2010-17-18变磁阻式传感器1.ppt

17-18学时第3章 变阻抗式传感器原理与应用 (1) 1.自感式传感器的工作原理 自感式传感器的输出特性分析 自感式传感器的测量电路 F 气隙变小，电感变大，电流变小 将(2)、(3)式代入(1)式, 考虑到一般导磁体的导磁率远大于空气的导磁率(大数千倍乃至数万倍), 即有 若将(4)式微分得到电感量的变化为： 3. 变面积式电感传感器 同理，若保持δ为常数，则L=?（ S）。这种传感器 由于结构限制，量程做得也不大，所以在工业中也 很少用。 第5章 变磁阻式传感器 本学时主要讲解内容： 工程测试技术 一.概述 变阻抗式传感器是利用线圈电感或互感的改变来实现非电量的测量的一种传感器,它根据工作原理的不同,可分为变磁阻式,变压器式和电涡流式等种类.它可以把位移,振动,压力,流量,比重等参数转换为线圈的自感系数L和互感系数M,再通过测量电路将L,M转换成电压或电流信号. 电磁感应 被测非电量 自感系数L 互感系数M 测量电路 U、I、f 下面主要以自感式(变磁阻)传感器为例来加讲解. 220V 实验图片： 二. 自感式传感器的工作原理 线圈与交流电表串联, 用频率和幅值一定的交流电压U作电源。 当衔铁移动时, 线圈的电感变化, 引起电路中电流改变. F 1. 自感式传感器的工作原理 自感式传感器是把被测量变化,转换成自感L 的变化,通过一定的转换电路将其转换成电压 或电流输出. 主要是用来测量位移或者是可以 转换成位移的被测量,如振动,厚度,压力等。它 的结构原理图如下图所示。 它由线圈1、铁芯2和衔铁3三部分组成, 在铁芯和衔铁之间留有空气隙δ。被测物与衔铁相连, 当被测物移动时通过衔铁引起空气隙δ变化, 改变磁路的磁阻, 使线圈电感量变化。 设线圈的匝数为W, 流过线圈的电流为I（A）, 磁路磁通为Φ(Wb), 则根据电感定义，它的数学表达式如下: 图3.1 W （1） 根据磁路定理 (2） 式中, R1、R2和Rδ分别为铁芯、衔铁和空气隙的磁阻。 (3) 式中,l1、l2和δ分别为磁通通过铁芯、衔铁和气隙的长度(m), S1、S2和S分别为铁芯、衔铁和气隙的横截面积(m2), μ1、μ2和μ0分别为铁芯、衔铁和空气的导磁率(H/m)。 μ0=4π×10-7 H/m。 w = WI Rm 得 由上式可见, 若线圈匝数结构确定之后, 只要气隙长度δ和气隙截面S二者之一发生变化, 传感器的电感量就会发生变化。 因此, 有变气隙长度和变气隙截面电感传感器之分。 若S为常数，则L=?（ δ）即电感L是气隙长度δ的函数。则称为变气隙式自感传感器 （4） W 则 Rm≈ 2δ μ0? （5） 可见, 测得电感量的变化ΔL即可得知衔铁(即待 测物)位移的大小Δδ。 W 2.自感式传感器的输出特性分析 L与δ成反比，具有非线性误差. 下面以变气隙长度δ的传感器为例加以分析这种传感器的输出特性. δ 线圈 铁芯 衔铁 Δδ 衔铁在初始位置时: 当衔铁下移 这时的电感量为: 电感的变化量为: 电感的相对变化量为: 灵敏度 对上式作线性处理忽略高次项得： 同理若衔铁上移 这时的电感量为: 电感的变化量为: 对上式作线性处理忽略高次项得： 由上分析可以看出： 当作线性处理忽略高次项时, ΔL才与Δδ成比例关系。 所以存在非线性误差，当然, Δδ/δ0 越小, 高次项迅速减小, 非线性可得到改善。这又会使传感器的量程变小。 所以, 对输出特性线性度的要求和对测量范围的要求是相互矛盾的, 一般对变气隙长度的传感器, 取Δδ/δ0=0.1~0.2。因而只能用于微小位移的测量。 灵敏度 三.差动式自感传感器的工作原理 1.概述: 由于变间隙式自感传感器存在非线性误差,所以在实际使用中，常采用差动变间隙自感传感器.如下图所示: δ 衔铁 R1 R2 L2 L1 两个线圈的电气参数和几何尺寸要求完全相同。这种结构可以大大改善线性. 下图是变气隙型、变面积型及螺管型三种类型的差动式自感传感器的结构示意图。当衔铁3移动时，一个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减少，形成差动形式。 图3-3 差动式自感传感器 1-线圈 2-铁芯 3-衔铁 4-导杆 （a） 变气隙型 4 3 2 1 3 1 4 1 2 3 4 4 （b） 变面积型 （c） 螺管型 2. 原理分析: δ 衔铁 R1 R2 L2 L1 由于二线圈结构完全对称,所以在初始平衡位置时： 设衔铁下移： 用泰勒级数展开: 可见:上式中也存在一定的非线性,但不存在偶次项，显然差动式自感传感器的非线性误差在±Δδ工