关于电感式传感器解析

电感式传感器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,这种装置称为电感式传感器电感式传感器具有结构简单,工作可靠,测量精度高,零点稳定,输出功率较大等一系列优点,其主要缺点是灵敏度、线性度和测量范围相互制约,传感器自身频率响应低,不适用于快速动态测量。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。电感式传感器种类很多,本章主要介绍自感式、互感式和电涡流式三种传感器。4.1变磁阻式传感器

一、工作原理变磁阻式传感器的结构如图4-1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:L=(4-1）式中:——线圈总磁链;I——通过线圈的电流;w——线圈的匝数;Φ——穿过线圈的磁通。由磁路欧姆定律,得式中: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Rm=(4-3)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(4-3）可近似为Rm=联立式(4-1）#,式(4-2）及式(4-5）,可得(4-6）上式表明,当线圈匝数为常数时,电感L仅仅是磁路中磁阻Rm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。

二、输出特性设电感传感器初始气隙为δ0,初始电感量为L0,衔铁位移引起的气隙变化量为Δδ,从式(4-6）可知L与δ之间是非线性关系,特性曲线如图(4-2）表示,初始电感量为当衔铁上移Δδ时,传感器气隙减小Δδ,即δ=δ0-Δδ,则此时输出电感为L=L0+ΔL,代入式(4-6）式并整理,得当Δδ/δ01时,可将上式用台劳级数展开成级数形式为L=L0+ΔL=由上式可求得电感增量ΔL和相对增量ΔL/L0的表达式,即当衔铁上移Δδ时,传感器气隙减小Δδ,即δ=δ0-Δδ,则此时输出电感为L=L0+ΔL,代入式(4-6）式并整理,得对式(4-11）、(4-13）作线性性处理理，忽忽略高高次项项,可得灵敏度度为(4-15）由此可可见,变间隙隙式电电感传传感器器的测测量范范围与与灵敏敏度及及线性性度相相矛盾盾,所以变变隙式式电感感式传传感器器用于于测量量微小小位移移时是是比较较精确确的。。为了了减小小非线线性误误差,实际测测量中中广泛泛采用用差动动变隙式电电感传传感器器。图4-3所示为为差动动变隙隙式电电感传传感器器的原原理结结构图图。由由图图可知知,差动变变隙式式电感感传感感器由由两个个相同同的电电感线线圈Ⅰ、Ⅱ和磁路路组成成,测量时时,衔铁通通过导导杆与与被测测位移移量相相连,当被测测体上上下移移动时时,导杆带动衔衔铁也以相相同的位移移上下移动动,使两个磁回回路中磁阻阻发生大小小相等#,方向相反的的变化,导致一个线线圈的电感感量增加,另一个线圈圈的电感量量减小,形成差动形形式。当衔衔铁往上移移动Δδ时,两个线圈的的电感变化化量ΔL1、ΔL2分别由式（（4-10）及式（4-12）表示,当差动使用用时,两个电感线线圈接成交交流电桥的的相邻桥臂臂,另两个桥臂臂由电阻组组成,电桥输出电电压与ΔL有关,其具体表达达式为ΔL=ΔΔL1+ΔL2对上式进行行线性处理理，忽略高高次项得灵敏度K0为比较单线圈圈和差动两两种变间隙隙式电感传传感器的特特性,可以得到如下下结论:①差动式比单线线圈式的灵敏敏度高一倍。。②差动式的的非线性项等等于单线圈非非线性项乘以以（Δδ/δ0）因子,因为（Δδ/δ0）1,所以,差动式的线性性度得到明显显改善。为了使输出特特性能得到有有效改善,构成差动的两两个变隙式电电感传感器在在结构尺寸、、材料、电气参数等方方面均应完全全一致。三、测量量电路电感式传感器器的测量电路路有交流电桥桥式、交流流变压器式以以及谐振式等等几种形式。。1.交流电桥式测测量电路图4-4所示为交流电电桥测量电路路,把传感器的两两个线圈作为为电桥的两个个桥臂Z1和Z2,另外二个相邻邻的桥臂用纯纯电阻代替,对于高Q值（Q=ωL/R）的差动式电感感传感器,其输出电压式中中:L0————衔铁铁在在中中间间位位置置时时单单个个线线圈圈的的电电感感;ΔΔL————单线线圈圈电电感感的的变变化化量量。。将ΔL=L0（Δδδ/δδ0）代入入式式(4-19）得得（Δδδ/δδ0）,电桥桥输输出出电电压压与与Δδδ有关关。。2.变压压器器式式交交流流电电桥桥变压压器器式式交交流流电电桥桥测测量量电电路路如如图图4-5所示示,电桥桥两两臂臂Z1、Z2为传传感感器器线线圈圈阻阻抗抗,另外外两两桥桥臂臂为为交交流流变变压压器器次次级级线线圈圈的的1/2阻抗抗。。