传感器原理与应用

《传感器原理与应用》,第58页第四章电感式传感器电感式传感器是利用电磁感应把铰测的物理量加位移、压力、流量、振动等转换成线圈的自感系数人或互感系数AJ的变化，再由涵量电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。电感式传感器具有以下特点：(1)结构简单，传感器无活动电触点，因此工作可靠寿命长；(2)灵敏度和分辨率高，能测出0．01Pm酌位移变化。传感器的输出信号强，电压灵敏度一般每毫米的位移可达数百毫伏的输出；(3)线性度和重复性都比较好，在一定位移范围几十微米至数毫米内．传感器非线性误差可做到0．05％一0．1％，并且稳定性也较好。同时．这种传感器能实现信息的远距离传辖、记录、显示和控制，它在上业自动控制系统中广泛被采用；但是它台频率响应较低，不宜快速动态测控等缺点。电感式传感器种类很多，本章主要介绍自感式、互感式和涡流式三种传感器。变磁阻式传感器变磁阻式传感器的结构如图4—1所示。它由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯利衔铁都由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成。在铁芯和活动衔铁之间有气隙，气隙厚度为8。传感器的运动部分与衔铁相连，当衔铁移动时，气院厚度6发生变化，从而使磁路中磁配变化．导致电感线圈的电感值变化，这样可以籍以判别被tIg量的位移大小。线圈的电感值L可按下列电工学公式计算：式中贝——线圈匝数；RN——单位长度上磁路的总磁阻磁路总磁阻可写为式中Rf——铁芯磁阻；R6——空气气隙磁阻式(4—3)中第一项为铁芯磁阻v第二项为衔铁磁阻；Ll一一磁通通过铁芯助长度(m)；4l——铁芯横截面积(m’)；Al——铁芯材料的导磁率(H／m)；乙——磁通通过衔铁的长度(m)；A2——衔铁横截面积(m2)；A：——衔铁材料的导磁率(H／m)；j一—气隙厚度(m)；A一—气隙横截面积(m’)；P。——空气的导磁率(4n×10“H／m)。由于及f《Rj，常常忽略Rf，因此，可得线圈电感为《传感器原理与应用》,第59页由式(4—5)可知，当线圈匝数确定后，只要改变j和4均可导致电感的变化，因此v变碰阻式传感器又可分为变气隙厚度6的传原器和变气隙面积4的传感器。使用最广泛的是变气隙式电感传感器。二、等效电路电感传感器是利用铁芯线圈中的自感随衔铁位移或空隙面积改变而变化的原理制成的，但实际上线圈不可能呈现为纯电感，电感L还包含了线圈的铜损耗电阻及f(尺f与上串联)，同时存在铁芯祸流损耗电阻尺(只‘与入并联)；由于线圈和测量设备电缆的接人，存在线圈固有电容和电缆的分布电容．用集中参数c表示C与L和Rf、盈。相并联)，因此，电感式传感器可用图4—2所示等效电路表示。它可以用一个复阻抗z来等效。由式(4—5)可知，当电感传感器线圈匝数和气隙面积一定时，电感星上与气晾厚度6成反比．可用图4—3所示。下面分析变气隙式电感传感器的输出特性。二、变气陈式电感传感器输出特性设电感传感器初始气隙为50·初始电感量为L6，衔铁位移引起的气隙变化量为Aj，从式(4”5)可知L和6之间是非线性关系。那么，初姑电感量为《传感器原理与应用》,第60页当衔铁下移Aj时，传感器气隙增大A6，即o＝50十Aj，则电感旦却减少，电感变化量为ALl，即《传感器原理与应用》,第60页《传感器原理与应用》,第60页忽赂掉二次项以上的高次项，WAL，与址z和Aj成线性关系。由此可见，高次项是造成非线性的主要原因，且ALl和Aj2是不相等的。当瓮越小时，则高次项迅速减小．非线性得到改善。这说明了输出特性和测量范围之间存在矛盾，所以．电感式传感器用于ild量微小位移量是比较精确的。为了减小非线性误差．实际测量中广泛采用差动式电感传感器。由式[4—6)和式(4—7)，忽略二次以上项后，可得到传感器灵敏度为四、差动自由传感器变气欧电感传感器可以制作成各种形式(如螺管式电感传感器等)，但它们都存在严重的非线性。