第4章电感式传感器选读.ppt

第4章 电感式传感器 概述 电感式传感器是利用电磁感应原理，将被测量（如位移、压力、流量、重量、振动等）转换成线圈自感量L或互感量M的变化，由测量电路转换为电压或电流的变化输出的装置。 优点:结构简单，工作可靠寿命长，测量精度高，零点稳定，输出功率较大等。 缺点:灵敏度、线性度和测量范围相互制约，传感器自身频率响应低，不适用于快速动态测量。 电感式传感器种类很多，有利用自感原理的自感式传感器，利用互感原理做成的差动变压器式传感器，还有利于涡流原理的涡流式传感器、利用压磁原理的压磁式传感器等 本章主要介绍自感式、互感式和电涡流式三种传感器。 4.1 变磁阻式传感器 1-线圈；2-铁芯（定铁芯）；4-衔铁（动铁芯） 4.1 变磁阻式传感器 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，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。 电路的磁阻指由于电流引起的链合磁通量。根据电感定义，线圈中电感量可由下式确定： 4.1 变磁阻式传感器 上式中： Ψ——线圈总磁链； I ——通过线圈的电流； N——线圈的匝数； Φ——穿过线圈的磁通。 由磁路欧姆定律，得磁通表达式： ——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。 4.1 变磁阻式传感器 若忽略磁路磁损，则磁路总磁阻为: 式中： ——铁芯材料的导磁率(H/m)； ——衔铁材料的导磁率(H/m)； ——磁通通过铁芯的长度(m)； ——磁通通过衔铁的长度(m)； ——铁芯的截面积( )； ——衔铁的截面积( )； ——空气的导磁率(4π× H/m)； ——气隙的截面积( )； δ ——气隙的厚度(m)。 4.1 变磁阻式传感器 通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻，即： 则可近似认为： 联立前几式，可得 4.1 变磁阻式传感器 上式表明，当线圈匝数为常数时，电感L仅仅是磁路中磁阻 的函数，只要改变δ或 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 的传感器。 使用最广泛的是变气隙厚度δ式电感传感器。 4.1 变磁阻式传感器 4.1.2 等效电路 4.1 变磁阻式传感器 变磁阻式传感器通常都具有铁心线圈或空心线圈。将传感器线圈等效成上图所示电路: 1．铜损电阻 ：取决于导线材料及线圈几何尺寸。 2．涡流损耗电阻Re：由频率为f的交变电流激励产生 的交变磁场，会在线圈铁心中造成涡流及磁滞损。 4.磁滞损耗电阻 ：铁磁物质在交变磁化时，磁分子来回翻转克服阻力，类似摩擦生热的能量损耗。 4．并联寄生电容C的影响：并联寄生电容主要由线圈绕组的固有电容与电缆分布电容所构成。 4.1 变磁阻式传感器 为便于分析，先不考虑寄生电容C，并将上图中的线圈电感与并联铁损电阻等效为串联铁损电阻Re′与串联电感L′的等效电路，如下图所示。 这时Re′和L′的串联阻抗应该与Re和L的并联阻抗相等，即： 4.1 变磁阻式传感器 4.1.3 输出特性 设电感传感器初始气隙为 ，初始电感量为 ，衔铁位移引起的气隙变化量为Δδ，可知L与δ之间是非线性关系，特性曲线如图所示，初始电感量为： 4.1 变磁阻式传感器 当衔铁上移Δδ时，传感器气隙减小Δδ， 即 ，则此时输出电感为 ，代人上式整理得： 当 时，可将上式用泰勒级数展开成级数形式为 由上式可求得电感增量 和相对增量 的表达式，即： 4.1 变磁阻式传感器 当衔铁下移Δδ时，传感器气隙增大Δδ，即 ，则此时输出电感为 整理，得： 线性处理，忽略高次项，可得： 4.1 变磁阻式传感器 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，所以变隙式电感式传感器用于测量微小位移时是比较精确的。 4.1.4 测量电路 电感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。 4.1 变磁阻式传感器 1．交流电桥式测量电路 图为输出端对称交流电桥测量电路，把传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂 和