5.2 电感式传感器

11变磁阻式传感器2差动变压器式传感器3电涡流式传感器电感式传感器2电感式传感器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量L或互感量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电感式传感器具有结构简单,工作可靠,测量精度高,零点稳定,输出功率较大等一系列优点,其主要缺点是灵敏度、线性度和测量范围相互制约,传感器自身频率响应低,不适用于快速动态测量。这种传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制,在工业自动控制系统中被广泛采用。电感式传感器种类很多,本章主要介绍自感式、互感式和电涡流式三种传感器。31变磁阻式传感器一、变磁阻式传感器的结构如图所示。它由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成,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。根据电感定义,线圈中电感量可由下式确定:45L=(5-1）式中:——线圈总磁链;I——通过线圈的电流;w——线圈的匝数;Φ——穿过线圈的磁通。由磁路欧姆定律,得IwIwImRFw6式中:Rm——磁路总磁阻。对于变隙式传感器,因为气隙很小,所以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Rm=(5-3)式中:μ1——铁芯材料的导磁率;μ2——衔铁材料的导磁率;L1——磁通通过铁芯的长度;L2——磁通通过衔铁的长度;S1——铁芯的截面积;S2——衔铁的截面积;μ0——空气的导磁率;002221112SSLSL7S0——气隙的截面积;δ——气隙的厚度。通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻,即则式(5-3）可近似为Rm=联立式(5-1）#,式(5-2）及式(5-5）,可得002su111002suLsu222002suLsu8(5-6）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,只要改变δ或S0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δ的传感器和变气隙面积Ｓ0的传感器。使用最广泛的是变气隙厚度δ式电感传感器。二、设电感传感器初始气隙为δ0,初始电感量为L0,衔铁位移引起的气隙变化量为Δδ,从式(5-6）可知L与δ之间是非线性关系,特性曲线如图(5-2）表示20022SwRwLm910三、图5-8所示是变隙电感式压力传感器的结构图。它由膜盒、铁芯、衔铁及线圈等组成,衔铁与膜盒的上端连在一起。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,电流表指示值就反映了被测压力的大小。图5-9所示为变隙式差动电感压力传感器。它主要由C形弹簧管、衔铁、铁芯和线圈等组成。111213当被测压力进入C形弹簧管时,C形弹簧管产生变形,其自由端发生位移,带动与自由端连接成一体的衔铁运动,使线圈1和线圈2中的电感发生大小相等、符号相反的变化,即一个电感量增大,另一个电感量减小。电感的这种变化通过电桥电路转换成电压输出。由于输出电压与被测压力之间成比例关系,所以只要用检测仪表测量出输出电压,即可得知被测压力的大小。142差动变压器式传感器把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化的传感器称为互感式传感器。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的,并且次级绕组都用差动形式连接,故称差动变压器式传感器。,有变隙式、变面积式和螺线管式等,但其工作原理基本一样。非电量测量中,应用最多的是螺线管式差动变压器,它可以测量1～100mm范围内的机械位移,并具有测量精度高,灵敏度高,结构简单,性能可靠等优点。15一、螺线管式差动变压器结构如图5-10所示,它由初级线圈#,两个次级线圈和插入线圈中央的圆柱形铁芯等组成。螺线管式差动变压器按线圈绕组排列的方式不同可分为一节、二节、三节、四节和五节式等类型,如图5-11所示。一节式灵敏度高,三节式零点残余电压较小,通常采用的是二节式和三节式两类。161718差动变压器式传感器中两个次级线圈反向串联,并且在忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下,其等效电路如图5-12所示。当初级绕组w1时,根据变压器的工作原理,在两个次级绕组w2a和w2b中便会产生感和。如果工艺上保证变压器结构完全对称,则当活动衔铁处于初始平衡位置时,必然会使两互感系数M1=M2。根据电磁感应原理,将有。由于变压器两次级绕组反向串联,因而,即差动变压器输出电压为零。aE2bE21UbaEE220222baEEU1920活动衔铁向上移动时,由于磁阻的影响,w2a中磁通将大于w2b,使M1M2,,。反之,增加,减小。因为,、位移x变化时,也必将随x变化。图5-13给出了变压器输出电压与活动衔铁位移x的关系曲线。