电感式传感器-6

电感式传感器是利用电磁感应原理，将被测的物理量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈的自感系数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，实现由非电量到电量转换的装置。将非电量转换成自感系数变化的传感器通常称为自感式传感器（又称电感式传感器），而将非电量转换成互感系数变化的传感器通常称为互感式传感器（又称差动变压器式传感器）。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。在电路中，当电流流过导体时，会产生电磁场，电磁场的大小除以电流的大小就是电感，电感的定义是L=phi/i,单位是韦伯电感是衡量线圈产生电磁感应能力的物理量。给一个线圈通入电流，线圈周围就会产生磁场，线圈就有磁通量通过。通入线圈的电源越大，磁场就越强，通过线圈的磁通量就越大。实验证明，通过线圈的磁通量和通入的电流是成正比的，它们的比值叫做自感系数，也叫做电感。如果通过线圈的磁通量用φ表示，电流用I表示，电感用L表示，那么L＝φ／I电感的单位是亨（H），也常用毫亨（mH）或微亨（uH）做单位。1H=1000mH，1H=1000000uH。电感只能对非稳恒电流起作用，它的特点两端电压正比于通过他的电流的瞬时变化率（导数），比例系数就是它的“自感”电感起作用的原因是它在通过非稳恒电流时产生变化的磁场，而这个磁场又会反过来影响电流，所以，这么说来，任何一个导体，只要它通过非稳恒电流，就会产生变化的磁场，就会反过来影响电流，所以任何导体都会有自感现象产生在主板上可以看到很多铜线缠绕的线圈，这个线圈就叫电感，电感主要分为磁心电感和空心电感两种，磁心电感电感量大常用在滤波电路，空心电感电感量较小，常用于高频电路。电感的特性与电容的特性正好相反，它具有阻止交流电通过而让直流电顺利通过的特性。电感的特性是通直流、阻交流，频率越高，线圈阻抗越大。电感器在电路中经常和电容一起工作，构成LC滤波器、LC振荡器等。另外，人们还利用电感的特性，制造了阻流圈、变压器、继电器等.电感式传感器6.1.1电感传感器的工作原理和等效电路1．工作原理图6.l为一简单的电感传感器。它有衔铁、铁芯和匝数为W的线圈三部分构成。传感器测量物理量时衔铁的运动部分产生位移，导致线圈的电感值发生变化，根据定义，线圈的电感为式中RM——磁阻，它包括铁芯磁阻和空气隙的磁阻，即:铁磁材料各段的磁阻之和，当铁芯一定时，其值为一定；li——各段铁芯长度；mi——各段铁芯的磁导率；Si——各段铁芯的截面积；Rd——空气隙的磁阻，Rd=2d/m0S。S为空气隙截面积，d为空气隙长度，m0为空气的磁导率。M2RWL=M2RWL=dmRSlRiii=MiiiSlm衔铁线圈铁芯IAl1S1l2S2dUsr.即可得电感为因为铁磁材料其磁阻与空气隙磁阻相比较小，计算时可忽略不计，这时有由上式可知，当线圈及铁芯一定时，W为常数，如果改变d或S时，L值就会引起相应的变化。电感传感器就是利用这一原理做成的。最常用的是变气隙长度d的电感传感器。由于改变d和S都是使气隙磁阻变化，从而使电感发生变化，所以这种传感器也叫变磁阻式传感器。=SSlWLiii022mdmdm202SWL=、等效电路电感传感器是一个带铁芯的可变电感，由于线圈的铜耗、铁芯的涡流损耗、磁滞损耗以及分布电容的影响，它并非呈现纯电感。等效电路如图所示，其中L为电感，Rc为铜损电阻，Re电涡流损耗电阻，磁滞损耗电阻Rh，C为传感器等效电路的等效电容。等效电容C主要是由线圈绕组的固有电容和电缆分布电容引起。电缆长度的变化，将引起C的变化。当电感传感器确定后，这些参数即为已知量。CLRcRhRe忽略分布电容且不考虑各种损耗时，电感传感器阻抗为当考虑并联分布电容时，阻抗为ZsLRZj=CLRCLRZsj1jj1j=2222222222211j1QLCLCQLCLCLQLCLCR=Q——品质因数，Q=wL/R。当电感传感器Q值高时，即1/Q2《1，则上式可变为考虑分布电容时，电感传感器的有效串联电阻和有效电感都增加了，而线圈的有效品质因数却减小ss222sj1j1LRLCLLCRZ=电感传感器有效灵敏度为考虑分布电容后，电感传感器的灵敏度增加了。因此，必须根据测试时所用电缆长度对传感器进行标定，或者相应调整并联电容。LLLCLLd11d2ss=自感式传感器的结构类型及特性常见的自感式传感器有变间隙式、变面积式和螺线管式三类。1、变间隙式电感传感器衔铁线圈铁芯IAl1S1l2S2dUsr.。可确定测出xLZLRxm)(d若使得衔铁向上移动取为-d，则由式（6-4）可得此时电感为则电感增量为线圈电感的相对变化量为若d／d0＜＜l，则可得ddm=202SWL==dddd1100LLLL=dddd110LL=4320ddddddddLL同理可得当衔铁向下移动时的L／L0为由上式可见，线圈电感与气隙长度的关系为非线性关系，非线性度随气隙变化量的增大而增大，只有当Δd很小时，忽略高次项的存在，可得近似的线性关系（这里未考虑漏磁的影响）。