第5章 电感式传感器.ppt

第5章 电感式传感器 引言 电感式传感器是一种建立在电磁感应基础上的，利用线圈的自感L和互感M的变化来实现测量的一种装置。测量时被测物理量引起线圈的自感或互感变化，再由测量电路转换成电压或电流的变化量输出。 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。 第一节 自感式传感器 一、结构和工作原理 1.结构: 线圈、铁芯和衔铁。 2.原理：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。 三、差动自感传感器 2. 工作原理： 初始状态时，衔铁位于中间位置，两边气隙宽度相同，电桥平衡，输出电压Uo=0; 当衔铁偏离中心位置，两边气隙宽度发生变化，一增一减； 差动自感传感器电感量的变化量为： 差动式自感传感器的灵敏度，再忽略高次项后得到： 四、测量电路 1. 交流电桥式测量电路 结构：如图 原理： 初始位置，衔铁位于中间这时δ1 =δ2 =δ0 ，因此： 电桥输出电压为 3. 相敏检波电路 结构：如图 原理： 当衔铁位于中心位置 当衔铁向上移动 当衔铁向下移动 第二节 互感式传感器 互感式传感器是把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化的传感器。它根据变压器的基本原理制成，并且次级绕组都用差动形式连接，故又称为差动变压器式传感器。 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，但其工作原理基本一样。 非电量测量中，应用最多的是螺线管式差动变压器，它可以测量1～100mm范围内的机械位移，并具有测量精度高，灵敏度高，结构简单，性能可靠等优点。 一、结构与工作原理 1. 结构 两个初级绕组线圈1和线圈2的同名端同相串联； 两个次级绕组线圈3和线圈4的同名端反相串联； 为家在初级绕组的激励电压， 为输出电压 2. 工作原理 当衔铁位于中间位置时，M1=M2， , ; 当衔铁向上移动时， M1M2， , ; 当衔铁向下移动时， M1M2， , ; 二、等效电路 差动变压器式传感器中两个次级线圈反向串联，并且在忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下，其等效电路如下图所示。 第三节 电涡流式变换原理 一、电涡流效应 1.工作原理 右图为电涡流式传感器的原理图，该图由传感器线圈和被测导体组成线圈—导体系统。 第四节 电感式传感器的应用 二、等效电路分析 根据基尔霍夫第二定律，可列出如下方程： 式中： —线圈激磁电流角频率； —线圈电阻和电感； —短路环等效电感； —短路环等效电阻； —互感系数。 解得等效阻抗Z的表达式为： 式中： —线圈受电涡流影响后的等效电阻； —线圈受电涡流影响后的等效电感。 线圈的等效品质因数Q值为： 由Z的表达式可知，由于涡流的影响，线圈阻抗的实数部分增大，虚数部分减小，因此线圈Q值下降。 Page ? * 医学仪器教研室 1-线圈； 2-铁芯（定铁芯）； 3-衔铁（动铁芯） 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： 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。 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)。 通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻，即： 和 则可近似认为： 联立前几式，可得 上式表明，