当当负负截截阻阻抗抗为为无无穷穷大大时时,桥路路输输出出电电压压当传传感感器器的的衔衔铁铁处处于于中中间间位位置置,即Z1=Z2=Z时有=0,电桥平衡衡。当传感器器衔铁上上移时,即Z1=Z+ΔΔZ,Z2=Z-ΔΔZ,此时当传感器器衔铁下下移时,则Z1=Z-ΔZ,Z2=Z+ΔZ,此时从式(4-21）及式(4-22）可知,衔铁上下下移动相相同距离离时,输出电压压的大小小相等,但方向相相反,由于是是交流电压压,输出指示无无法判断位位移方向,必须配合相相敏检波电电路来解决决。3.谐振式测量量电路谐振式测量量电路有谐谐振式调幅幅电路如图图4-6所示,谐振式调频频电路如图图4-7所示。在调幅电路路中,传感器电感感L与电容C#,变压器原边边串联在一一起,接入交流电电源,变压器副边边将有电压压输出,输出电压的的频率与电电源频率相相同,而幅值随着着电感L而变化,图4-6（b）所示为输出出电压与电感L的关系曲线线,其中L0为谐振点的的电感值,此电路灵敏敏度很高,但线性差,适用于线性性要求不高高的场合。。调频电路的的基本原理理是传感器器电感L变化将引起起输出电压压频率的变变化。一般般是把传感感器电感L和电容C接入一个振振荡回路中中,其振荡频率率f=1/［2π（LC）1/2］。当L变化时,振荡频率随之之变化,根据f的大小即可可测出被测测量的值。。图4-（b）表示f与L的特性,它具有明显显的非线性性关系。四、变变磁阻式传传感器的应应用图4-8所示是变隙隙电感式压压力传感器器的结构图图。它由由膜盒、铁铁芯、衔衔铁及线线圈等组成成,衔铁与膜盒的的上端连在一一起。当压力进入膜膜盒时,膜盒的顶端在在压力P的作用下产生生与压力P大小成正比的的位移。于是是衔铁也发生生移动,从而使气隙发发生变化,流过线圈的电电流也发生相相应的变化,电流表指示值就反映了被被测压力的大大小。图4-9所示为变隙式式差动电感压压力传感器。。它主要由C形弹簧管、衔衔铁、铁芯和线线圈等组成。。当被测压力进进入C形弹簧管时,C形弹簧管产生生变形,其自由端发生生位移,带动与自由端端连接成一体体的衔铁运动动,使线圈1和线圈2中的电感发生生大小相等、、符号相反反的变化,即一个电感量量增大,另一个电感量量减小。电电感的这种变变化通过电桥桥电路转换成成电压输出。。由于输出电电压与被测压压力之间成比比例关系,所以只要用检检测仪表测量量出输出电压压,即可得知被测测压力的大小小。4.2差动变压器式式传感器把被测测的非电量变变化转换为线线圈互感量变变化的传感器器称为互感式式传感器。这这种传感器是是根据变压器器的基本原理理制成的,并且次级绕组组都用差动形形式连接,故称差动变压压器式传感器器。差动动变压器结构构形式较多,有变隙式、变变面积式和和螺线管式等等,但其工作原理理基本一样。。非电量测量量中,应用最多的是是螺线管式差差动变压器,它可以测量1～100mm范围内的机械位移,并具有测量精精度高,灵敏度高,结构简单,性能可靠等优优点。差动变压器结结构形式较多多,有变隙式、变变面积式和螺螺线管式等,但其工作原理理基本一样。。非电量测量量中,应用最多的是是螺线管式差差动变压器,它可以测量1～100mm范围内的机械械位移,并具有测量精精度高,灵敏度高,结构简单,性能可靠等优优点。一、工作作原理螺线管式差动动变压器结构构如图4-10所示,它由初级线圈圈#,两个次级线圈圈和插入线圈圈中央的圆柱柱形铁芯等组组成。螺线管式差动动变压器按线线圈绕组排列列的方式不同同可分为一节节、二节、三三节、四节和和五节式等类类型,如图4-11所示。一节节式灵敏度高高,三节式零点残残余电压较小小,通常采用的是二节式式和三节式两两类。差动变压器式式传感器中两两个次级线圈圈反向串联,并且在忽略铁铁损、导磁磁体磁阻和线线圈分布电容容的理想条件件下,其等效电路如如图4-12所示。当初级级绕组w1加以激励电压压时,根据变压器的的工作原理,在两个次级绕绕组w2a和w2b中便会产生感感应电势和。如果工艺上保保证变压器结结构完全对称称,则当活动衔铁铁处于初始平平衡位置时,必然会使两互互感系数M1=M2。根据电磁感应应原理,将有。由于变压器两两次级绕组反反向串联,因而,即差动变压器输出电电压为零。活动动衔衔铁铁向向上上移移动动时时,由于于磁磁阻阻的的影影响响,w2a中磁磁通通将将大大于于w2b,使M1>M2,因而而增加加,而减小小。。反反之之,增加加,减小小。。因因为为,所以以当当、、随着着衔衔铁铁位移移x变化化时时,也必必将将随随x变化化。。图图4-13给出出了了变变压压器器输输出出电电压压与与活活动动衔衔铁铁位位移移x的关系曲曲线。