所以，单边变间隙式电感传感器存在线性度要求与测量范围要求的矛盾。电感L与气隙长度d的关系如图6.4所示。它是一条双曲线，所以非线性是较严重的。为了得到一定的线性度，一般取d/d=0.1～0.2。=4320ddddddddLLd0dddLL0+LL差动式变间隙电感传感器，要求上、下两铁芯和线圈的几何尺寸与电气参数完全对称，当衔铁偏离对称位置移动时，使一边间隙增大，而另一边减小，两个线圈电感的总变化量为=532ddddddLL忽略高次项，其电感的变化量为可见，差动式的灵敏度比单边式的增加了近一倍，而且差动式的（L1+L2）／L式中不包含（d／d）的偶次项，所以在相同的（d／d）下，其非线性误差比单边的要小得多。所以，实用中经常采用差动式结构。差动变间隙电感传感器的线性工作范围一般取d／d0=0.3～0.4。dd2LL2、变面积式电感传感器对单边式结构，在起始状态时，铁芯与衔铁在气隙处正对着，其截面积为Sδ0=ab。当衔铁随被测量上、下移动时，(a)(b)baxd0bxaS=则线圈电感L为线圈电感L与面积S（或x）呈线性关系，其灵敏度k为一常数，即正确选择线圈匝数、铁芯尺寸，可提高灵敏度，但是采用图6.5（b）差动式结构更好。xabWL=0202dm0202dmbWxLk==、螺线管式电感传感器螺线管式电感传感器如图所示。它由螺线管形线圈、磁性材料制成的柱形铁芯和外套组成。螺管式电感传感器建立在磁路磁阻随着衔铁长度不同而变化的基础上。设线圈长度和平均半径分别为l和r，铁芯进入线圈的长度和铁芯半径分别为x和ra，铁芯有效磁导率为μ0。x(b)l(a)lxrrarra线圈的电感量L为L与x呈线性关系，其灵敏度K为实际上，由于漏磁因素等的影响，管内磁场强度B的分布并非完全均匀，故特性具有非线性。但是，在铁芯移动范围内，能够寻找一段非线性误差较小的区域或者采用差动式结构，如图6.6（b）所示，则可得到较理想的改善。2aa220xrlrlWLmm=2aa20rlWxLKmm==在差动式结构中，由于两线圈部分完全对称，故当铁芯处于中央对称位置时，两线圈电感相等，即==22aa2202010xrlrlWLLmmxrlWLxrlWL==2aa2022aa201mmmm2aa202rlWKmm=电感传感器的测量电路电感传感器最常用的测量电路是交流电桥式测量电路，它有三种基本形式，即电阻平衡臂电桥、变压器电桥、紧耦合电感比例臂电桥。Usr.Z1Z2L1L2R1R2Rs1Rs2ZLUscUsr.Z1Z2I.AB.UscUsr.I1I2Z1Z2LcLcMUsc.123(a)(b)(c)电阻平衡臂交流电桥(a)差动的两个传感器线圈接成电桥的两个工作臂（Z1、Z2为两个差动传感器线圈的复阻抗），另两个桥臂用平衡电阻R1、R2代替。设初始时Z1=Z2=Z=RS+jωL；R1=R2=R；L1=L2=L0。ZLR1R2Z2Z10UACU0022LjRLjRUZZUUSSACAC==对差动变气隙式自感传感器：002ddLL=值很高时：当自感线圈的品质因数SRLQ=可见，电桥输出电压与Δδ有关，相位与衔铁移动方向有关。由于是交流信号，还要经过适当电路（如相敏检波电路）处理才能判别衔铁位移的大小及方向。00ddACUU002LLUUAC、变压器式电桥电路相邻两工作臂为Z1、Z2，是差动电感传感器的两个线圈的阻抗。另两臂为变压器次级线圈的两半，输出电压取自A、B两点。且传感器线圈为高Q值，那么我们就可以推导其输出特性公式为UUZZZUUU21211BAsc==当衔铁上移时因为在Q值很高时，线圈内阻可以忽略，所以同理可推出由上式可见，衔铁上移和下移时，输出电压相位相反，且随d的变化输出电压也相应地改变。ZZZ=1ZZZ=2UZZUUZZZZU221211sc==ULLULLU2j2jsc==ULLU2sc=、紧耦合电感比例臂电桥紧耦合电感比例臂电桥常用于差动式电感或电容传感器，它由以差动形式工作的传感器的两个阻抗作电桥的工作臂，而紧耦合的两个电感作为固定臂，组成电桥电路。紧耦合电感及其T型等效变换如图所示。11222233MLCLCZ13Z12ZpZsZs(a)(b)由T型变换可得当两电感内的电流同时流向节点或流出节点2时，k取正值，反之取负值ccp12jjjLMMLZZZs===MLZZ==cs13j22cLMk=11222233MLCLCZ13Z12ZpZsZs(a)(b)在电桥平衡时，因此两个耦合电感臂的支路电流，大小相等，方向相同，在全耦合时，k=1，由此可见，与电感臂并联的任何分布电容对平衡时的输出毫无影响。这就使桥路平衡稳定，简化了桥路的接地和屏蔽问题，改善了电路的零稳定性。kLLMLMLZZZc====1j1jjjcccp12s21ii=Zs=001222.13.1===kZZZs当工作时ZZZ=1ZZZ=254541434scEZZZZEZZZZUUUssss==p545454ZZZEE=ssssZZZZZZZZZZZZZ=