第4章电感式1变磁阻式.

利用电磁感应原理将被测非电量，如位移、压力、流量、振动等转换成线圈自感系数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，这种装置称为电感式传感器。第4章电感式传感器第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4.1变磁阻式传感器4.1.1工作原理变磁阻式传感器的组成：线圈铁芯衔铁变磁阻式传感器S1l1L1W23l2±1—线圈；2—铁芯(定铁芯)；3—衔铁(动铁芯)S2铁芯和衔铁由导磁材料制成：1.硅钢片2.坡莫合金1.硅钢片硅的作用：提高铁的电阻率，增大磁导率,降低矫顽力、降低铁芯损耗（铁损）。2.坡莫合金坡莫合金：即铁镍合金。镍：近似银白色、硬而有延展性并具有铁磁性的金属元素,它能够高度磨光和抗腐蚀。在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为δ，传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度δ发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的L变化。只要能测出L的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。WLII由磁路欧姆定律，得mIWRRm为磁路总磁阻。121122002mllRSSSμ1——铁芯材料的导磁率（磁导率）；μ2——衔铁材料的导磁率；l1——磁通量通过铁芯的长度；l2——磁通量通过衔铁的长度；图4-1变磁阻式传感器结构原理图S1l1L1W23l2±1—线圈；2—铁芯(定铁芯)；3—衔铁(动铁芯)S2S1——铁芯的截面积；S2——衔铁的截面积；μ0——空气的导磁率；S0——气隙的截面积；δ—气隙的厚度。100112002222lSSlSS通常气隙磁阻远大于铁心和衔铁磁阻，即002mRSWLImIWR22002mWSWLR当线圈匝数为常数时，L仅仅是Rm的函数，改变δ或S0均可导致电感变化。变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度δ的变气隙式电感传感器和变气隙面积S0的变面积式电感传感器。目前使用最广泛的是变气隙式电感传感器。4.1.2自感式传感器类型及特性自感式传感器的类型：变气隙式电感传感器变面积式电感传感器螺线管式电感传感器单边式变气隙式电感传感器，L与δ之间是非线性关系2002WSL1.变气隙式电感传感器图4-3变隙式电压传感器的L-δ特性L＋0－0oL0L0＋LL0－L当衔铁处于初始位置时，初始电感量为200002SWL当衔铁上移Δδ时，20000002()1WSLLLL当Δδ/δ01时，用台劳（幂）级数展开0001LLLL2300001L23000011LL230000LL200001LL200001LL同理，当衔铁随被测体的初始位置向下移动Δδ时，有23000001LL23000001LL作线性处理，即忽略高次项后，00LL灵敏度为0001LLK001K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，因此该传感器适用于测量微小位移的场合。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。差动变隙式电感传感器sUL1L2RoRooU122131-铁心2-线圈3-衔铁2.变面积式电感传感器（a）（b）变面积式电感传感器结构示意图（a）单边式（b）差动式20()2WbLax单边式变面积式电磁传感器：3.螺线管式电感传感器4.1.3测量电路电感式传感器的测量电路的类型：交流电桥式变压器式交流电桥谐振式等。1.电感式传感器的等效电路电感式传感器的线圈并非是纯电感，该电感由两部分组成：有功分量无功分量电感式传感器的等效电路RCLZ()jRjLCZjRjLC将上式有理化并应用品质因数Q=ωL/R，可得222222222221(1)(1)LCjLLCQRZLCLCLCLCQQ当Qω2LC且ω2LC1时，222222222221(1)(1)LCjLLCQRZLCLCLCLCQQ2222(1)(1)RjLZLCLC2222';(1)'(1)RRLCLLLC令''ZRjLC的存在，使有效串联损耗电阻及有效电感增加，而有效Q值减小。