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文档简介

1、A,1,第4章 电感式传感器,4.1 变磁阻式传感器 4.2 差动变压器式传感器 4.3 电涡流式传感器,A,2,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,A,3,4.1 变磁阻式传感器(自感式),4.1.1 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。,A,4,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

2、这种电感量的变化,就能确定衔铁位移量的大小和方向。,A,5,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。,(4-1),(4-2),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,(4-3),A,6,通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻, 即,(4-4),则式(4-3)可写为,(4-5),联立式(4-1)、 式(4-2)及式(4-5), 可得,(4-6),A,7,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

3、是变气隙厚度式电感传感器。 ,A,8,4.1.2 输出特性 L与之间是非线性关系, 特性曲线如图5-2所示。,图4-2 变隙式电压传感器的L-特性,A,9,分析: 当衔铁处于初始位置时,初始电感量为,(4-7),当衔铁上移时,传感器气隙减小,即=0, 则此时输出电感为,(4-8),A,10,当/01时(台劳级数):,(4-9),可求得电感增量L和相对增量L/L0的表达式,即,(4-10),(4-11),A,11,同理,当衔铁随被测体的初始位置向下移动时,有,(4-12),(4-13),对式(4-11)、(4-13)作线性处理,即忽略高次项后,可得,(4-14),A,12,灵敏度为,可见:变间隙

4、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。,(4-15),A,13,与,衔铁上移 切线斜率变大,衔铁下移 切线斜率变小,A,14,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。,A,15,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。,A,16,衔铁上移:两个线圈的电感变化量L1、L2分别由式(4-10)及式(4-12)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,A,17,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

5、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/00,不论u0与uy是正半周还是负半周,负载电阻RL两端得到的电压始终为正。 当x0时:u0与uy为同频反相。 不论u0与uy是正半周还是负半周,负载电阻RL两端得到的输出电压表达式总是为,A,54,A,55,4. 差动变压器式传感器的应用 可直接用于位移测量,也可以测量与位移有关的任何机械量,如振动、加速度、应变、比重、张力和厚度等。 ,A,56,电感式滚珠直径分选装置 实现按滚珠直径大小分类并计数,A,57,图4.22 差动变压器式加速度传感器原理图,差动变压器式加速度传感器:由悬臂梁和

6、差动变压器构成。测量时,将悬臂梁底座及差动变压器的线圈骨架固定,而将衔铁的A端与被测振动体相连, 此时传感器作为加速度测量中的惯性元件,它的位移与被测加速度成正比,使加速度测量转变为位移的测量。当被测体带动衔铁以x(t)振动时,导致差动变压器的输出电压也按相同规律变化。,A,58,4.3 电涡流式传感器(互感式),4.3.1 工作原理,电涡流式传感器原理图 (a) 传感器激励线圈; (b) 被测金属导体,A,59,根据法拉第定律,当传感器线圈通以正弦交变电流I1时,线圈周围空间必然产生正弦交变磁场H1,使置于此磁场中的金属导体中感应电涡流I2,I2又产生新的交变磁场H2。 根据愣次定律, H2

7、的作用将反抗原磁场H1,由于磁场H2的作用,涡流要消耗一部分能量,导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。 线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。,A,60,式中, r为线圈与被测体的尺寸因子。 测量方法: 如果保持上式中其它参数不变,而只改变其中一个参数, 传感器线圈阻抗Z就仅仅是这个参数的单值函数。通过与传感器配用的测量电路测出阻抗Z的变化量,即可实现对该参数的测量。,Z=F(,r,f,x),传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的函数关系式为,A,61,4.3.2 基本特性,电涡流式传感器简化模型,A,62,电涡流传感器简化模型中,把在被测金属导体上形成的电涡流等效成一个短路环,即假

8、设电涡流仅分布在环体之内, 模型中h(电涡流的贯穿深度)可由下式求得:,式中, f为线圈激磁电流的频率。,A,63,电涡流式传感器等效电路图,A,64,根据简化模型,可画出等效电路图。图中R2为电涡流短路环等效电阻,其表达式为,根据基尔霍夫第二定律,可列出如下方程:,A,65,解得等效阻抗Z的表达式为,A,66,线圈的等效品质因数Q值为,可见:因涡流效应,线圈的品质因素Q下降。,A,67,4.3.3 电涡流传感器测量电路 主要有调频式、 调幅式电路两种。 1. 调频式电路,A,68,传感器线圈接入LC振荡回路,当传感器与被测导体距离x改变时,在涡流影响下,传感器的电感变化,将导致振荡频率的变化

9、,该变化的频率是距离x的函数,即f=L(x), 该频率可由数字频率计直接测量,或者通过f-V变换,用数字电压表测量对应的电压。 振荡器的频率为,为了避免输出电缆的分布电容的影响,通常将L、C装在传感器内。 此时电缆分布电容并联在大电容C2、C3上,因而对振荡频率f的影响将大大减小。,A,69,2. 调幅式电路 由传感器线圈L、电容器C和石英晶体组成。石英晶体振荡器起恒流源的作用,给谐振回路提供一个频率(f0)稳定的激励电流io,LC回路输出电压,式中, Z为LC回路的阻抗。,A,70,当金属导体远离或去掉时,LC并联谐振回路谐振频率即为石英振荡频率fo,回路呈现的阻抗最大, 谐振回路上的输出电压也最大;当金属导体靠近传感器线圈时,线圈的等效电感L发生变化,导致回路

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