關(guān)于電感式傳感器解析

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)換成線圈自感量L或互感量M的變化,再由測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出,這種裝置稱為電感式傳感器電感式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,工作可靠,測(cè)量精度高,零點(diǎn)穩(wěn)定,輸出功率較大等一系列優(yōu)點(diǎn),其主要缺點(diǎn)是靈敏度、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。這種傳感器能實(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。電感式傳感器種類很多,本章主要介紹自感式、互感式和電渦流式三種傳感器。4.1變磁阻式傳感器

一、工作原理變磁阻式傳感器的結(jié)構(gòu)如圖4-1所示。它由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料如硅鋼片或坡莫合金制成,在鐵芯和銜鐵之間有氣隙,氣隙厚度為δ,傳感器的運(yùn)動(dòng)部分與銜鐵相連。當(dāng)銜鐵移動(dòng)時(shí),氣隙厚度δ發(fā)生改變,引起磁路中磁阻變化,從而導(dǎo)致電感線圈的電感值變化,因此只要能測(cè)出這種電感量的變化,就能確定銜鐵位移量的大小和方向。根據(jù)電感定義,線圈中電感量可由下式確定:L=(4-1）式中:——線圈總磁鏈;I——通過(guò)線圈的電流;w——線圈的匝數(shù);Φ——穿過(guò)線圈的磁通。由磁路歐姆定律,得式中:Rm——磁路總磁阻。對(duì)于變隙式傳感器,因?yàn)闅庀逗苄?所以可以認(rèn)為氣隙中的磁場(chǎng)是均勻的。若忽略磁路磁損,則磁路總磁阻為Rm=(4-3)式中:μ1——鐵芯材料的導(dǎo)磁率;μ2——銜鐵材料的導(dǎo)磁率;L1——磁通通過(guò)鐵芯的長(zhǎng)度;L2——磁通通過(guò)銜鐵的長(zhǎng)度;S1——鐵芯的截面積;S2——銜鐵的截面積;μ0——空氣的導(dǎo)磁率;S0——?dú)庀兜慕孛娣e;δ——?dú)庀兜暮穸取Ｍǔ庀洞抛柽h(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻,即則式(4-3）可近似為Rm=聯(lián)立式(4-1）#,式(4-2）及式(4-5）,可得(4-6）上式表明,當(dāng)線圈匝數(shù)為常數(shù)時(shí),電感L僅僅是磁路中磁阻Rm的函數(shù),只要改變?chǔ)幕騍0均可導(dǎo)致電感變化,因此變磁阻式傳感器又可分為變氣隙厚度δ的傳感器和變氣隙面積Ｓ0的傳感器。使用最廣泛的是變氣隙厚度δ式電感傳感器。

二、輸出特性設(shè)電感傳感器初始?xì)庀稙棣?,初始電感量為L(zhǎng)0,銜鐵位移引起的氣隙變化量為Δδ,從式(4-6）可知L與δ之間是非線性關(guān)系,特性曲線如圖(4-2）表示,初始電感量為當(dāng)銜鐵上移Δδ時(shí),傳感器氣隙減小Δδ,即δ=δ0-Δδ,則此時(shí)輸出電感為L(zhǎng)=L0+ΔL,代入式(4-6）式并整理,得當(dāng)Δδ/δ01時(shí),可將上式用臺(tái)勞級(jí)數(shù)展開成級(jí)數(shù)形式為L(zhǎng)=L0+ΔL=由上式可求得電感增量ΔL和相對(duì)增量ΔL