C点电位降低; 而在A-F-D-B支中中,D点电位由于Z2的降低而比平衡时D点的电位增高,所以D点电位高于C点电位,直流电压表正向偏转。,如果输入交流电压为负半周,A点电位为负,B点电位为正,二极管V2、V3导通,V1、V4截止,则在A-F-C-B支中中,C点电位由于Z2减少而比平衡时降低(平衡时,输入电压若为负半周,即B点电位为正,A点电位为负,C点相对于B点为负电位,Z2减少时,C点电位更负);而在A-E-D-B支路中,D点电位由于Z1的增加而比平衡时的电位增高,所以仍然是D点电位高于C点电位,电压表正向偏转。 同样可以得出结果:当衔铁下移时,电压表总是反向偏转,输出为负。 可见采用带相敏整流的交流电桥,输出信号既能反映位移大小又能反映位移的方向。,2、调频电路 3、调相电路,调频电路的基本原理是将传感器电感L的变化引起输出电压频率f的变化。一般是把传感器电感L与一个固定电容接入一个振荡回路当中。,六、自感式电感传感器的特点及应用 灵敏度高,可测微米级的直线位移。 测量范围较小,尤其是变间隙型自感式电感传感器。 存在非线性。,五、零点残余电压 对于差动结构的自感式电感传感器,采用电桥测量电路,当电桥处于预平衡时,仍有输出电压,此电压称为零点残余电压。,电感式压力传感器 压差传感器,
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