第5章電感傳感器

1第5章電感式傳感器2

第5章電感式傳感器

利用電磁感應(yīng)原理，將被測非電量（位移、壓力、振動等）轉(zhuǎn)換為電感量的變化，再轉(zhuǎn)換為電壓、電流等電量的變化，實現(xiàn)測量。類型：自感式（變氣隙、螺線管式）、變壓器式、渦流式。特點：

1、結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，壽命長；

2、靈敏度高，分辨率高（0.1）；

3、性能穩(wěn)定，重復(fù)性好，線性度好；

4、輸出信號強(qiáng)，不用放大器，可達(dá)幾十到幾百毫伏。3§5.1自感式傳感器

利用電感元件把被測非電量轉(zhuǎn)換為電感的自感系數(shù)的變化。5.1.1閉磁路自感傳感器1、工作原理：磁路由鐵芯和氣隙組成，總磁阻RM鐵芯磁阻：

—鐵芯磁通路上第i段的磁導(dǎo)率（H/m）氣隙磁阻：總磁阻：

當(dāng)鐵芯工作在非飽和狀態(tài)時，第一項可忽略。4由電感的定義：∵∴

（5-3）由式5-3可知，L與l0、S0、等參數(shù)有關(guān)，與電容傳感器類似，可以構(gòu)成變氣隙式l0，變面積式S0，變磁導(dǎo)率式等各類傳感器。根據(jù)式(5-3)可以形成三種類型的自感式傳感器改變氣隙厚度δ(a)改變導(dǎo)磁面積S0(b)利用鐵芯在螺管線圈中的直線位移改變總的磁阻(c)

也可認(rèn)為是改變有效線圈匝數(shù)

N三種傳感器均可用以測量變換為直線位移的物理參量由公式(5-3)可見，L與各參數(shù)的變化關(guān)系并不相同

如改變氣隙類型，L與δ不是線性關(guān)系——與電容傳感器類似

72、等效電路

并非純電感，存在線圈的銅損耗，鐵芯的渦流以及磁滯損耗，這些可用有功電阻R表示，還有L的感抗，分布電容C的容抗，可用圖5.2描述。

ZM—鐵芯部分的磁阻抗，Z0—空氣隙磁阻抗，83、非線性和靈敏度由式5-3知，變氣隙面積S型為線性關(guān)系，而變氣隙長度l型為非線性關(guān)系（圖5－3）初始?xì)庀秎0，初始電感：

當(dāng)銜鐵位移,電感變?yōu)椋?/p>

電感變化量為：

靈敏度為：

當(dāng)很小時，高次項迅速衰減，非線性減小，但測量范圍變小。9變氣隙差動電感的幾種組合形式115.1.2開磁路電感傳感器在螺線管中插入鐵芯，當(dāng)鐵芯處于不同位置，螺線管具有不同電感值。靈敏度低，適于測量大位移（幾到數(shù)百毫米），電感量與位移量呈線性關(guān)系。根據(jù)電磁場理論，空芯電感線圈的電感量為：

r—內(nèi)徑l—長度插入鐵芯后，電感增長值為：

lc

—鐵芯插入長度

當(dāng)l>>r,lc>>rc時,

總電感量為：

總電感量L與鐵芯的直線位移近似成線性關(guān)系。12

差動螺線管：兩個完全相同的螺線管相接，初始鐵芯處于對稱位置，L10=L20。（圖5.6）初始電感：當(dāng)鐵芯移動后：

（單個線圈）

單個線圈靈敏度：可知：lc、rc↑，L0↑，但K↓。鐵芯材料的選擇：13

§5.2

差動變壓器式電感傳感器把被測量轉(zhuǎn)換成線圈的互感變化來測量（互感傳感器）特點：結(jié)構(gòu)簡單，測量精度高，靈敏度高，測量范圍寬.5.2.1工作原理螺線管式差動變壓器15

