第3章 电式传感器.docVIP

第3章 电感式传感器 本章要点： 电感式传感器的定义、原理、种类、特性及用途 变磁阻式传感器的结构、原理及应用 差动变压器式传感器的结构、原理及应用 电涡流式传感器的结构、原理及应用 3.1 概述 电感式传感器(inductance type transducer)是利用电磁感应原理将被测非电量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈自感量L或互感量M的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出的一种传感器。由铁心和线圈构成的将直线或角位移的变化转换为线圈电感量变化的传感器，又称电感式位移传感器。这种传感器的线圈匝数和材料导磁系数都是一定的，其电感量的变化是由于位移输入量导致线圈磁路的几何尺寸变化而引起的。当把线圈接入测量电路并接通激励电源时，就可获得正比于位移输入量的电压或电流输出。 根据工作原理的不同，电感式传感器可分为变磁阻式传感器（variable reluctive transducer）、变压器式传感器(transformer type transducer )和电涡流式传感器(eddy current type transducer)等种类。外形如彩图3、彩图3-1及彩图3-2所示。 电感式传感器有以下特点： 工作可靠，寿命长； 灵敏度高，分辨率高(位移变化0.01μm，角度变化0.1’’)； 测量精度高，线性好(非线性误差可达0.05%-0.1%)； 性能稳定，重复性好。 电感式传感器的主要缺点是灵敏度、线性度和测量范围相互制约,存在交流零位信号，传感器自身频率响应低，不适用于高频动态测量。 电感式传感器主要用于位移测量和可以转换成位移变化的机械量（如力、张力、压力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位、比重、转矩等）的测量。这种传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制，在工业自动控制系统中被广泛采用。在实际应用中，这三种传感器多制成差动式，以便提高线性度和减小电磁吸力所造成的附加误差。 带有模拟输出的电感式接近传感器是一种测量式控制位置偏差的电子信号发生器，其用途非常广泛。例如：可测量弯曲和偏移；可测量振荡的振幅高度；可控制尺寸的稳定性；可控制定位；可控制对中心率或偏心率。 当金属物体接近模拟传感器的感应面时使模拟传感器LC振荡量衰减，利用这一点的变化量，转换为电流输出量，输出电流的大小直接和金属物体与模拟传感器感应面之间距离远近成正比例关系。 电感传感器还可用作磁敏速度开关、齿轮龄条测速等，该类传感器广泛应用于纺织、化纤、机床、机械、冶金、机车汽车等行业的链轮齿速度检测，链输送带的速度和距离检测，齿轮龄计数转速表及汽车防护系统的控制等。另外该类传感器还可用在给料管理系统中小物体检测、物体喷出控制、断线监测、小零件区分、厚度检测和位置控制等 。 电感式传感器种类很多，本章主要介绍变磁阻式、变压器式和电涡流式三种传感器的结构、原理及应用。 3.2 变磁阻式传感器 变磁阻式传感器是将位移、转速、加速度等非电物理量转换为磁阻变化的传感器。变磁阻式传感器的原理结构如图3-1所示。它由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成，在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为δ，传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度δ发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。 根据电感定义,线圈中电感量可由下式确定: (3-1) 式中：ψ—线圈总磁链；I—通过线圈的电流； N—线圈的匝数；Φ—穿过线圈的磁通。 由磁路欧姆定律,得 (3-2) 式中: Rm—磁路总磁阻。对于变隙式传感器，因为气隙很小，所以可以认为气隙中的磁场是均匀的。 若忽略磁路磁损,则磁路总磁阻为： (3-3) 式中：μ1—铁芯材料的导磁率；μ2—衔铁材料的导磁率；L1—磁通通过铁芯的长度； L2—磁通通过衔铁的长度；S1—铁芯的截面积；S2—衔铁的截面积； μ0—空气的导磁率；S0—气隙的截面积；δ—气隙的厚度； 通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻,即： ； 则式(3-3)可近似为： (3-4) 联立式(3-1)，式(3-2)及式(3-4)，可得： (3-5) 上式表明，当线圈匝数为常数时，电感L仅仅是磁路中磁阻的函数，只要改变δ或S0均可导致电感变化，因此变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度δ的传感器和变气隙面积Ｓ0的传感器。使用最广泛的是变气隙厚度δ式电感传感器。 3.2.2 输出特性 设电感传感器初始气隙为δ0，初始电感量为L0，衔铁位移引起的