检测与传感技术 教学课件 作者 冯柏群 祁和义 (第4章)电感式传感器.ppt

第4章 电感式传感器 4.1 变磁阻式传感器 4.1.1 工作原理 变磁阻式传感器由线圈、铁芯和衔铁3部分组成。在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为?，传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度?发生改变，导致电感线圈的电感值变化，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。 线圈中电感量为 式中：ψ ——线圈总磁链； I ——通过线圈的电流； W——线圈的匝数；????——穿过线圈的磁通。 通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻，即 因此，线圈的电感值可近似地表示为 当线圈匝数为常数时，只要改变?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型电感式传感器和变面积型电感式传感器。 在实际使用中，常采用两个相同的传感器线圈共用一个衔铁，构成差动式电感传感器。测量时，衔铁通过导杆与被测位移量相连，当被测体移动时，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。 差动式结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对温度变化、电源频率变化等影响也可以进行补偿，从而减少了外界影响造成的误差。 4.1.2 测量电路 变磁阻式传感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 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。 其输出电压为 式中：L0——衔铁在中间位置时单个线圈的电感； ? ΔL——单线圈电感的变化量。 2．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，桥路输出电压为 当传感器的衔铁处于中间位置，即Z1=Z2=Z时，有Uo=0，电桥平衡。 当传感器衔铁上移时，即Z1=Z+ΔZ，Z2=Z?ΔZ，此时 当传感器衔铁下移时，则Z1=Z?ΔZ，Z2=Z+ΔZ，此时 4.1.3 变磁阻式传感器的应用 1、变隙电感式压力传感器 它由膜盒、 铁芯、 衔铁及线圈等组成，衔铁与膜盒的上端连在一起。 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，电流表指示值就反映了被测压力的大小。 2、变隙式差动电感压力传感器。它主要由C形弹簧管、衔铁、铁芯和线圈等组成。 当被测压力进入C形弹簧管时，C形弹簧管产生变形，其自由端发生位移，带动与自由端连接成一体的衔铁运动，使线圈1和线圈2中的电感发生大小相等、 符号相反的变化，即一个电感量增大，另一个电感量减小。电感的这种变化通过电桥电路转换成电压输出。由于输出电压与被测压力之间成比例关系，所以只要用检测仪表测量出输出电压，即可得知被测压力的大小。 4.2 差动变压器式传感器 4.2.1 差动变压器式传感器的工作原理 差动变压器是把被测的非电量变化转换成绕组互感量的变化。 差动变压器结构形式较多，有变隙式、变面积式和螺线管式等，应用最多的是螺线管式差动变压器，它可以测量1～100mm机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点。 差动变压器传感器中的两个次级绕组反相串联，当初级绕组加以激励电压U时，在两个次级绕组W2a和W2b中便会产生感应电势e2a和e2b。当活动衔铁处于初始平衡位置时，必然会使两互感系数 M1=M2，将有e2a=e2b，因而有Uo=e2a?e2b=0，即差动变压器输出电压为零。 当活动衔铁向上移动时，由于磁阻的影响，W2a中磁通将大于W2b，使M1M2，因而e2a增加，而e2b减小。反之，e2b增加，e2a减小。因为Uo=e2a?e2b，所以当e2a、e2b 随着衔铁位移x变化时，Uo也必将随x而变化。 1．差动整流电路 差动整流电路还可以接成全波电压输出和全波电流输出的形式。 差动整流电路具有结构简单，根据差动输出电压的大小和方向就