5.2.2等效電路初級線圈的電流為：次級線圈的感應(yīng)電壓為：互感系數(shù)：

—初級線圈的磁通穿過N2次級線圈的部份。穿過N2的磁鏈：16分子分母同乘然后按計算得到輸出阻抗（串聯(lián)）:

輸出電壓為：輸出幅度：零點殘余電壓e?！?/p>

傳感器在零位時，兩個次級繞組的電壓不能完全抵消，產(chǎn)生電壓輸出。17

5.2.4差動變壓器傳感器的誤差

1、激勵源頻率和幅度不穩(wěn)定引起的誤差。

2、溫度、濕度變化，使幾何尺寸變化。

3、兩電感線圈（次級）等效參數(shù)不對稱，不平衡誤差。（幾何尺寸，電氣性能不平衡）產(chǎn)生零點殘余電壓e。補(bǔ)償方法：①設(shè)計和工藝；②拆圈實驗法；③電路。（如橋路中調(diào)零電位器）5.2.3差動變壓器傳感器參數(shù)的選取注意保持兩個次級繞組的一致性。R/r比值越大，線性越好，但靈敏度越低。1820§5.3電渦流式傳感器特點：非接觸式測量，測量范圍大，結(jié)構(gòu)簡單，不受介質(zhì)影響，頻帶寬，抗干擾能力強(qiáng)。5.3.1工作原理及等效電路在線圈中通過正弦交流電，在線圈周圍空間會產(chǎn)生交變磁場，當(dāng)金屬導(dǎo)體靠近時，就會產(chǎn)生渦流。渦流的大小與金屬導(dǎo)體的電阻率，磁導(dǎo)率，厚度d，線圈與金屬導(dǎo)體的距離x，線圈勵磁電流的角頻率等參數(shù)有關(guān)。21

根據(jù)等效電路，按基爾霍夫電壓定律可列出如下方程：解出、，求出線圈受金屬導(dǎo)體影響后的等效阻抗Z。

Req、Leq分別為線圈受到金屬導(dǎo)體影響后的有功電阻和等效電感。線圈的品質(zhì)因素為：

電氣參數(shù)Z、Req、Leq、Qeq均是M的函數(shù)，即距離x的函數(shù)?！嗫赏ㄟ^測量以上電氣參數(shù)的變化測量使其變化的非電量22

5.3.2電渦流的形成范圍

1、渦流強(qiáng)度與距離的關(guān)系電渦流強(qiáng)度I2隨線圈與導(dǎo)體間的距離x與線圈外徑r0s的比值的增大而迅速減小。應(yīng)使x/r0s<1。

2、電渦流的徑向形成范圍在導(dǎo)體半徑等于線圈半徑處，r=r0，電渦流密度最大。

r>1.8r0時，jx<j0×0.5%。j0—r=r0處的電渦流密度。

3、電渦流的軸向貫穿深度（由于集膚效應(yīng)，磁場不能透過所有厚度的金屬）。導(dǎo)磁率越低，電阻率越高，激勵頻率越低，軸向貫穿深度越大。電渦流強(qiáng)度與距離的關(guān)系電渦強(qiáng)度與距離x呈非線性關(guān)系,且隨著x/ras的增加而迅速減小。當(dāng)利用電渦流式傳感器測量位移時,只有在x/ras<<1(一般取0.05～0.15)的范圍才能得到較好的線性和較高的靈敏度2624

§5.4電感式傳感器的測量電路

5.4.1自感式傳感器的測量電路

1、脈沖調(diào)寬式測量電路

變氣隙差動電感傳感器與電容傳感器脈沖寬度調(diào)制電路相似。25∵令R1=R2，并將代入上式:平均電壓正比于輸入非電量。如直接用

則：262、交流電橋測量電路設(shè)，，，，則：當(dāng)：ωL>>0時，當(dāng)有位移時，∴采用相敏撿波電路撿出位移量方向。系統(tǒng)靈敏度：