在有效阻抗不大的情况下，它会使K提高，从而引起传感器性能的变化。在测量中若更换连接电缆线的长度，在激励频率较高时应对传感器的灵敏度重新进行校准。2.交流电桥式测量电路交流电桥式测量电路常和差动式电感传感器配合使用，常用的形式有：交流电桥变压器式交流电桥Z1Z2Z3＝RZ4＝RoUU图4-7交流电桥式测量电路1122,ZZZZZZ设Z是衔铁在中间位置时单个线圈的复阻抗，△Z1、△Z2分别是衔铁偏离中心位置时两线圈阻抗的变化量，则对于高品质因数Q的电感传感器，有1212LRj　　　　则ZZLL12121212122()()2()oZZUUZZZZULLZZ当衔铁往上移动Δδ时，差动传感器电感的总变化量ΔL=ΔL1+ΔL22412000021LLLL对上式进行线性处理,即忽略高次项得002LL0002LLK单线圈式和差动式两种变间隙电感传感器的特性比较：①差动式变间隙电感传感器的灵敏度是单线圈式的两倍。②差动式的线性度得到明显改善。与公式（4-14）、（4-15）对比002LL由公式（4-22），可得002LL将其代入公式（4-20），可得0002UL电桥输出电压与Δδ成正比关系。3.变压器式交流电桥UC2U2UZ1Z2oUABD＋－＋－＋－图4-8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的两次级线圈，其阻抗为次级线圈总阻抗的1/2。当负载阻抗为无穷大时，桥路输出电压2211212122oZZZUUUUZZZZ21122oZZUUZZUC2U2UZ1Z2oUABD＋－＋－＋－图4-8变压器式交流电桥21122oZZUUZZ当传感器的衔铁处于中间位置，即Z1=Z2=Z，此时有电桥平衡。0oU当衔铁上移时，有Z1=Z+ΔZ，Z2=Z－ΔZ此时，22oZULUUZL2oLUUL当衔铁下移时，如Z1=Z－ΔZ，Z2=Z+ΔZ，22oZULUUZL2oLUUL衔铁上移，2oLUUL衔铁下移2oLUUL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。U4.谐振式测量电路分类：谐振式调幅电路谐振式调频电路谐振式调幅电路oUOL0LoUTUCL(a)(b)oUOL0LoUTUCL(a)(b)oUOL0LoUTUCL(a)(b)输出电压的频率与电源频率相同，输出电压的幅值随着电感L而变化，其中L0为谐振点的电感值。电路的优点：灵敏度很高，不足：线性差，适用于线性度要求不高的场合。谐振式调频电路GCLffoL(a)(b)谐振式调频电路GCLffoL(a)(b)GCLffoL(a)(b)电感L的变化将引起输出电压频率的变化。12fLC根据f的大小即可测出被测量的值。它具有严重的非线性关系。4.1.4零点残余电压oU12Uo位移O1-理论特性曲线2-实际特性曲线图4-11零点残余电压波形传感器在零位移时的输出电压称为零点残余电压，记作△Uo。产生零点残余电压的原因：传感器的两电感线圈的电气参数和几何尺寸不完全对称；传感器导磁材料磁化曲线的非线性（如铁磁饱和、磁滞损耗）。零点残余电压的波形十分复杂，零点残余电压的组成：基波高次谐波。产生基波的原因：传感器两电感线圈的电气参数、几何尺寸不完全对称，导致它们产生的感应电势幅值不等、相位不同。不论怎样调整衔铁位置，两线圈中感应电势都不能完全抵消。高次谐波中起主要作用的是三次谐波，产生的原因：导磁材料磁化曲线的非线性（铁磁饱和、磁滞损耗）使得激励电流和磁通波形不一致。零点残余电压一般在几十毫伏以下，应设法减小零点残余电压，否则将会影响测量结果。减小电感式传感器的零点残余电压，可采用的措施有：1.在设计和工艺上，力求做到磁路对称，铁心材料均匀；要经过热处理以出去机械应力和改善磁性；两线圈绕制要均匀，力求几何尺寸与电气特性保持一致；2.在电路上进行补偿。4.1.5变磁阻式传感器的应用线圈铁芯衔铁膜盒PU～A变隙电感式压力传感器结构图变隙电感式压力传感器结构图线圈铁芯衔铁膜盒PU～A变隙式差动电感压力传感器线圈1C形弹簧管调机械零点螺钉线圈2衔铁～输出P