/L0的表達(dá)式,即當(dāng)銜鐵上移Δδ時(shí),傳感器氣隙減小Δδ,即δ=δ0-Δδ,則此時(shí)輸出電感為L(zhǎng)=L0+ΔL,代入式(4-6）式并整理,得對(duì)式(4-11）、(4-13）作線性性處理理，忽忽略高高次項(xiàng)項(xiàng),可得靈敏度度為(4-15）由此可可見,變間隙隙式電電感傳傳感器器的測(cè)測(cè)量范范圍與與靈敏敏度及及線性性度相相矛盾盾,所以變變隙式式電感感式傳傳感器器用于于測(cè)量量微小小位移移時(shí)是是比較較精確確的。。為了了減小小非線線性誤誤差,實(shí)際測(cè)測(cè)量中中廣泛泛采用用差動(dòng)動(dòng)變隙式電電感傳傳感器器。圖4-3所示為為差動(dòng)動(dòng)變隙隙式電電感傳傳感器器的原原理結(jié)結(jié)構(gòu)圖圖。由由圖圖可知知,差動(dòng)變變隙式式電感感傳感感器由由兩個(gè)個(gè)相同同的電電感線線圈Ⅰ、Ⅱ和磁路路組成成,測(cè)量時(shí)時(shí),銜鐵通通過(guò)導(dǎo)導(dǎo)桿與與被測(cè)測(cè)位移移量相相連,當(dāng)被測(cè)測(cè)體上上下移移動(dòng)時(shí)時(shí),導(dǎo)桿帶動(dòng)銜銜鐵也以相相同的位移移上下移動(dòng)動(dòng),使兩個(gè)磁回回路中磁阻阻發(fā)生大小小相等#,方向相反的的變化,導(dǎo)致一個(gè)線線圈的電感感量增加,另一個(gè)線圈圈的電感量量減小,形成差動(dòng)形形式。當(dāng)銜銜鐵往上移移動(dòng)Δδ時(shí),兩個(gè)線圈的的電感變化化量ΔL1、ΔL2分別由式（（4-10）及式（4-12）表示,當(dāng)差動(dòng)使用用時(shí),兩個(gè)電感線線圈接成交交流電橋的的相鄰橋臂臂,另兩個(gè)橋臂臂由電阻組組成,電橋輸出電電壓與ΔL有關(guān),其具體表達(dá)達(dá)式為ΔL=ΔΔL1+ΔL2對(duì)上式進(jìn)行行線性處理理，忽略高高次項(xiàng)得靈敏度K0為比較單線圈圈和差動(dòng)兩兩種變間隙隙式電感傳傳感器的特特性,可以得到如下下結(jié)論:①差動(dòng)式比單線線圈式的靈敏敏度高一倍。。②差動(dòng)式的的非線性項(xiàng)等等于單線圈非非線性項(xiàng)乘以以（Δδ/δ0）因子,因?yàn)椋éう?δ0）1,所以,差動(dòng)式的線性性度得到明顯顯改善。為了使輸出特特性能得到有有效改善,構(gòu)成差動(dòng)的兩兩個(gè)變隙式電電感傳感器在在結(jié)構(gòu)尺寸、、材料、電氣參數(shù)等方方面均應(yīng)完全全一致。三、測(cè)量量電路電感式傳感器器的測(cè)量電路路有交流電橋橋式、交流流變壓器式以以及諧振式等等幾種形式。。1.交流電橋式測(cè)測(cè)量電路圖4-4所示為交流電電橋測(cè)量電路路,把傳感器的兩兩個(gè)線圈作為為電橋的兩個(gè)個(gè)橋臂Z1和Z2,另外二個(gè)相鄰鄰的橋臂用純純電阻代替,對(duì)于高Q值（Q=ωL/R）的差動(dòng)式電感感傳感器,其輸出電壓式中中:L0————銜鐵鐵在在中中間間位位置置時(shí)時(shí)單單個(gè)個(gè)線線圈圈的的電電感感;ΔΔL————單線線圈圈電電感感的的變變化化量量。。將ΔL=L0（Δδδ/δδ0）代入入式式(4-19）得得（Δδδ/δδ0）,電橋橋輸輸出出電電壓壓與與Δδδ有關(guān)關(guān)。。2.