變壓器式交流電橋6當(dāng)傳感器銜鐵上移時,即Z1=Z+ΔZ,Z2=Z-ΔZ,此時當(dāng)傳感器銜鐵下移時,即Z1=Z-ΔZ,Z2=Z+ΔZ,此時285.4.2差動變壓器式傳感器測量電路

1、精密二極管撿波測量電路初始,,

銜鐵向上位移,,

銜鐵向下位移,,

29在e1正半周，放大器A輸出為負(fù)，D2截止，D1導(dǎo)通，UA=Σ虛地點電壓≈0在e2負(fù)半周，放大器B輸出為正，D4截止，D3導(dǎo)通，UB=Σ虛地點電壓≈0在e1負(fù)半周，放大器A輸出為正，D2導(dǎo)通,D1截止在e2正半周，放大器B輸出為負(fù)，D4導(dǎo)通,D3截止30

2、差動變壓器相敏撿波測量電路311）當(dāng)振蕩變壓器5、6、7的極性為5“－”、7“+”的半周時，D1、D2導(dǎo)通，D3、D4截止。相敏撿波器工作情況如圖a所示。Ux為差動變壓器輸出放大后的信號.①②若：

負(fù)載，為表頭內(nèi)阻。式①－②，再用代入得：

322）在另一半周內(nèi)，D1、D2截止，D3、D4導(dǎo)通，如圖b所示。這時Ux不再向表頭輸送電流，可見是半波撿波。C2的濾波作用，使表頭內(nèi)流過半波撿波平均電流。33

3）設(shè)在前半周參考電壓極性不變，但傳感器磁芯位移方向改變。使Ux極性為⊕、?所示，則流過表頭的電流如虛線所示。該電路既能撿出被測量信號的大小，又有判斷其方向，所以稱為相敏撿波。

4）D3、D4的作用是在后半周內(nèi)給C1提供放電的通路，否則C1被電荷堆積而堵塞，不能正常工作。345.4.3電渦流傳感器測量電路

1、電橋測量電路傳感器線圈A、B，電容C1、C2與電阻R1、R2組成電橋的4個臂。與電感、電容傳感器交流電橋類似。352、諧振測量電路（1）調(diào)頻式電路：原理框圖

把渦流傳感器的線圈接入諧振回路，以諧振頻率作為輸出量。采用鑒頻器將頻率變化轉(zhuǎn)換為電壓變化。傳感器與振蕩器連接電纜分布電容（150-100Pf/m）影響較大。幾皮法變化使振蕩頻率發(fā)生幾千赫變化。盡量將振蕩器電容與傳感器線圈裝在一起。36

（2）調(diào)幅式測量電路與調(diào)頻法不同，LC組成的并聯(lián)諧振，電路不是工作在諧振狀態(tài)，而是工作在失諧狀態(tài)。

初始，諧振頻率剛好諧振于激勵頻率。

37測量時：當(dāng)傳感器接近被測導(dǎo)體.非磁性材料：L↓，回路電阻有功分量增加，Z↓，U0↓。軟磁材料：L↑，回路電阻有功分量增加，Z↓，U0↓。38

§5.5電感式傳感器的應(yīng)用一、微型血壓計（電感式）

溫度補(bǔ)償：同時熱脹冷縮?？赏瑫r測量血壓波形和心音。

心音>50Hz，血壓頻譜<20Hz。壓力膜片位移x電感傳感器磁芯位移振蕩器3940

二、變壓器式嬰兒呼吸監(jiān)視儀

兩個帶鐵芯的線圈對稱安置在嬰兒兩側(cè)肋骨邊緣處。呼吸→肺活量變化→兩線圈距離變化→互感變化→副邊感應(yīng)電壓變化41

自動增益控制作用：（1）自動補(bǔ)償由于長期工作引起線圈位移而造成的非呼吸運(yùn)動偽差。（2）可以不必在每次測量時都因傳感器位置差別而調(diào)節(jié)靈敏度。