自感式电感传感器

电阻应变片的电路思考 电桥恒压源供电与恒流源供电有什么区别 单臂电桥能否进行某种改造 消除环境温度变化的影响 传感器与检测技术 自感式电感式传感器 电感式传感器 主要内容变磁阻式传感器工作原理与等效电路输出特性分析信号调节电路差动变压器工作原理与等效电路基本特性信号调节电路 电感式传感器 什么是电感式传感器 电感式传感器是利用电磁感应原理 将被测量转换成线圈自感或互感的变化 从而进一步转换为电路中电压或电流的变化来实现非电量测量的一类传感器 根据工作原理的不同 可分为变磁阻式 变压器式和涡流式传感器等主要类型 可实现位移 振动 压力 流量 比重等参数的测量 电感式传感器 电感式传感器的一般工作流程 被测物理量 自感或互感系数变化 电压或电流的变化对被测物理量的认识过程 测得输出电压或电流的变化 依据一定的规律推知自感或互感量的变化 依据一定的规律推知被测物理量的变化 电感式传感器 电感式传感器的主要特点工作可靠 寿命长灵敏度高 分辨率高位移变化 0 01 m角度变化 0 1 精度高 线性好性能稳定 重复性好电感式传感器的缺点存在交流零位信号不适于高频动态信号测量 变磁阻式传感器 工作原理当衔铁部分随被测物理量产生上下位移时 衔铁与铁芯之间的气隙发生变化 导致磁路的磁阻发生变化 从而使线圈的电感值发生改变 图示传感器的实质是一个具有可变气隙的铁芯线圈 气隙的改变将带来线圈自感L的变化 变磁阻式传感器 线圈的电感值式中 W 线圈的匝数 RM 磁路的总磁阻 如果气隙厚度较小 且不考虑磁路铁损 变磁阻式传感器 线圈电感L为忽略铁芯与衔铁磁阻 则线圈电感为 变磁阻式传感器 变磁阻式传感器的电感量与气隙厚度 截面积和磁导率有关变气隙厚度的电感式传感器灵敏度高 是最常用的电感式传感器输出特性非线性变气隙面积的电感式传感器灵敏度低输出特性为线性特性常用于角位移测量变铁芯磁导率的电感式传感器利用铁磁材料的压磁效应 改变磁导率主要用于各种力的测量 变磁阻式传感器 等效电路电感L线圈内的磁场强度H磁感应强度B总磁通量 线圈的自感系数L 变磁阻式传感器 电阻Rc线圈直径为d 电阻率为 c W匝 电阻为耗散因数Dc为式中由线圈损耗电阻Rc引起的电感耗散因数Dc与频率f成反比 品质因数和耗散因数 品质因数存储于元件中的能量与元件中消耗的能量之比耗散因数元件中消耗的能量与存储的能量之比 线圈的耗散因数D和品质因数Q 串联并联 变磁阻式传感器 涡流损耗电阻Re由涡流损耗电阻Re引起的耗散因数De磁滞损耗电阻Rh引起的耗散因数DhDh与气隙有关 气隙越大 Dh越小 Dh不随频率变化 变磁阻式传感器 耗散因数D和品质因数Q耗散因数D品质因数Q线圈的品质因数Q为耗散因数D的倒数 变磁阻式传感器 有并联寄生电容C的电感线圈线圈阻抗Zs有效灵敏度为 输出特性分析 具有铁芯及小气隙的电感式传感器电感线圈的电感L为对已知线圈 输出特性分析 若气隙减小 则电感量增加 L电感的相对变化为 输出特性分析 若 可展开为若气隙增加 电感减小 有差动形式可以将非线性程度减小 输出特性分析 若气隙变化极小 则此时输出特性为线性单个线圈与差动连接时传感器的输出特性如右图所示 输出特性分析 螺管式电感传感器工作原理建立在线圈泄漏路径中的磁阻变化原理上 线圈的电感与铁芯插入线圈的深度有关沿着有限长线圈的轴向磁场强度的分布不均匀螺管式电感传感器只有铁芯工作在线圈中段才有希望获得较好的线性关系 此时磁场强度的变化比较小通常铁芯长度选择在0 6L左右 螺管式线圈沿轴向磁场强度分布曲线 电感传感器的信号调节电路 电感传感器的测量电路有交流分压器式 交流电桥式和谐振式等几种 差动式电感传感器常用电桥电路作为信号调节电路差动式电感传感器的电桥电路如右图所示 电感传感器的信号调节电路 A点电位B点电位输出电压平衡条件 电感传感器的信号调节电路 当铁芯向下移动时当铁芯向上移动时 电感传感器的信号调节电路 输出电压需进行整流 滤波处理使用无相位鉴别的整流时 不能辨别铁芯位移的方向残余电压是线圈损耗电阻不平衡引起的 与频率有关输入电压有谐波时 常引起残余电压使用有相位鉴别的整流时 输出电压的极性可以指示铁芯位移的方向 影响传感器精度的因素分析 影响传感器精度的因素主要分两个方面外界工作环境的影响温度变化电源电压的波动电源频率的波动等传感器本身特性固有的影响线圈电感与衔铁位移之间的非线性交流零位信号的存在等 影响传感器精度的因素分析 电源电压和频率的波动影响电源电压波动直接影响传感器的输出电压电源电压波动引起铁芯磁感应强度和导磁率的改变 从而使铁芯磁阻发生变化电源频率的波动会使线圈感抗变化严格对称的交流电桥可补偿频率波动影响温度变化的影响零部件尺寸改变气隙的改变影响灵敏度和线性度线圈电阻和铁芯导磁率的变化 影响传感器精度的因素分析 非线性特性的影响传感器的线圈电感与气隙厚度之间的非线性特性是造成输出特性非线性的主要原因改善非线性的方法采用差动式结构限制衔铁的最大位移量输出电压与电源电压之间的相位差正交分量导致波形失真消除或抑制正交分量的方法采用相敏整流电路传感器有较高的品质因数Q值 影响传感器精度的因素分析 电桥的残余不平衡电压 零位误差零位信号产生的原因差动式电感线圈的电气参数及导磁体的几何尺寸不可能完全对称传感器具有铁损 即磁芯化曲线的非线性 电源电压中含有高次谐波线圈具有寄生电容 线圈与外壳 铁芯间有分布电容零位信号的危害降低测量精度削弱分辨力