为了减小非线性，可以利用两只完全对称的单个电感传感器合用一个活动衔铁．这样可构成差动式电感传感器，如差动螺管电感传感器、差动式E形电感传感器等．如图4—t(“)和(5)所示。其结构特点是上、下两个舷体的几何尺寸、材料、电气参数均完全一致。传感器的两只电感线圈接成交流电桥的相邻桥臂，另外两只桥臂由电阻组成、尽管图(d)和(6)的结构形式不同，但其工作原理完全相似，它们构成四臂交流电桥，供桥电源为耀““(交流)，桥路输出为交流电压LY。。初始状态时，衔铁位于中间位置．两边空隙相等。因此．两只电感线圈的电感量相等，数住[极性相反，电桥输出认＝o，即电桥处于平衡状态。当衔铁偏离小间位置，向—亡或向下移动时，造成两边气隙不一样，使两只电感线困的电感量一增一减，电桥不平衡。电桥输出电压的大小与衔铁移动的大小成比例，其相位则与衔铁移动量的方向钉关。苦向下移动．输出电压为正；而向上移动时，输出电压则为负。因此，只要能测量出输出电压的大小和相位，就可以决定衔铁位移的大小和方向。衔铁带动连动机构就可以测量多种非电量，如位移、掖面高度、速度等。输出特性是指电桥输出电压与传感器衔铁位移量之间的关系。非差动式电感传感器电感量变化AL和位移量变化A6是非线性关系。当构成差动电感传感器，且接成电桥形式后．屯桥输出电压将与她有关，即《传感器原理与应用》,第61页Ln为衔铁在中间位置时，单个线圈的电感量。从式(4—9)可知，不存在偶次项，显然、差动式电感传感器的非线性在iAo工作范围内要比单个电感传感器小很多，由图4—5可以说明这一点。图4—5还说明电桥的输出电压大小和衔铁的位移量A6有关，它的相位则与衔铁移动方向有关。若设衔铁向上移动A6为负，则tL为负；衔铁向下移动A6为正，则认为正，即相位相差1300。差动式电感传感器的灵敏度5，由式(4—9)忽略高次项后得它比单个线围的传感器提高一倍。3．测量电路电感传感器的测量电路有交流电桥式、交流变压器式和把传感器作为振荡桥路中一个组成元件的谐振式等几种。传感器的两个线圈作电桥酌两个桥臂zl和Z2，另外两个相邻的桥臂用纯电阻(z3＝尺，Z4；R)代替。对于高Q值(Q＝害)的差动式线因传感器，其拍出电压《传感器原理与应用》,第62页式中Lo一—衔铁在中间位置时．单个线因的电感，久为其损耗；址——两线圈电感的变化量，忽略式(4—9)中的高次项后，AL＝2jo留·代入式(4—11)后可知，oJ；LJ‘留电压与A5有关，相应与衔铁移动方向有关。(2)变压器式交流电桥变压器式交流电桥如图4—7所示。电桥两臂Z1和22为传感器线圈阻抗，另外两臂为交流变压器次级线圈的1／2阻抗，电桥允点的电压应为当传感器的衔铁处于中间位置时，即21＝乙＝2，此时Lr。＝o．电桥平衡。当衔铁上移时，下面线圈阻抗减小，即Zs＝2一AZ5而上面线圈的阻抗增加．即ZI＝2十A2，于是由式(4—12)得从式(4‘15)可知，衔铁上、下移动时，输出电压大小相等，但方向相反。由于LfM是交流电压，输出指示无法判断出位移方向，若采用相敏检波器(其工作原理见第二节)就可鉴别出输出电压的极性随位移方向变化而变化。第二节互感式传感器前面介绍的电感式传感器是基于将电感线圈的自感变化代替被测量的变化，从而实现位移、压强、荷重、液位等参数测量。本节介绍的互感式传感器则是把被测量的变化转换为变压器的互感变化。变压器初级线圈输入交流电压，次级线圈则互感应出电势。由于变压器的次级线圈常接成差动形式，故又称为差动变压器式传感器。差动变压器结构形式铰多，但其工作原理基本一样、下面介绍螺管形差动变压器。它可以测量1—100mm的机械位移、并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点，因此也被广泛用于非电量的测量。一、结构与工作原理螺管形差动变压器结构如图4—8所示。它由初级线圈严、两个次级线因3l、52和插人线圈中央的圆柱形铁芯6组成，结构形式又有三段式和两段式等之分。差动变压器线圈连接如图4—8(f)所示。次级线圈犀l和月2反极性串联。