31-自感式传感器

1第3章变电抗式传感器原理与应用变电抗式传感器是利用被测量改变磁路的磁阻，导致线圈电感量的变化，或者利用被测量改变传感器的电容量，或者利用被测量改变线圈的等效阻抗等，实现对非电量的检测。其种类较多，包括自感式传感器、差动变压器式传感器、电容传感器、电涡流式传感器等。23.1自感式传感器3.1.1工作原理3.1.2变气隙式自感传感器3.1.3变面积式自感传感器3.1.4螺线管式自感传感器3.1.5自感式传感器测量电路3.1.6自感式传感器应用举例33.1.1工作原理线圈自感Ψ——线圈总磁链,单位：韦伯；I——通过线圈的电流，单位：安培；W——线圈的匝数；Rm——磁路总磁阻，单位：1/亨。a)气隙型b)截面型c)螺管型自感式传感器原理图mRWIWIL2将被测量的变化转换为自感L的变化，通过一定的转换电路转换成电压或电流输出。空气隙很小4202iiiWLlSS102nimiiilRSSli——各段导磁体的长度；μi——各段导磁体的磁导率；Si——各段导磁体的截面积；δ——空气隙的厚度；μ0——真空磁导率S——空气隙磁通的截面积S,fLSfL21fL变气隙型传感器变截面型传感器线圈中放入圆形衔铁（上图c)，当衔铁上下移动时，也可改变自感，构成螺管型传感器。代入Rm，得磁路封闭，磁场均匀，若忽略磁路铁损，则总磁阻为53.1.2变气隙式自感传感器002221112sslslRm通常气隙的磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻111002sls222002sls002sRm20022sWRWLm可见，L与δ之间是非线性关系对图（a），磁路总磁阻可写为：（3.1.6）6当衔铁处于初始位置时，初始电感量为000202sWL当衔铁上移Δδ时，则，代入式（3.1.6）式并整理得00000201)(2LsWLLL0LLL0（3.1.7）2002WsL70/1当时，上式用泰勒级数展开成如下的级数形式200001LLLL200001LL200001LL30200001LL302000001LL同理，当衔铁随被测物体的初始位置向下移动时，有（3.1.11）（3.1.13）（3.1.10）0001LLLL8对式（3.1.11）（3.1.13）作线性化处理，即忽略高次项后均可得00LL灵敏度为0001/LLk可见，变间隙式自感传感器的测量范围与灵敏度及线性度是相矛盾的，故该类传感器适用于测量微小位移场合。为减小非线性误差，实际中广泛采用差动变隙式电感传感器。（3.1.15）9差动变隙式电感传感器1-铁芯；2-线圈；3-衔铁（与被测件相连当衔铁上下移动时，使两个磁回路中的磁阻发生大小相等、方向相反的变化，导致一个线圈电感量增加，另一线圈电感量减小，形成差动形式。使用时，两电感线圈接在交流电桥的相邻两桥臂，另两桥臂接有电阻。两个完全相同的电感线圈合用一个衔铁和相应磁路10对上式进行线性处理，即忽略高次项得002LL灵敏度k0为0002/LLk（1）差动变隙式自感传感器的灵敏度是单线圈式传感器的两倍。（2）单线圈是忽略及以上高次项，差动式是忽略及以上高次项，故差动式自感传感器的线性度得到明显改善。20304020002112LLLL当衔铁上移时，设两个线圈的电感变化量ΔL1、ΔL2差动传感器电感总变化量（3.1.16）（3.1.18）113.1.3变面积式自感传感器对图3.1.1(b)传感器气隙长度lδ保持不变，令磁通截面积随被测非电量而变化，设铁芯材料和衔铁材料的磁导率相同，则此变面积自感传感器自感L为22000rWWLSKSlllSS对上式微分，得灵敏度KdsdLk0变面积式自感传感器在忽略气隙磁通边缘效应的条件下，输入与输出呈线性关系；因此可望得到较大的线性范围。但与变气隙式自感传感器相比，其灵敏度降低。