變壓壓器器式式交交流流電電橋橋變壓壓器器式式交交流流電電橋橋測(cè)測(cè)量量電電路路如如圖圖4-5所示示,電橋橋兩兩臂臂Z1、Z2為傳傳感感器器線線圈圈阻阻抗抗,另外外兩兩橋橋臂臂為為交交流流變變壓壓器器次次級(jí)級(jí)線線圈圈的的1/2阻抗抗。。當(dāng)當(dāng)負(fù)負(fù)截截阻阻抗抗為為無(wú)無(wú)窮窮大大時(shí)時(shí),橋路路輸輸出出電電壓壓當(dāng)傳傳感感器器的的銜銜鐵鐵處處于于中中間間位位置置,即Z1=Z2=Z時(shí)有=0,電橋平衡衡。當(dāng)傳感器器銜鐵上上移時(shí),即Z1=Z+ΔΔZ,Z2=Z-ΔΔZ,此時(shí)當(dāng)傳感器器銜鐵下下移時(shí),則Z1=Z-ΔZ,Z2=Z+ΔZ,此時(shí)從式(4-21）及式(4-22）可知,銜鐵上下下移動(dòng)相相同距離離時(shí),輸出電壓壓的大小小相等,但方向相相反,由于是是交流電壓壓,輸出指示無(wú)無(wú)法判斷位位移方向,必須配合相相敏檢波電電路來(lái)解決決。3.諧振式測(cè)量量電路諧振式測(cè)量量電路有諧諧振式調(diào)幅幅電路如圖圖4-6所示,諧振式調(diào)頻頻電路如圖圖4-7所示。在調(diào)幅電路路中,傳感器電感感L與電容C#,變壓器原邊邊串聯(lián)在一一起,接入交流電電源,變壓器副邊邊將有電壓壓輸出,輸出電壓的的頻率與電電源頻率相相同,而幅值隨著著電感L而變化,圖4-6（b）所示為輸出出電壓與電感L的關(guān)系曲線線,其中L0為諧振點(diǎn)的的電感值,此電路靈敏敏度很高,但線性差,適用于線性性要求不高高的場(chǎng)合。。調(diào)頻電路的的基本原理理是傳感器器電感L變化將引起起輸出電壓壓頻率的變變化。一般般是把傳感感器電感L和電容C接入一個(gè)振振蕩回路中中,其振蕩頻率率f=1/［2π（LC）1/2］。當(dāng)L變化時(shí),振蕩頻率隨之之變化,根據(jù)f的大小即可可測(cè)出被測(cè)測(cè)量的值。。圖4-（b）表示f與L的特性,它具有明顯顯的非線性性關(guān)系。四、變變磁阻式傳傳感器的應(yīng)應(yīng)用圖4-8所示是變隙隙電感式壓壓力傳感器器的結(jié)構(gòu)圖圖。它由由膜盒、鐵鐵芯、銜銜鐵及線線圈等組成成,銜鐵與膜盒的的上端連在一一起。當(dāng)壓力進(jìn)入膜膜盒時(shí),膜盒的頂端在在壓力P的作用下產(chǎn)生生與壓力P大小成正比的的位移。于是是銜鐵也發(fā)生生移動(dòng),從而使氣隙發(fā)發(fā)生變化,流過(guò)線圈的電電流也發(fā)生相相應(yīng)的變化,電流表指示值就反映了被被測(cè)壓力的大大小。圖4-9所示為變隙式式差動(dòng)電感壓壓力傳感器。。它主要由C形彈簧管、銜銜鐵、鐵芯和線線圈等組成。。當(dāng)被測(cè)壓力進(jìn)進(jìn)入C形彈簧管時(shí),C形彈簧管產(chǎn)生生變形,其自由端發(fā)生生位移,帶動(dòng)與自由端端連接成一體體的銜鐵運(yùn)動(dòng)動(dòng),使線圈1和線圈2中的電感發(fā)生生大小相等、、符號(hào)相反反的變化,即一個(gè)電感量量增大,另一個(gè)電感量量減小。電電感的這種變變化通過(guò)電橋橋電路轉(zhuǎn)換成成電壓輸出。。由于輸出電電壓與被測(cè)壓壓力之間成比比例關(guān)系,所以只要用檢檢測(cè)儀表測(cè)量量出輸出電壓壓,即可得知被測(cè)測(cè)壓力的大小小。4.2差動(dòng)變壓器式式傳感器把被測(cè)測(cè)的非電量變變化轉(zhuǎn)換為線線圈互感量變變化的傳感器器稱為互感式式傳感器。