当初级线圈尸加上某一频率的正弦交流电压认后，次级线圈产生感应电压为L7l和02，它们的大小与铁芯在线因内的位置有关。01和久反极性连接使得到输出电压廖。。《传感器原理与应用》,第64页当铁芯位于线圈中心位置时，01＝(／z，6r＝o；当铁芯向上移动(见图(‘))时，t／l＞02，4f，l)o．M1大，M2小；当铁芯向下移动(见图(6))时．03＞I)l，d0，[＞o．从小．风大。铁芯偏离中心位置时，输出电压zJ。随铁芯偏离中心位置．yI或久逐渐加大，但相位相差180。，如图4—9所示。实际上，铁芯位于中心位置，输出电压Lf。并不是零电位，而是ujly2被称为零点残余电压。z／f产生的原因很多，不外乎是变压器的制作工艺和导磁体安装等问题，t／，一般在几十毫伏以下。在实际使用时，必须设法减小队，否则将会影响传感器测量结果。《传感器原理与应用》,第64页二、等放电路差动变压器是利用磁感应原理制作的。在制作时，理论计算结果和实际制作后的参数相差很大，往往还要借助于实验和经验数据来修正。如果考虑差动变压器的润流损耗、铁损和寄生(辐合)电容等，其等效电路是很复杂的，本节忽略上寄生(辐合)电容等，其等效电路是很复杂的，本节忽略上述因素，给出差动变压器的等效电路，如图4—10所示。图中LP，RP——初级线圈电感和损耗电组；从一一初级线圈与两次级线圈问的互感系数5(／，一’初级线圈激励电压；G。——输出电压；A1，Id——两次级线困的电感；月”及*——两次级线圈的损耗电阻；——激励电压的频率。当次级开路时，初级线因的交流电流为次级线圈感应电势为差动变压器输出电压为输出电压的有效值为下面分三种情况进行分析；①磁芯处于中间平衡位置时②磁芯上升时与u1同极性。②磁芯下降时与t／z同极性。三、测量电路差动变压器输出的是交流电压，若用交流模拟数字电压表测量，只能反映铁芯位移的大小．不能反映移动方向。另外．其测量值必定含有零点残余电压。为了达到能辨别移动方向和消除零点残余电压的目的，实际测量时，常常采用下面介绍的两种测量电路：差动整流电路和相敏检波电路。1．羞动整流电路这种电路是把差动变压器的两个次级电压分别整流，然后将它们整流的电压或电流的差值作为输出。现以电压输出型全波差动整流电路为例来说明其工作原理。电路连接如图4—11(6)所示。由因4—11(d)可知，无论两个次级线圈的输出瞬时电压极性如何，流经两个电阻尺的电流总是从“到6．从d到‘，故整流电路的输出电压为其波形见闻4’11(5)。当铁芯在中间位置时，L7。；o；铁芯在零位以上或以下时，输出电压的极性相反，于是零点残余电压会自动抵消。门)二极管相敏检波电路二极管相敏检波电路如图4—1z所示。y1为差动变压器输入电压，y2为UI考电压，且y2＞yl、它们作用于相敏检波电路中两个变压器置l和52。当L7l＝o时，由于u2的作用，在正半周时，如图(d)所示，D3，D4处于正向伯置，电流i2和h以不同方向流过电表44，只要ul＝y1，且D3tD‘性能相同，通过电表的电流为o，所以输出为09在负半周时lD?，p2导通，J：和电相反，输出电流为o。当u1，50时，分两种情况来分析。首先讨论u1和(／：同相位情况t正半周时，电路中电压极性如图4—12(6)所示。由于Z／s＞u1，D3*D4仍然导通，但作用于几两端的信号是y2十u1．因此z1增加，而作用于D3两端的电压为U2一C／l，所以i：减小，则i。‘力下在负半周时，Dt，D2导通，此时，在t／l和认作用下人增加而i：减小，fy；J：一i：＞o。y2和L2同相时，各电流波形如图4—12(f)所示。当y1和LTz反相时，在E／2为正半周，u1为负半周时，D：和D4仍然导通，但j8格增加入将减小，通过4J的电流jM不为零，而且是负的。y2为负半周时，蝴也是负的。所以，上述相敏检波电路可以由流过电表的平均电流的大小和方向来判别差动变压器的位移大小和方向。《传感器原理与应用》,第67页(2)集成化的相敏检波电路随着集成电路技术的发展，相继出现各种性能的集成电路的相敏检波器，例如，1。Zxl单片相敏检波电路。Lzxl为