3.1变电抗式传感器

第3章变电抗式传感器 3 1自感式传感器 3 2差动变压器式传感器3 3电涡流式传感器 磁路与电路的对比 电感式传感器的工作基础 电磁感应即利用线圈电感或互感的改变来实现非电量测量 分为变磁阻式 变压器式 涡流式等特点 工作可靠 寿命长灵敏度高 分辨力高精度高 线性好性能稳定 重复性好 3 1自感式传感器 变磁阻式 3 1 1工作原理 变磁阻式传感器由线圈 铁芯和衔铁三部分组成 铁芯和衔铁由导磁材料制成 在铁芯和衔铁之间有气隙 传感器的运动部分与衔铁相连 当衔铁移动时 气隙厚度 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 因此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 线圈中电感量可由下式确定 根据磁路欧姆定律 式中 Rm为磁路总磁阻 3 2 3 1 气隙很小 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 3 3 通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻 即 3 4 则式 3 3 可写为 3 5 联立式 3 1 式 3 2 及式 3 5 可得 3 6 上式表明 当线圈匝数为常数时 电感L仅仅是磁路中磁阻Rm的函数 改变 或A0均可导致电感变化 因此变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度 的传感器和变气隙面积A0的传感器 目前使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器 3 1 2输出特性 L与 之间是非线性关系 特性曲线如图3 2所示 图3 2变隙式电压传感器的L 特性 分析 当衔铁处于初始位置时 初始电感量为 3 7 当衔铁上移 时 传感器气隙减小 即 0 则此时输出电感为 3 8 当 0 1时 台劳级数 3 9 可求得电感增量 L和相对增量 L L0的表达式 即 3 10 3 11 同理 当衔铁随被测体的初始位置向下移动 时 有 3 12 3 13 对式 3 11 3 13 作线性处理 即忽略高次项后 可得 3 14 灵敏度为 可见 变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾 因此变隙式电感式传感器适用于测量微小位移的场合 3 15 与 衔铁上移切线斜率变大 衔铁下移切线斜率变小 与线性度 衔铁上移 衔铁下移 无论上移或下移 非线性都将增大 图3 3差动变隙式电感传感器 为了减小非线性误差 实际测量中广泛采用差动变隙式电感传感器 衔铁上移 两个线圈的电感变化量 L1 L2分别由式 3 10 及式 3 12 表示 差动传感器电感的总变化量 L L1 L2 具体表达式为 对上式进行线性处理 即忽略高次项得 灵敏度K0为 比较单线圈式和差动式 差动式变间隙电感传感器的灵敏度是单线圈式的两倍 差动式的非线性项 忽略高次项 单线圈的非线性项 忽略高次项 由于 0 1 因此 差动式的线性度得到明显改善 3 1 3变面积式自感传感器 3 1 3变面积式自感传感器 传感器气隙长度保持不变 令磁通截面积随被测非电量而变 设铁芯材料和衔铁材料的磁导率相同 则此变面积自感传感器自感L为 灵敏度 变面积式自感传感器在忽略气隙磁通边缘效应的条件下 输入与输出呈线性关系 因此可望得到较大的线性范围 但是与变气隙式自感传感器相比 其灵敏度降低 上一页 返回 下一页 3 1 4螺线管式自感传感器 1 螺线管线圈 2 螺线管线圈 3 骨架 4 活动铁芯 L10 L20 分别为线圈 的初始电感值 上一页 返回 下一页 当铁芯移动 如右移 后 使右边电感值增加 左边电感值减小 根据以上两式 可以求得每只线圈的灵敏度为 两只线圈的灵敏度大小相等 符号相反 具有差动特征 式 3 1 21 和式 3 1 24 可简化为 上一页 返回 下一页 3 1 5自感式传感器测量电路 1 调幅电路2 调频电路3 调相电路4 自感传感器的灵敏度 上一页 返回 下一页 3 1 5测量电路 电感式传感器的测量电路有交流电桥式 变压器式交流电桥以及谐振式等 1 交流电桥式测量电路 当衔铁下移时 图3 5变压器式交流电桥 2 变压器式交流电桥 电桥两臂Z1 Z2为传感器线圈阻抗 另外两桥臂为交流变压器次级线圈的1 2阻抗 当负载阻抗为无穷大时 桥路输出电压 当传感器的衔铁处于中间位置 即Z1 Z2 Z 此时有 电桥平衡 当传感器衔铁上移 如Z1 Z Z Z2 Z Z 3 25 当传感器衔铁下移 如Z1 Z Z Z2 Z Z 此时 3 26 可知 衔铁上下移动相同距离时 输出电压相位相反 大小随衔铁的位移而变化 由于是交流电压 输出指示无法判断位移方向 必须配合相敏检波电路来解决 3 相敏检波电路 当衔铁偏离中间位置而使Z2 Z Z增加 则Z1 Z Z减少 这时当电源u上端为正 下端为负时 阻R1上的压小于R2上的压降 当u上端为负 下端为正时 R2上压降则小于R1上的压降 压表V输出上端为负 下端为正 上一页 返回 下一页 非相敏整流和相敏整流电路输出电压比较 a 非相敏整流电路 b 相敏整流电路 使用相敏整流 输出电压U0不仅能反映衔铁位移的大小和方向 而且还消除零点残余电压的影响 上一页 返回 下一页 4 谐振式测量电路 分为 谐振式调幅电路和谐振式调频电路 调幅电路特点 此电路灵敏度很高 但线性差 适用于线性度要求不高的场合 2 调频电路 振荡频率 当L变化时 振荡频率随之变化 根据f的大小即可测出被测量的值 具有严重的非线性关系 3 调相电路 传感电感变化将引起输出电压相位变化 上一页 返回 下一页 4 自感传感器的灵敏度 上一页 返回 下一页 传感器结构灵敏度转换电路灵敏度 总灵敏度 第一项决定于传感器的类型第二项决定于转换电路的形式第三项决定于供电电压的大小 气隙型 变压器电桥传感器 传感器灵敏度的单位为mV m V 电源电压为1V 衔铁偏移1 m时 输出电压为若干毫伏 上一页 返回 下一页 3 1 6自感式传感器应用举例 1 自感式位移传感器2 自感式压力传感器 上一页 返回 下一页 3 1 6变磁阻式传感器的应用 图3 8变隙电感式压力传感器结构图 当压力进入膜盒时 膜盒的顶端在压力P的作用下产生与压力P大小成正比的位移 于是衔铁也发生移动 从而使气隙发生变化 流过线圈的电流也发生相应的变化 电流表A的指示值就反映了被测压力的大小 图3 10变隙式差动电感压力传感器 当被测压力进入C形弹簧管时 C形弹簧管产生变形 其自