這這種傳感器是是根據(jù)變壓器器的基本原理理制成的,并且次級(jí)繞組組都用差動(dòng)形形式連接,故稱差動(dòng)變壓壓器式傳感器器。差動(dòng)動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)構(gòu)形式較多,有變隙式、變變面積式和和螺線管式等等,但其工作原理理基本一樣。。非電量測(cè)量量中,應(yīng)用最多的是是螺線管式差差動(dòng)變壓器,它可以測(cè)量1～100mm范圍內(nèi)的機(jī)械位移,并具有測(cè)量精精度高,靈敏度高,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,性能可靠等優(yōu)優(yōu)點(diǎn)。差動(dòng)變壓器結(jié)結(jié)構(gòu)形式較多多,有變隙式、變變面積式和螺螺線管式等,但其工作原理理基本一樣。。非電量測(cè)量量中,應(yīng)用最多的是是螺線管式差差動(dòng)變壓器,它可以測(cè)量1～100mm范圍內(nèi)的機(jī)械械位移,并具有測(cè)量精精度高,靈敏度高,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,性能可靠等優(yōu)優(yōu)點(diǎn)。一、工作作原理螺線管式差動(dòng)動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)構(gòu)如圖4-10所示,它由初級(jí)線圈圈#,兩個(gè)次級(jí)線圈圈和插入線圈圈中央的圓柱柱形鐵芯等組組成。螺線管式差動(dòng)動(dòng)變壓器按線線圈繞組排列列的方式不同同可分為一節(jié)節(jié)、二節(jié)、三三節(jié)、四節(jié)和和五節(jié)式等類類型,如圖4-11所示。一節(jié)節(jié)式靈敏度高高,三節(jié)式零點(diǎn)殘殘余電壓較小小,通常采用的是二節(jié)式式和三節(jié)式兩兩類。差動(dòng)變壓器式式傳感器中兩兩個(gè)次級(jí)線圈圈反向串聯(lián),并且在忽略鐵鐵損、導(dǎo)磁磁體磁阻和線線圈分布電容容的理想條件件下,其等效電路如如圖4-12所示。當(dāng)初級(jí)級(jí)繞組w1加以激勵(lì)電壓壓時(shí),根據(jù)變壓器的的工作原理,在兩個(gè)次級(jí)繞繞組w2a和w2b中便會(huì)產(chǎn)生感感應(yīng)電勢(shì)和。如果工藝上保保證變壓器結(jié)結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱稱,則當(dāng)活動(dòng)銜鐵鐵處于初始平平衡位置時(shí),必然會(huì)使兩互互感系數(shù)M1=M2。根據(jù)電磁感應(yīng)應(yīng)原理,將有。由于變壓器兩兩次級(jí)繞組反反向串聯(lián),因而,即差動(dòng)變壓器輸出電電壓為零。活動(dòng)動(dòng)銜銜鐵鐵向向上上移移動(dòng)動(dòng)時(shí)時(shí),由于于磁磁阻阻的的影影響響,w2a中磁磁通通將將大大于于w2b,使M1>M2,因而而增加加,而減小小。。反反之之,增加加,減小小。。因因?yàn)闉?所以以當(dāng)當(dāng)、、隨著著銜銜鐵鐵位移移x變化化時(shí)時(shí),也必必將將隨隨x變化化。。圖圖4-13給出出了了變變壓壓器器輸輸出出電電壓壓與與活活動(dòng)動(dòng)銜銜鐵鐵位位移移x的關(guān)系曲曲線。