传感器 第5章分析.ppt

　5.1　自感式传感器5.1.1　工作原理　　自感式传感器是把被测量转换成线圈的自感L变化，通过一定的电路转换成电压或电流输出，图5.1所示为自感式传感器的原理图。 图5.1　自感式传感器原理图 　　尽管在铁芯与衔铁之间存在一个空气间隙δ，但由于其值不大，所以磁路是封闭的。根据电感的定义，线圈中的自感可由下式确定式中：Ψ、N——线圈的总磁链和匝数；　　I——流过线圈的电流；　　Rm——磁路的总磁阻。 　　由于空气间隙d较小，可认为气隙磁场是均匀的，如果忽略磁路铁损，那么总磁阻为式中：li、 mi、Ai——各段导磁体的长度、磁导率和截面积；　　 d 、 m0、A——空气间隙的长度、磁导率(m0=4p×10－7 H/m)和截面积。 　　将磁阻Rm代入式(5.1)中可得　　由于铁芯和衔铁通常是用高导磁材料制成的，如电工纯铁、镍铁合金或硅铁合金等，而且工作在非饱和状态下，其磁导率远大于空气间隙的磁导率，故式(5.3)可简化为 5.1.2　结构类型　　1. 变气隙式自感传感器　　如果保持气隙磁通截面积A不变，则自感L为气隙长度δ的单值函数，可构成变气隙式自感传感器，其特性曲线如图5.2所示。设初始状态气隙长度为δ0，则自感为当衔铁向上移动Δd时，气隙减少为d=d0－Δd，则自感变为 图5.2　变气隙式自感传感器特性曲线 　　自感变化量为当 　　时，将式(5.7)展开成泰勒级数形式，即 　　同理，当衔铁向下移动时，气隙增大为d=d0+Δd。自感变化量为　　若忽略式(5.8)和式(5.9)中的高次项, 则DL≈L0(Δd/d0)，ΔL与Δd成正比，因此高次项的存在是产生非线性误差的主要原因。其灵敏度S为 　　为了减小非线性误差，在实际测量中多采用差动式结构，如图5.3所示。由两个完全相同的电感线圈共用一个衔铁及相应磁路组成。衔铁与被测件相连，测量时被测件上下移动，带动衔铁以相同的位移上下移动，使两个磁回路中的磁阻发生大小相等、方向相反的变化，线圈的自感量一个增加，另一个减小，形成差动式结构。使用时，两个电感线圈接在交流电桥的相邻桥臂上，另外两个桥臂上接固定电阻R1和R2。 图5.3　差动式变气隙自感传感器 　　当衔铁向上下移动时，两个线圈的自感变化量ΔL1与ΔL2大小相等、符号相反，总自感变化量ΔL=L1－L2=ΔL1+ ΔL2，即　　差动式结构的灵敏度S为 　　比较以上各式可得出如下结论：　　(1) 差动式结构比单个线圈的灵敏度提高一倍；　　(2) 差动式结构的非线性误差小，比单个线圈的线性度提高约一个数量级。　　变气隙式自感传感器的灵敏度高，对电路的放大倍数要求低。但是非线性严重，为了减小非线性，量程必须限制在较小范围内，通常为气隙长度的1/5以下，并且这种传感器制造装配比较困难。 　　2. 变面积式自感传感器　　变面积式自感传感器的结构如图5.4所示。气隙长度δ保持不变，铁芯与衔铁之间的相对覆盖面积(即磁通截面)随被测量的改变而改变，从而引起线圈的自感量变化。 图5.4　变面积式自感传感器 　　设初始磁通截面(即铁芯截面)的面积为A=a×b(a、b为铁芯截面的长度和宽度)，当衔铁沿铁芯截面长度方向上下移动x时，自感量L为　　灵敏度S为 　　3. 螺管式自感传感器　　图5.5所示为螺管式自感传感器的结构原理图。在线圈中放入圆柱形衔铁，当衔铁左、右移动时，自感量也将发生相应变化。 图5.5　螺管式自感传感器 　　单线圈螺管式传感器的自感变化量可近似表示为式中：lc、rc、Δlc——衔铁的长度、半径和位移量；　　l、r——线圈的长度和半径(通常要求螺管线圈 )；　　μr——导磁体相对磁导率。 　　为了提高灵敏度与线性度，多采用差动螺管式自感传感器，其结构如图5.5(c)所示，磁场强度分布曲线如图5.5(d)所示。设衔铁长度为2lc、半径为rc，线圈长度为2l、半径为r，当衔铁向左或向右移动Δlc时，两个线圈的自感变化量ΔL1与ΔL2大小相等、符号相反，总自感变化量为 　　差动螺管式自感传感器的自感变化量ΔL与衔铁的位移量Δlc成正比，其灵敏度比单线圈螺管式提高一倍。它具有以下特点：　　(1) 线性范围和量程较大，但空气隙大、磁路磁阻大，其灵敏度较低；　　(2) 磁路大部分为空气，易受外界磁场干扰；　　(3) 为达到一定的自感量，线圈的匝数较多，线路分布电容大；　　(4) 线圈的骨架尺寸和形状必须稳定，否则会影响其线性和稳定性；　　(5) 制造装配方便，批量生产的互换性强，应用越来越多。 5.1.3　信号调理电路　　1. 调幅电路　　1) 变压器电桥　　图5.6(a)所示为变压器电桥原理图，Z1和Z2为传感器两个线圈的阻抗，接在