第3章 信号检出技术-1.pdfVIP

第三章 常用传感器 第三章 常用传感器 3.1 长度及线位移传感器 长度和线位移是几何量中最为基本的计量测试内容，它在工业检测中占有重要地位， 也是工业在线检测、计量测试、检定标定等领域中最为经常性的工作。 能够实现长度和线位移测量的传感器较多，目前主要有机械式传感器(如杠杆式、齿轮 式等) 、电感传感器、电容传感器、光栅传感器、磁栅传感器、容栅传感器、感应同步器和 光电式传感器等。 以下仅介绍其中一些较为常见的传感器原理。 3.1.1 电感传感器 电感传感器是一种利用传感器线圈的电感变化来检测非电量的机电转换装置。主要用 以检测位移，同时可以测量振动、力、应变、流量和密度等物理量。其特点是结构简单、工 作可靠、寿命长、精度高，分辨力可达 0.1 μm 以上。它既可以用于计量室，也可以工作在 工业现场等较为恶劣的工作环境中工作，因而在计量测试、工业生产和科学研究等领域得到 广泛应用。电感传感器的缺点是线性范围较小，且不适于高频动态测量场合。 根据传感器线圈的接线形式的不同，电感传感器可以分为自感式和互感式两种。 1．自感式电感传感器 图3—2 所示为一种简单的自感式传感器，它由线圈、铁心和衔铁等组成。当衔铁随被 测量变化而上下移动时，铁心气隙、磁路磁阻随之变化，引起线圈电感量变化，然后通过测 量电路转换成与位移成比例的电量输出，实现了非电量到电量的变换。可见，这种传感器实 质上是一种具有可变气隙的铁心线圈，因此这种传感器也被称为变气隙型电感传感器。 传感器线圈的等效电路如图3—3 所示。由于气隙通常较小，可以认为气隙磁场是均匀 的，若忽略磁路铁损，则传感器线圈的电感为 式中，μ —真空磁导率，4μ 10π ×/ H−7 m 0 0 W——线圈匝数； 2 A——磁通截面积(m ) ； l——磁路长度(m) ； 第 1 页 共 23 页 第三章 常用传感器 lδ ——气隙总长(m) ； μ ——铁心和衔铁的相对磁导率。τ 在上式中，W 、μ 、A 、l、μ 均为常数(对同一传感器线圈而言) ，因此电感的变化只 0 τ 与气隙长度 有关。令常数 2 ，则式(3—1)变为 lδ K W A μ0 对上式微分，可得变气隙型自感传感器的输出灵敏度为 由上式可知，变气隙型传感器的输出特性是非线性的，式中的负号表示灵敏度随着气 隙的增加而减小。为了增大灵敏度，应当减小气隙，但这又受到工艺和结构的限制。因此， 为了保证一定的测量范围和灵敏度，对于变气隙型自感传感器，常取气隙尺寸(即测量范围) / 2 0δ.1 ~ l0.5 mm 。 为 δ 对于图3—2 所示的变气隙型传感器，如果保持气隙 不变，令磁通截面积A 随着被测 l δ 量变化(即衔铁沿水平方向移动) ，则构成变面积式自感传感器。根据式(3—2) ，此时传感器 线圈的电感为 式中， 2 ，为一常数。 K W l l/( μ / ) δ + μτ 0 对式(3—4)微分，可得变面积型自感传感器的输出灵敏度为 可见，变面积型传感器在忽略气隙磁通边缘效应的条件下，输出特性呈线性，因此可 望得到较大的测量范围。与此同时，变面积型传感器的输出灵