實(shí)實(shí)際上,當(dāng)銜鐵位位于中心心位置時(shí)時(shí),差動(dòng)變壓壓器輸出出電壓并并不等于于零,我們把差差動(dòng)變壓壓器在零零位移時(shí)時(shí)的輸出出電壓稱稱為零點(diǎn)點(diǎn)殘余電電壓，記記作,它的存在使傳感感器的輸輸出特性性不過(guò)零零點(diǎn)，造造成實(shí)際際特性與與理論特特性不完完全一致致。零點(diǎn)殘余余電壓主主要是由由傳感器器的兩次次級(jí)繞組組的電氣氣參數(shù)與與幾何尺尺寸不對(duì)對(duì)稱，以以及磁性性材料的的非線性性等問(wèn)題題引起的的。零零點(diǎn)殘余余電壓的的波形十十分復(fù)雜雜，主要要由基波波和高次次諧波組組成?；óa(chǎn)生生的主要要原因是是：傳感感器的兩兩次級(jí)繞繞組的電電氣參數(shù)數(shù)和幾何何尺寸不不對(duì)稱，，導(dǎo)致它它們產(chǎn)生生的感應(yīng)應(yīng)電勢(shì)的的幅值不不等、相相位不同同，因此此不論怎怎樣調(diào)整整銜鐵位位置，兩兩線圈圈中感應(yīng)應(yīng)電勢(shì)都都不能完完全抵消消。高高次諧波波中起主主要作用用的是三三次諧波波，產(chǎn)產(chǎn)生的原原因是由由于磁性性材料磁磁化曲線線的非線線性(磁飽和、磁滯滯)。零點(diǎn)殘余余電壓一般在在幾十毫伏以以下，在實(shí)際際使用時(shí)，應(yīng)應(yīng)設(shè)法減小,否則將會(huì)影響響傳感器的測(cè)測(cè)量結(jié)果。二、、基基本本特特性性差動(dòng)動(dòng)變變壓壓器器等等效效電電路路如如圖圖4-12所示示。。當(dāng)當(dāng)次次級(jí)級(jí)開開路路時(shí)時(shí)有有(4-23)式中中:ωω————激勵(lì)勵(lì)電電壓壓的的角角頻頻率率;———初級(jí)級(jí)線線圈圈激激勵(lì)勵(lì)電電壓壓;———初級(jí)級(jí)線線圈圈激激勵(lì)勵(lì)電電流流;r1、L1———初級(jí)級(jí)線線圈圈直直流流電電阻阻和和電電感感。。根據(jù)電磁感應(yīng)應(yīng)定律,次級(jí)繞組中感感應(yīng)電勢(shì)的表表達(dá)式分別為為:由于次級(jí)兩繞繞組反向串聯(lián)聯(lián),且考慮到次級(jí)級(jí)開路,則由以上關(guān)系系可得:(4-26)輸出電壓的有有效值為(4-27)下面分三種情情況進(jìn)行分析析。(1)活動(dòng)銜鐵處于于中間位置時(shí)時(shí)M1=M2=M故=0(2)活動(dòng)銜銜鐵向向上移移動(dòng)時(shí)時(shí)M1=M+ΔMM2=M-ΔM故=2ωωΔM/［r21+（ωL1）2］1/2,與同極性性。(3)活動(dòng)銜銜鐵向向下移移動(dòng)時(shí)時(shí)M1=M-ΔMM2=M+ΔM故,與同極性性。三、差差動(dòng)變變壓器器式傳傳感器器測(cè)量量電路路差動(dòng)變變壓器器輸出出的是是交流流電壓壓,若用交交流電電壓表表測(cè)量量,只能反反映銜銜鐵位位移的的大小小,而不能能反映映移動(dòng)動(dòng)方向向。另另外,其測(cè)量量值中中將包包含零零點(diǎn)殘殘余電電壓。。為了了達(dá)到到能辨辨別移移動(dòng)方方向及及消除除零點(diǎn)點(diǎn)殘余余電壓壓的目目的,實(shí)際測(cè)測(cè)量時(shí)時(shí),常常采采用差差動(dòng)整整流電電路和和相敏敏檢波波電路路。1.