第5章電感式傳感器

第五章電感式傳感器電感式傳感器——利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)非電量如位移、壓力、流量、振動(dòng)等轉(zhuǎn)換成線圈自感系數(shù)L或互感系數(shù)M的變化，再由測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量的輸出。優(yōu)缺點(diǎn)？變磁阻式傳感器——自感式

差動(dòng)變壓器式傳感器——互感式電渦流式傳感器——電渦流式主要特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠靈敏度高，能分辨0.01μm的位移變化測(cè)量精度高、零點(diǎn)穩(wěn)定、輸出功率較大可實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸、記錄、顯示和控制在工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中被廣泛采用主要缺點(diǎn)靈敏度、線性度和測(cè)量范圍相互制約傳感器自身頻率響應(yīng)低，不適用于快速動(dòng)態(tài)測(cè)量變磁阻式傳感器工作原理銜鐵移動(dòng)δ改變磁阻變化電感值變化根據(jù)式(3-19)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(cè)量變換為直線位移的物理參量由公式(3-19)可見(jiàn)，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

變磁阻式傳感器輸出特性初始電感量：初始點(diǎn)銜鐵上移Δδ，δ＝δ0－Δδ同理，銜鐵下移Δδ，δ＝δ0＋Δδ忽略高價(jià)項(xiàng)：

靈敏度為：

（表明？）由此可見(jiàn)，變隙式傳感器的測(cè)量范圍與靈敏度及線性度之間存在矛盾，因此，變隙式電感傳感器用于測(cè)量微小位移量的場(chǎng)合。為減小非線性誤差，實(shí)際測(cè)量中廣泛采用差動(dòng)變隙式自感傳感器。1—鐵芯2—線圈3—銜鐵圖5-2差動(dòng)變隙式電感傳感器差動(dòng)式變間隙電感傳感器的靈敏度是單線圈式的兩倍。差動(dòng)式變間隙電感傳感器的非線性項(xiàng)次數(shù)高，線性度得到明顯改善。交流電橋式測(cè)量電路50電橋平衡條件：Z1=Z2;Z3=Z4平衡狀態(tài)下：U0＝0銜鐵偏離中心位置后：(假設(shè)Z1=Z+ΔZ1;Z2=Z-ΔZ2;還假設(shè)傳感器線圈具有高品質(zhì)因數(shù))又忽略高次項(xiàng)得故（注：此圖中的電橋輸入輸出端口與上一章中的位置剛好相反）交流電橋式測(cè)量電路靈敏度分析靈敏度K0為兩點(diǎn)結(jié)論：差動(dòng)式變間隙電感傳感器的靈敏度是單線圈式的兩倍。差動(dòng)式變間隙電感傳感器的非線性項(xiàng)次數(shù)高，線性度得到明顯改善。變壓器式交流電橋6當(dāng)傳感器銜鐵上移時(shí),即Z1=Z+ΔZ,Z2=Z-ΔZ,此時(shí)當(dāng)傳感器銜鐵下移時(shí),即Z1=Z-ΔZ,Z2=Z+ΔZ,此時(shí)諧振式測(cè)量電路78差動(dòng)變壓器式傳感器互感式傳感器——把被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感變化的傳感器差動(dòng)變壓器式傳感器——次級(jí)繞組用差動(dòng)形式結(jié)構(gòu)：變隙式、變面積式、螺線管式優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠螺線管式差動(dòng)變壓器螺線管差動(dòng)變壓器工作原理14螺線管式差動(dòng)變壓器工作原理16（兩次級(jí)線圈反相串聯(lián)，忽略鐵損、導(dǎo)磁體磁阻和線圈分布電容）銜鐵在平衡位置時(shí)……活動(dòng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí),由于磁阻的影響,w2a中磁通將大于w2b,使M1>M2

，……反之……即：當(dāng)銜鐵位移發(fā)生變化時(shí)，輸出電壓會(huì)隨之發(fā)生變化

螺線管式差動(dòng)變壓器基本特性16（兩次級(jí)線圈反相串聯(lián)，忽略鐵損、導(dǎo)磁體磁阻和線圈分布電容）銜鐵在中間位置時(shí)，M1=M2=M，故U2=0

活動(dòng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí),M1=M+ΔMM2=M-ΔM

與同極性活動(dòng)銜鐵向下移動(dòng)時(shí),M1=M-ΔMM2=M+ΔM

與同極性輸出特點(diǎn)：輸出（交流電壓）幅值與銜鐵偏移量成正比；銜鐵過(guò)平衡點(diǎn)時(shí)，相位改變180度。

零點(diǎn)殘余電壓及補(bǔ)償17零點(diǎn)殘余電壓ΔU0零點(diǎn)殘余電壓主要是由傳感器的兩次級(jí)繞組的電氣參數(shù)與幾何尺寸不對(duì)稱，以及磁性材料的非線性等問(wèn)題引起的。（基波、高次諧波）rCW1W2輸出圖1零點(diǎn)殘余電壓的補(bǔ)償（直接補(bǔ)償）輸出rCW1W2交流輸入～圖2零點(diǎn)殘余電壓補(bǔ)償?shù)牧硪环N方法（間接補(bǔ)償）差動(dòng)式變壓器測(cè)量電路兩個(gè)目的：辨別移動(dòng)方向消除零點(diǎn)殘余電壓兩種方法：差動(dòng)整流電路相敏檢波電路差動(dòng)整流電路18

相敏檢波電路19電渦流式傳感器工作原理22傳感器等效阻抗發(fā)生變化電渦流效應(yīng)——塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí),導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應(yīng)電流。一般用于測(cè)量x，也有用于測(cè)量ρ、μ電渦流傳感器基本特性等效電路模型：線圈的等效阻抗：電渦流的徑向形成范圍25電渦流徑向形成的范圍大約在傳感器線圈外徑ras的1.8～2.5倍范圍內(nèi),且分布不均勻電渦流密度在短路環(huán)半徑r=0處為零電渦流的最大值在r=ras附近的一個(gè)狹窄區(qū)域內(nèi)可以用一個(gè)平均半徑為ras（ras=（ri+ra）/2）的短路環(huán)來(lái)集中表示分散的電渦流（圖中陰影部分）電渦流強(qiáng)度與距