傳感器原理13電感式傳感器.pdf

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1、1.3電感式傳感器電感式傳感器是利用被測(cè)量的變化引起線圈自感或互感系數(shù)的變化，從而導(dǎo)致線圈電感量改變這一物理現(xiàn)象來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量的。因此根據(jù)轉(zhuǎn)換原理，電感式傳感器可以分為自感式和互感式兩大類。3.1.1自感式電感傳感器自感式電感傳感器可分為變間隙型、變面積型和螺管型三種類型。a)氣隙型b)截面型c)螺管型自感式傳感器原理圖原理：x(位移、流量、振動(dòng)）??L（自感）UI（）結(jié)構(gòu)形式：變間隙式、變面積式和螺管式。線圈自感量為：N：電感線圈的匝數(shù)；22NNA?L??0μ0：空氣的磁導(dǎo)率；R2?δ：空氣隙厚度；mA：和面積。LL=f(A)由公式可以

2、看出，空氣隙厚度δ與線圈自感L是非線性關(guān)系，磁通面積A與L是線性L=f(δ)關(guān)系，見(jiàn)曲線圖。δ，A電感傳感器特性一、變間隙型電感傳感器變間隙型電感傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。傳感器由線圈、鐵心和銜鐵組成。工作時(shí)銜鐵與被測(cè)物體連接，被測(cè)物體的位移將引起空氣隙的長(zhǎng)度發(fā)生變化。由于氣隙磁阻的變化，導(dǎo)致了線圈電感量的變化。線圈鐵心?銜鐵二、變面積型電感傳感器由變氣隙型電感傳感器可知，氣21隙長(zhǎng)度不變，鐵心與銜鐵之間相對(duì)3δ而言覆蓋面積隨被測(cè)量的變化面改變，從而導(dǎo)致線圈的電感量發(fā)生變化，這種形式稱之為變面積型電感傳感器，其結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖。通過(guò)對(duì)

3、公式式分析可知，線圈電感量L與氣隙厚度是非線性的，但與磁通截面積A卻是成正比，是一種線變面積型電感傳感器1-銜鐵2-鐵芯3-線圈性關(guān)系。三、螺管型電感式傳感器圖為螺管型電感式傳感器的結(jié)構(gòu)圖。螺管型電感傳感器的銜鐵隨被測(cè)對(duì)象移動(dòng)，線圈磁力線路徑上的磁阻發(fā)生變化，線圈電感量也因此而變化。線圈電感量的大小與銜鐵插入線圈的深度有關(guān)。螺管式電感傳感器線圈建立在磁路磁阻隨著活動(dòng)鐵芯cr2銜鐵插入深度不同而r變化的基礎(chǔ)上。xlx??R???LmL(x)關(guān)系式：2??rxcLx（）?L??1(???1)0r2??rl通過(guò)以上三種形式的電感式傳感器的分

4、析,可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:I.變間隙型靈敏度較高,但非線性誤差較大,且制作裝配比較困難。II.變面積型靈敏度較前者小,但線性較好,量程較大,使用比較廣泛。III.螺管型靈敏度較低,但量程大且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于制作和批量生產(chǎn),是使用最廣泛的一種電感式傳感器。四、差動(dòng)式電感傳感器在實(shí)際使用中,常采用兩個(gè)相同的傳感線圈共用一個(gè)銜鐵,構(gòu)成差動(dòng)式電感傳感器,這樣可以提高傳感器的靈敏度,減小測(cè)量誤差。圖是變間隙型、變面積型及螺管型三種類型的差動(dòng)式電感傳感器。l23l34434l2a)b)c)差動(dòng)式電感傳感器a)變間隙型b)變面積型c)螺管型1-線圈2-

5、鐵芯3-銜鐵4-導(dǎo)桿差動(dòng)式電感傳感器的結(jié)構(gòu)要求兩個(gè)導(dǎo)磁體的幾何尺寸及材料完全相同，兩個(gè)線圈的電氣參數(shù)和幾何尺寸完全相同。差動(dòng)式結(jié)構(gòu)除了可以改善線性、提高靈敏度外，對(duì)溫度變化、電源頻率變化等影響，也可以進(jìn)行補(bǔ)償，從而減少了外界影響造成的誤差。五、測(cè)量電路交流電橋是電感式傳感器的主要測(cè)量電路，它的作用是將線圈電感的變化轉(zhuǎn)換成電橋電路的電壓或電流輸出。前面已提到差動(dòng)式結(jié)構(gòu)可以提高靈敏度，改善線性，所以交流電橋也多采用雙臂工作形式。通常將傳感器作為電橋的兩個(gè)工作臂，電橋的平衡臂可以是純電阻，也可以是變壓器的二次側(cè)繞組或緊耦合電感線圈。圖是交流

6、電橋的幾種常用形式。RR43Z1Z2Z1U/2UoRULUoUUoLxU/2Z2R2LLL2Rx～Ua)電阻平衡臂電橋b)變壓器式電橋c)緊偶合電感臂電橋交流電橋的幾種形式1、電阻平衡臂電橋RR43電阻平衡臂電橋如圖所示。Z1、Z2為傳感器阻抗。RLUoLx在電橋平衡時(shí)：R2L2RxRRR??33R；LL～UXX22RR44電阻平衡臂電橋在進(jìn)行差動(dòng)形式測(cè)量時(shí)：R??RR12靜態(tài)情況下：Z?Z?R?jL?XX2工作時(shí)：Z?Z??Z，Z?Z??ZX2??UL?當(dāng)?LRX時(shí)，輸出電壓可近似為：U0?2L由上式可以看出：交流電橋的輸出電壓與傳

7、感器線圈電感的相對(duì)變化量是成正比的。2、變壓器式電橋變壓器式電橋如圖所示，它的平衡Z1U/2臂為變壓器的兩個(gè)二次側(cè)繞組，由于UUo是雙臂工作形式當(dāng)銜鐵下移時(shí)，U/2Z2Z1=Z-△Z，Z2=Z+△Z，則有：??UZ?變壓器式電橋U0?2Z??UZ?同理，當(dāng)銜鐵上移時(shí)，則有：U0??2Z可見(jiàn)，輸出電壓反映了傳感器線圈阻抗的變化，由于是交流信號(hào)，還要經(jīng)過(guò)適當(dāng)電路處理才能判別銜鐵位移的大小及方向。1.3.2互感式傳感器（差動(dòng)變壓器）一、工作原理分析差動(dòng)變壓器的工作原理類似變壓器的作用原理。這種類型的傳感器主要包括有銜鐵、一次繞組和二次繞組等

8、。一、二次繞組間的耦合能隨銜鐵的移動(dòng)而變化，即繞組間的互感隨被測(cè)位移改變而變化。由于在使用時(shí)采用兩個(gè)二次繞組反向串接，以差動(dòng)方式輸出，所以把這種傳感器稱為差動(dòng)變壓器式電感傳感器，通常簡(jiǎn)稱差動(dòng)變壓器。圖為差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)示