差動(dòng)整整流電電路這種電電路是是把差差動(dòng)變變壓器器的兩兩個(gè)次次級(jí)輸輸出電電壓分分別整整流,然后將整流流的電壓或或電流的差差值作為輸輸出,圖4-14給出了幾種種典型電路路形式。圖圖中（a）、（c）適用于交流流負(fù)載阻抗抗,（b）、（d）適用于低負(fù)負(fù)載阻抗,電阻R0用于調(diào)整零零點(diǎn)殘余電電壓。下面結(jié)合圖圖4-14（c）,分析差動(dòng)整整流工作原原理。從圖4-14（c）電路結(jié)構(gòu)可可知,不論兩個(gè)次次級(jí)線圈的的輸出瞬時(shí)時(shí)電壓極性性如何,流經(jīng)電容C1的電流方向向總是從2到4,流經(jīng)電容C2的電流方向向從6到8,故整流電路路的輸出電電壓為U2=U24-U68(4-28)當(dāng)銜鐵在零零位時(shí),因?yàn)閁24=U68,所以U2=0;當(dāng)銜鐵在零零位以上時(shí)時(shí),因?yàn)閁24>U68,則U2>0;而當(dāng)銜鐵鐵在零位位以下時(shí)時(shí),則有U24<U68,則U2<0。差動(dòng)整流流電路具具有結(jié)構(gòu)構(gòu)簡(jiǎn)單#,不需要考考慮相位位調(diào)整和和零點(diǎn)殘殘余電壓壓的影響響#,分布電容容影響小和和便于遠(yuǎn)遠(yuǎn)距離傳傳輸?shù)葍?yōu)優(yōu)點(diǎn),因而獲得得廣泛應(yīng)應(yīng)用。2.相敏檢波波電路電路如圖圖4-15所示。VD1、VD2、VD3、VD4為四個(gè)性性能相同同的二極極管,以同一方方向串聯(lián)聯(lián)成一個(gè)個(gè)閉合回回路,形成環(huán)形形電橋。。輸入入信號(hào)u2(差動(dòng)變壓壓器式傳傳感器輸輸出的調(diào)調(diào)幅波電電壓)通過(guò)變壓壓器T1加到環(huán)形形電橋的的一個(gè)對(duì)對(duì)角線。。參考考信號(hào)u0通過(guò)變壓壓器T2加入環(huán)形形電橋的的另一個(gè)個(gè)對(duì)角線線。輸輸出信號(hào)號(hào)uL從變壓器器Ｔ1與Ｔ2的中心抽抽頭引出出。平衡衡電阻R起限流作作用,避免二極極管導(dǎo)通通時(shí)變壓壓器T2的次級(jí)電電流過(guò)大大。RL為負(fù)載電電阻。u0的幅值要要遠(yuǎn)大于于輸入信信號(hào)u2的幅值,以便有效效控制四四個(gè)二極極管的導(dǎo)導(dǎo)通狀態(tài)態(tài),且u0和差動(dòng)變變壓器式式傳感器器激磁電電壓u1由同一振蕩器器供電，保證二者同頻頻、同相（或或反相）。由圖4-16（a）、（c）、(d)可知,當(dāng)位移Δx>0時(shí),u2與u0同頻同相,當(dāng)位移Δx<0時(shí),u2與u0同頻反相。Δx>0時(shí),u2與u0為同頻同相,當(dāng)u2與u0均為正半周時(shí)時(shí),見圖4-15（a）,環(huán)形電橋中二二極管VD1、ＶD4截止,VD2、VD3導(dǎo)通,則可得圖4-15（b）的等效電路。。根據(jù)變壓器的的工作原理,考慮到O、M分別為變壓器器T1、T2的中心抽頭,則有u01=u02=(4-29)u21=u22=(4-30)式中中n1#,n2為變變壓壓器器T1、T2的變變比比。。采采用用電電路路分分析析的的基基本本方方法法,可求求得得圖圖4-15（b）所示示電電路路的的輸輸出出電電壓壓uL的表表達(dá)達(dá)式式:同理理當(dāng)當(dāng)u2與u0均為為負(fù)負(fù)半半周周時(shí)時(shí)