实际上,当衔铁位于中心位置时,差动变压器输出电压并不等于零,我们把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压，记作,它的存在使传感器的输出特性不过零点，造成实际特性与理论特性不完全一致。aE2bE2aE2bE2baEEU222aE2bE22U2UxU2122零点残余电压主要是由传感器的两次级绕组的电气参数与几何尺寸不对称，以及磁性材料的非线性等问题引起的。零点残余电压的波形十分复杂，主要由基波和高次谐波组成。基波产生的主要原因是：传感器的两次级绕组的电气参数和几何尺寸不对称，导致它们产生的感应电势的幅值不等、相位不同，因此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，产生的原因是由于磁性材料磁化曲线的非线性(磁饱和、磁滞)。零点残余电压一般在几十毫伏以下，在实际使用时，应设法减小,否则将会影响传感器的测量结果。XU23四、差动变压器式传感器可以直接用于位移测量,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。图5-17所示为差动变压器式加速度传感器的结构示意图。它由悬臂梁1和差动变压器2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。当被测体带动衔铁以Δx(t)振动时,导致差动变压器的输出电压也按相同规律变化。24253电涡流式传感器根据法拉第电磁感应原理,块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时,导体内将产生呈涡旋状的感应电流,此电流叫电涡流,以上现象称为电涡流效应。根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。按照电涡流在导体内的贯穿情况,此传感器可分为高频反射式和低频透射式两类,但从基本工作原理上来说仍是相似的。电涡流式传感器最大的特点是能对位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等进行非接触式连续测量,另外还具有体积小,灵敏度高,频率响应宽等特点,应用极其广泛。26一、工作原理图5-18为电涡流式传感器的原理图,该图由传感器线圈和被测导体组成线圈—导体系统。根据法拉第定律,当传感器线圈通以正弦交变电流时,线圈周围空间必然产生正弦交变磁场,使置于此磁场中的金属导体中感应电涡流,又产生新的交变磁场。根据愣次定律,的作用将反抗原磁场,导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。由上可知,线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。而电涡流效应既与被测体的电阻率ρ、磁导率μ以及几何形状有关,又与线圈几何参数、线圈中激磁电流频率有关,还与线圈与导体间的距离x有关。1I1H2I2I2H2H1H2728四、1.低频透射式涡流厚度传感器图5-25所示为透射式涡流厚度传感器结构原理图。在被测金属的上方设有发射传感器线圈L1,在被测金属板下方设有接收传感器线圈L2。当在L1上加低频电压U1时,则L1上产生交变磁通Φ1,若两线圈间无金属板,则交变磁场直接耦合至L2中,L2产生感应电压U2。如果将被测金属板放入两线圈之间,则L1线圈产生的磁通将导致在金属板中产生电涡流。此时磁场能量受到损耗,到达L2的磁通将减弱为Φ′１,从而使L2产生的感应电压U2下降。金属板越厚,涡流损失就越大,U2电压就越小。因此,可根据U2电压的大小得知被测金属板的厚度,透射式涡流厚度传感器检测范围可达1～100mm,分辨率为0.1μm,线性度为1%。29302.高频反射式涡流厚度传感器图5-25所示是高频反射式涡流测厚仪测试系统原理图。为了克服带材不够平整或运行过程中上下波动的影响,在带材的上、下两侧对称地设置了两个特性完全相同的涡流传感器S1、S2。S1、S2与被测带材表面之间的距离分别为x1和x2。若带材厚度不变,则被测带材上、下表面之间的距离总有x1+x2=常数的关系存在。两传感器的输出电压之和为2Uo数值不变。如果被测带材厚度改变量为Δδ,则两传感器与带材之间的距离也改变了一个Δδ,两传感器输出电压此时为2Uo+ΔU。ΔU经放大器放大后,通过指示仪表电路即可指示出带材的厚度变化值。带材厚度给定值与偏差指示值的代数和就是被测带材的厚度。31323.电涡流式转速传感器图5-26所示为电涡流式转速传感器工作原理图。在软磁材料制成的输入轴上加工一键槽,在距输入表面d0处设置电涡流传感器,输入轴与被测旋转轴相连。当被测旋转轴转动时,输出轴的距离发生d0+Δd的变化。由于电涡流效应,这种变化将导致振荡谐振回路的品质因素变化,使传感器线圈电感随Δd的变化也发生变化,它们将直接影响振荡器的电压幅值和振荡频率。因此,随着输入轴的旋转,从振荡器输出的信号中包含有与转数成正比的脉冲频率信号。该信号由检波器检出电压幅值的变化量,然后经整形电路输出脉冲频率信号fn。该信号经电路处理便可得到被测转速。3334这种转速传感器可实现非接触式测量,抗污染能力很强,可安装在旋转轴近旁长期对被测转速进行监视。最高测量转速可达600000r/min(转/分)。