力敏传感器2.ppt

* 第二节? 电感式传感器（变磁阻） 自感式传感器 气隙型自感传感器 螺管型自感传感器 自感线圈的等效电路 测量电路 差动变压器 结构原理与等效电路 误差因素分析 测量电路 应用 电涡流式传感器 定义：是一种利用线圈自感和互感的变化实现非电量电测的装置。 感测量：位移、振动、压力、应变、流量、比重等。 种类：根据转换原理，分自感式和互感式两种； 根据结构型式，分气隙型、面积型和螺管型。 优点： ①结构简单、可靠，测量力小 衔铁为0.5～200×10-5N时，磁吸力为(1~10)×10-5N。 ②分辨力高 机械位移：0.1μm，甚至更小；角位移：0.1角秒。 输出信号强，电压灵敏度可达数百mV/mm 。 ③重复性好，线性度优良 在几十μm到数百mm的位移范围内，输出特性的线性度较好，且比较稳定。 不足：存在交流零位信号，不宜于高频动态测量。 一、 自感式传感器 有气隙型和螺管型两种结构。 （一）气隙型自感传感器 1、工作原理 组成：线圈1，衔铁3和铁芯2等。 图中点划线表示磁路，磁路中空气隙总长度为lδ 。 0.5lδ 1 2 3 x (a)气隙式 (b)变截面式 N：线圈匝数；Rm：磁路总磁阻(铁芯与衔铁磁阻和空气隙磁阻) 气隙式自感传感器，因为气隙较小(lδ为0.1～1mm)，所以，认为气隙磁场是均匀的，若忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为 l1：铁芯磁路总长；l2：衔铁的磁路长；S：隙磁通截面积； S1：铁芯横截面积；S2：衔铁横截面积；μ1：铁芯磁导率； μ2：衔铁磁导率；μ0：真空磁导率，μ0=4π×10-7H／m； lδ：空气隙总长。 由磁路基本知识知，线圈自感为 由于自感传感器的铁芯一般在非饱和状态下，其磁导率远大于空气的磁导率，因此铁芯磁阻远较气隙磁阻小，所以上式可简化为 可见，自感L是气隙截面积和长度的函数，即L＝f(S,lδ) 如果S保持不变，则L为lδ的单值函数，构成变隙式自感传感器；若保持lδ不变，使S随位移变化，则构成变截面式自感传感器。其特性曲线如图。 L=f（S） L=f（lδ） lδ L S L=f(lδ)为非线性关系。当lδ＝0时，L为∞，考虑导磁体的磁阻，当lδ＝0时，并不等于∞，而具有一定的数值，在lδ较小时其特性曲线如图中虚线所示。如上下移动衔铁使面积S改变，从而改变L值时,则L＝f(S)的特性曲线为一直线。 2、特性分析 主要特性:灵敏度和线性度。当铁芯和衔铁采用同一种导磁材料，且截面相同时，因为气隙lδ一般较小，故可认为气隙磁通截面与铁芯截面相等，设磁路总长为 l ，则 K=μ0N 2S 一般μr1，所以 当气隙减少△lδ时 自感的相对变化 同理，当总气隙长度增加Δlδ时，自感减小为ΔL2，即 若忽略高次项，则自感变化灵敏度为 线性度 lδ L ΔL1 ΔL2 L0 lδ0 ①当气隙lδ发生变化时，自感的变化与气隙变化均呈非线性关系，其非线性程度随气隙相对变化Δlδ/lδ的增大而增加； ②气隙减少Δlδ所引起的自感变化ΔL1与气隙增加同样Δlδ所引起的自感变化ΔL2并不相等，即ΔL1＞ΔL2，其差值随Δlδ/lδ的增加而增大。 差动变气隙式自感传感器结构由两个电气参数和磁路完全相同的线圈组成。当衔铁3移动时，一个线圈的自感增加，另一个线圈的自感减少，形成差动形式。如将这两个差动线圈 E USC 1 3 4 2 Ⅰ Ⅱ R R (l-Δ lδ)/2 (l-Δ lδ)/2 分别接入测量电桥邻臂，则当磁路总气隙改变Δlδ时，自感相对变化为 ①差动式自感传感器的灵敏度比单线圈传感器提高一倍 ②差动式自感传感器非线性失真小,如当Δlδ/lδ=10％时 (略去l／lδ·μr), 单线圈δ＜10％；而差动式的δ＜1％。 75 50 25 0 50 75 100 L/mH lδ/mm 100 25 LD 4 3 2 1 Ⅰ Ⅱ 1 2 3 4 -Δ lδ Δ lδ 对差动气隙式传感器其Δlδ/lδ与l/(lδμr)的变化受到灵敏度和非线性失真相互矛盾的制约,因此只能适当选取。一般差动变隙式自感传感器Δlδ/lδ＝0.1～0.2时，可使传感器非线性误差在3％左右。其工作行程很小,若取lδ＝2mm,则行程为(0.2—0.5)mm；较大行程的位移测量,常利用螺管式自感传感器 1 线圈Ⅰ自感特性； 2 线圈Ⅱ自感特性；3 线圈Ⅰ与Ⅱ差动自感特性；4 特性曲线 差动式自感传感器的输出特性 r x 螺旋管 铁心 单线圈螺管