123.1.4螺线管式自感传感器该类传感器有单线圈（图3.1.1(c))和差动式两种；单线圈螺管式自感传感器133.1.4螺线管式自感传感器1-螺线管线圈Ⅰ；2-螺线管线圈Ⅱ；3-骨架；4-活动铁芯llrrlWrLLLccr22022010011L10，L20——分别为线圈Ⅰ、Ⅱ的初始电感值；μr—活动铁芯的相对磁导率,rc---活动铁芯半径差动螺管式电感传感器由两个完全相同的螺管相连，铁芯初始状态处于对称位置，使两边螺管的初始电感值相等，即（3.1.21）14当铁芯移动（如右移）Δx后，使右边电感值增加，左边电感值减小lxlrrlWrLccr2202111lxlrrlWrLccr2202211根据以上两式，可以求得每只线圈的灵敏度为220121221rcWrdLdLkkdxdxl两只线圈的灵敏度大小相等，符号相反，具有差动特征。考虑到μr1，而lc与l，rc与r均有相同数量级，则式(3.1.21)和式(3.1.24)可简化为222020100llrWLLLccr222021lrWkkcr（3.1.22）（3.1.23）（3.1.24）可见，当lc与l为常数时，增加W，μr，rc都可使L0和k1（k2）提高。153.1.5自感式传感器测量电路1.调幅电路2.调频电路3.调相电路4.自感传感器的灵敏度为测出电感量的变化，需由转换电路将电感量的变化转换成电压（电流）的变化。161.调幅电路(1)变压器电桥电路输出空载电压2121121022ZZZZuuZZZuu初始平衡状态，Z1=Z2=Z,u0=0当衔铁偏离中间零点时0021uZZZ，，、ZZZZZZΔΔ210Δ2uZuZ使用元件少，输出阻抗小,获得广泛应用传感器两线圈阻抗图3.1.5变压器电桥(3.1.28)17同理，当传感器衔铁移动方向相反时，、ZZZZZZΔΔ21空载输出电压两种情况输出的电压大小相等，方向相反，即相位差1800。用示波器无法判别交流电压的相位，因此为判别衔铁位移方向，即要判别信号的相位，需在后续电路中配置相敏检波器来解决。0Δ2uZuZ交流电压，无方向性18(2)相敏检波电路当差动衔铁居中时，Z1=Z2=Z，输出电压V=0。当衔铁偏离中间位置而使Z2=Z+ΔZ增加，则Z1=Z-ΔZ减少。这时当电源u上端为正，下端为负时，电阻R2上的压降大于R1上的压降；当u上端为负，下端为正时，R1上压降则大于R2上的压降。则有，此时电压表V输出下端为正，上端为负。同理可分析衔铁偏离中间位置使Z1=Z+ΔZ增加，Z2=Z-ΔZ减少时差动电感传感器线圈阻抗两平衡电阻相等相敏整流器交流电源19非相敏整流和相敏整流电路输出电压比较(a)非相敏整流电路；（b）相敏整流电路比较上述两种情况知，输出电压的幅值表示了衔铁位移的大小，极性则反映了衔铁移动的方向。由上图可见，使用相敏整流，输出电压U0不仅能反映衔铁位移的大小和方向，而且还消除零点残余电压的影响。20(3)谐振式调幅电路该电路的灵敏度很高，但是线性差，适用于线性要求不高的场合。谐振点的电感值传感器电感212.调频电路原理：传感器自感L变化将引起输出电压频率f的变化GCLfL变化时，振荡频率随之变化，根据f大小即可测出被测量的值。当L微小变化ΔL后，频率变化Δf为：灵敏度很高，但线性差，适用于线性要求不高的场合。)/(Δ)2/(4/Δ)(Δ2/3LLfLCLCfLf0LCf2/1振荡电路223.调相电路传感器电感变化将引起输出电压相位变化。设计时使电感线圈具有较高的品质因数。忽略其损耗电阻，则电感线圈与固定电阻上的压降UL和UR两个相量垂直。2arctan()LRLLRLRLΔ)/(1)/(2Δ2相位电桥L变化时，输出电压U0幅值不变，相位角随之变化。234.自感传感器的灵敏度传感器结构灵敏度转换电路灵敏度0ΔΔLLkx0ΔcukLL总灵敏度00Δzcukkkx指传感器结构（测头）和转换电路综合在一起的总灵敏度。以调幅电路为例来讨论。空载输出电压24第一项决定于传感器的类型第二项决定于转换电路的形式第三项决定于供电电压的大小如对气隙型传感器、采用图3.1.5的变压器电桥，可得22201()()2zLukRL生产中测定传感器的灵敏度是在把传感器接入转换电路后进行的。规定传感器灵敏度的单位为mV/(μm·V)，即当电源电压为1V，衔铁偏移1μm时，输出电压为若干毫伏。253.1.6自感式传感器应用举例1.自感式位移传感器2.自感式压力传感器261.自感式位移传感器1传感器引线2铁心套筒3磁芯4电感线圈5弹簧6防转件7滚珠导轨8测杆9密封件10玛瑙测端螺管式差动自传感器272.自感式压力传感器变隙式自感压力传感器结构图变隙差动式电感压力传感器