Xie第三章(6)电感式传感器.ppt

第三章 传感器基本原理（5）?电感式传感器 内容提要： 电感式传感器概述 自感式传感器 差动变压器式传感器 电涡流式传感器 电感式传感器的应用 1.电感式传感器概述 利用电磁感应原理，将被测的物理量（如位移、压力、流量、振动等）转换成线圈的自感系数L或互感系数M的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出，实现由非电量到电量转换的装置。 种类： 自感式传感器：将非电量转换成自感系数变化 差动变压器式传感器：将非电量转换成互感系数变化 电涡流式传感器：利用电涡流效应将非电量转换成线圈的电感或阻抗变化 2.自感式传感器 由衔铁、铁芯和匝数为W的线圈构成。 主要用来测量位移或可以转换成位移的被测量。 磁阻RM包括铁芯、衔铁的磁阻和空气隙的磁阻，即 铁磁材料各段的磁阻之和 空气隙的磁阻R?为： 则电感L为： 因为铁磁材料其磁阻与空气隙磁阻相比较小，计算时可忽略不计, 传感器测量物理量时衔铁的运动部分产生位移，导致线圈的电感值发生变化，线圈的电感L为： 当线圈及铁芯一定时，W为常数，如果改变?或S时，L值会引起相应变化。电感传感器利用这一原理做成。 电感传感器是一个带铁芯的可变电感，由于线圈的铜耗、铁芯的涡流损耗、磁滞损耗以及分布电容的影响，它并非呈现纯电感。 自感式传感器的等效电路 等效电路中L为电感，Rc为铜损电阻，Re电涡流损耗电阻，磁滞损耗电阻Rh，C为传感器等效电路的等效电容。 当电感传感器确定后，这些参数即为已知量。 忽略分布电容且不考虑各种损耗时，电感传感器阻抗Z为： 当考虑并联分布电容时，阻抗Zs为： 考虑分布电容时，电感传感器的有效串联电阻和有效电感都增加了，而线圈的有效品质因数却减小，此时，电感传感器有效灵敏度为： 考虑分布电容后，电感传感器的灵敏度增加了。因此，必须根据测试时所用电缆长度对传感器进行标定，或者相应调整并联电容。 品质因数Q为： 当电感传感器Q值高时，即1/Q21 K = 常见的自感式传感器 变间隙式 变面积式 螺管式 自感式传感器的结构类型及特性 变间隙式电感传感器 线圈电感与气隙长度的关系为非线性关系，非线性度随气隙变化量的增大而增大，只有当??很小时，忽略高次项的存在，可得近似的线性关系。所以，单边变间隙式电感传感器存在线性度要求与测量范围要求的矛盾。 线圈电感的相对变化量为： 若??/?0 1，可得 同理可得当衔铁向下移动时的?L/L0为： 衔铁移动时，空气隙将从原始的?0发生???的变化。 电感增量为： 若使得衔铁向上移动取为-??，电感为： 泰勒级数展开 变面积式电感传感器 起始状态时，铁芯当衔铁随被测量上、下移动时，S=(a-x)h与衔铁在气隙出正对着，截面积为S?0=ah。线圈电感L为： 线圈电感L与面积S（或x）呈线性关系，灵敏度k为一常数，即 正确选择线圈匝数、铁芯尺寸可提高灵敏度。一般选用差动式结构更好。 螺线管式电感传感器 由螺线管形线圈、磁性材料制成的柱形铁芯和外套组成。 L和x呈线性关系，灵敏度K为： 当l/r1时，可认为管内磁感应强度为均匀分布。 当x1时，可推得线圈的电感量L为: 设线圈长度和平均半径分别为l和r，铁芯进入线圈的长度和铁芯半径分别为x和ra，铁芯有效磁导率为?0。 3.差动变压器式传感器 差动变压器上下两只铁芯上均有一个初级线圈W1(也称励磁线圈)和一个次级线圈W2(也叫输出线圈)。上下两个初级线圈串联后接交流励磁电源Usr，两个次级线圈则按电势反相串联。 工作原理：当衔铁处于中间位置时，?1＝ ?2，初级线圈中产生交变磁通?1和?2 ，在次级线圈中便产生交流感应电势。由于两边气隙相等，磁阻相等，所以?1＝ ?2 ，次级线圈中感应出的电势e21=e22，由于次级是按电势反相连接的，结果输出电压Usc=0。当衔铁偏离中间位置时，两边气隙不等(即?1 ??2)，次级线圈中感应的电势不再相等(即e21?e22)，便有电压Usc输出。Usc的大小及相位取决于衔铁的位移大小和方向。 分析差动变压器式传感器的输出特性 初级线圈的电流为： 当有气隙变化??时，两个初级线圈的电感值分别为： 次级线圈的输出电压Usc为两个线圈感应电势之差： 感应电势分别为： 初始时，初级线圈的阻抗分别为： M1及M2为初级与次级之间的互感系数，其值分别为： 设初级、次级线圈的匝数分别为W1、W2，当有气隙时，传感器的磁回路中的总磁阻近似值为R。 初始状态时，初级线圈电感为： 上下两个磁系统中的磁通， 代入式中得： 忽略??2，整理式子得， 当?R时， 传感器的灵敏度为： 差动变压器式传感器的特性几乎完全是线性的，灵敏度不仅取决于磁系统的结构参数，同时取决于初、次级线圈的匝数比及激磁电源电压的大小，可