传感器与检测技术第四章电感式传感器A原理特征.pptVIP

* 传感器与检测技术 同济大学电子与信息工程学院控制科学与工程系 §4-1 自感式传感器 * 气隙型电感传感器工作原理？ 测量交流电桥有什么特点？ 变压器电桥的特点？ 第4章 电感式传感器 定义：是一种利用线圈自感和互感的变化实现非电量电测的装置。 感测量：位移、振动、压力、应变、流量、比重等。 种类：根据转换原理，分自感式和互感式两种； 根据结构型式，分气隙型、面积型和螺管型。 优点： ①结构简单、可靠，测量力小 衔铁为0.5～200×10-5N时，磁吸力为(1~10)×10-5N。 ②分辨力高 机械位移：0.1μm，甚至更小；角位移：0.1角秒。 输出信号强，电压灵敏度可达数百mV/mm 。 ③重复性好，线性度优良 在几十μm到数百mm的位移范围内，输出特性的线性度较好，且比较稳定。 不足：存在交流零位信号，不宜于高频动态测量。 * 1 2 3 (a)气隙式 (b)变截面式 一、气隙型电感传感器工作原理 衔铁移动 改变 磁阻变化 电感值变化 l1：铁芯磁路总长；l2：衔铁的磁路长； S：气隙磁通截面积； S1：铁芯横截面积；S2：衔铁横截面积； μ1：铁芯磁导率； μ2：衔铁磁导率；μ0：真空磁导率，μ0=4π×10-7H／m； lδ：空气隙总长。 * 可见，自感L是气隙截面积和长度的函数，即L＝f(S,lδ) 如果S保持不变，则L为lδ的单值函数，构成变隙式自感传感器；若保持lδ不变，使S随位移变化，则构成变截面式自感传感器。其特性曲线如图。 2、特性分析 主要特性:灵敏度和线性度。当铁芯和衔铁采用同一种导磁材料，且截面相同时，因为气隙lδ一般较小，故可认为气隙磁通截面与铁芯截面相等，设磁路总长为 l ，则 K=μ0N 2S 一般μr1，所以 当气隙减少△lδ时 自感的相对变化 同理，当总气隙长度增加Δlδ时，自感减小为ΔL2，即 若忽略高次项，则自感变化灵敏度为 线性度 lδ L ΔL1 ΔL2 L0 lδ0 ①当气隙lδ发生变化时，自感的变化与气隙变化均呈非线性关系，其非线性程度随气隙相对变化Δlδ/lδ的增大而增加； ②气隙减少Δlδ所引起的自感变化ΔL1与气隙增加同样Δlδ所引起的自感变化ΔL2并不相等，即ΔL1＞ΔL2，其差值随Δlδ/lδ的增加而增大。 差动变气隙式自感传感器结构由两个电气参数和磁路完全相同的线圈组成。当衔铁3移动时，一个线圈的自感增加，另一个线圈的自感减少，形成差动形式。如将这两个差动线圈 E USC 1 3 4 2 Ⅰ Ⅱ R R (l-Δ lδ)/2 (l-Δ lδ)/2 分别接入测量电桥邻臂，则当磁路总气隙改变Δlδ时，自感相对变化为 ①差动式自感传感器的灵敏度比单线圈传感器提高一倍 ②差动式自感传感器非线性失真小,如当Δlδ/lδ=10％时 (略去l／lδ·μr), 单线圈δ＜10％；而差动式的δ＜1％。 75 50 25 0 50 75 100 L/mH lδ/mm 100 25 LD 4 3 2 1 Ⅰ Ⅱ 1 2 3 4 -Δ lδ Δ lδ 对差动气隙式传感器其Δlδ/lδ与l/(lδμr)的变化受到灵敏度和非线性失真相互矛盾的制约,因此只能适当选取。一般差动变隙式自感传感器Δlδ/lδ＝0.1～0.2时，可使传感器非线性误差在3％左右。其工作行程很小,若取lδ＝2mm,则行程为(0.2—0.5)mm；较大行程的位移测量,常利用螺管式自感传感器 1 线圈Ⅰ自感特性； 2 线圈Ⅱ自感特性；3 线圈Ⅰ与Ⅱ差动自感特性；4 特性曲线 差动式自感传感器的输出特性 （二）测量电路 1、交流电桥 交流电桥是自感传感器的主要测量电路，为了提高灵敏度，改善线性度，自感线圈一般接成差动形式，如图。Z1、Z2为工作臂，即线圈阻抗，R1、R2为电桥的平衡臂 电桥平衡条件： 设Z1=Z2=Z=RS+jωL；R1=R2=R RS1=RS2=RS； L1=L2=L E为桥路电源，ZL是负载阻抗。工作时，Z1=Z+ΔZ和Z2=Z-ΔZ ZL R1 R2 Z2 Z1 L1 L2 RS1 RS2 交流电桥原理图 USC E 其输出电压幅值 当ZL→∞时 输出阻抗 为自感线圈的品质因数。 ①桥路输出电压Usc包含与电源E同相和正交两个分量。 在实际测量中，只希望有同相分量，如能使 或Q值比较大，均能达到此目的。但在实际工作时， △RS/RS一般很小，所以要求线圈有高的品质因数。 当Q值很高时，Usc＝ ； ②当Q值很低时，自感线圈的电感远小于电阻，电感线圈相当于纯电阻(ΔZ＝Rs)，交流电桥即为电