实实际上,当衔铁位位于中心心位置时时,差动变压压器输出出电压并并不等于于零,我们把差差动变压压器在零零位移时时的输出出电压称称为零点点残余电电压，记记作,它的存在使传感感器的输输出特性性不过零零点，造造成实际际特性与与理论特特性不完完全一致致。零点残余余电压主主要是由由传感器器的两次次级绕组组的电气气参数与与几何尺尺寸不对对称，以以及磁性性材料的的非线性性等问题题引起的的。零零点残余余电压的的波形十十分复杂杂，主要要由基波波和高次次谐波组组成。基基波产生生的主要要原因是是：传感感器的两两次级绕绕组的电电气参数数和几何何尺寸不不对称，，导致它它们产生生的感应应电势的的幅值不不等、相相位不同同，因此此不论怎怎样调整整衔铁位位置，两两线圈圈中感应应电势都都不能完完全抵消消。高高次谐波波中起主主要作用用的是三三次谐波波，产产生的原原因是由由于磁性性材料磁磁化曲线线的非线线性(磁饱和、磁滞滞)。零点残余余电压一般在在几十毫伏以以下，在实际际使用时，应应设法减小,否则将会影响响传感器的测测量结果。二、、基基本本特特性性差动动变变压压器器等等效效电电路路如如图图4-12所示示。。当当次次级级开开路路时时有有(4-23)式中中:ωω————激励励电电压压的的角角频频率率;———初级级线线圈圈激激励励电电压压;———初级级线线圈圈激激励励电电流流;r1、L1———初级级线线圈圈直直流流电电阻阻和和电电感感。。根据电磁感应应定律,次级绕组中感感应电势的表表达式分别为为:由于次级两绕绕组反向串联联,且考虑到次级级开路,则由以上关系系可得:(4-26)输出电压的有有效值为(4-27)下面分三种情情况进行分析析。(1)活动衔铁处于于中间位置时时M1=M2=M故=0(2)活动衔衔铁向向上移移动时时M1=M+ΔMM2=M-ΔM故=2ωωΔM/［r21+（ωL1）2］1/2,与同极性性。(3)活动衔衔铁向向下移移动时时M1=M-ΔMM2=M+ΔM故,与同极性性。三、差差动变变压器器式传传感器器测量量电路路差动变变压器器输出出的是是交流流电压压,若用交交流电电压表表测量量,只能反反映衔衔铁位位移的的大小小,而不能能反映映移动动方向向。另另外,其测量量值中中将包包含零零点残残余电电压。。为了了达到到能辨辨别移移动方方向及及消除除零点点残余余电压压的目目的,实际测测量时时,常常采采用差差动整整流电电路和和相敏敏检波波电路路。1.差动整整流电电路这种电电路是是把差差动变变压器器的两两个次次级输输出电电压分分别整整流,然后将整流流的电压或或电流的差差值作为输输出,图4-14给出了几种种典型电路路形式。图图中（a）、（c）适用于交流流负载阻抗抗,（b）、（d）适用于低负负载阻抗,电阻R0用于调整零零点残余电电压。下面结合图图4-14（c）,分析差动整整流工作原原理。从图4-14（c）电路结构可可知,不论两个次次级线圈的的输出瞬时时电压极性性如何,流经电容C1的电流方向向总是从2到4,流经电容C2的电流方向向从6到8,故整流电路路的输出电电压为U2=U24-U68(4-28)当衔铁在零零位时,因为U24=U68,所以U2=0;当衔铁在零零位以上时时,因为U24>U68,则U2>0;而当衔铁铁在零位位以下时时,则有U24<U68,则U2<0。差动整流流电路具具有结构构简单#,不需要考考虑相位位调整和和零点残残余电压压的影响响#,分布电容容影响小和和便于远远距离传传输等优优点,因而获得得广泛应应用。2.相敏检波波电路电路如图图4-15所示。VD1、VD2、VD3、VD4为四个性性能相同同的二极极管,以同一方方向串联联成一个个闭合回回路,形成环形形电桥。。输入入信号u2(差动变压压器式传传感器输输出的调调幅波电电压)通过变压压器T1加到环形形电桥的的一个对对角线。。参考考信号u0通过变压压器T2加入环形形电桥的的另一个个对角线线。输输出信号号uL从变压器器Ｔ1与Ｔ2的中心抽抽头引出出。平衡衡电阻R起限流作作用,避免二极极管导通通时变压压器T2的次级电电流过大大。RL为负载电电阻。u0的幅值要要远大于于输入信信号u2的幅值,以便有效效控制四四个二极极管的导导通状态态,且u0和差动变变压器式式传感器器激磁电电压u1由同一振荡器器供电，保证二者同频频、同相（或或反相）。由图4-16（a）、（c）、(d)可知,当位移Δx>0时,u2与u0同频同相,当位移Δx<0时,u2与u0同频反相。Δx>0时,u2与u0为同频同相,当u2与u0均为正半周时时,见图4-15（a）,环形电桥中二二极管VD1、ＶD4截止,VD2、VD3导通,则可得图4-15（b）的等效电路。。根据变压器的的工作原理,考虑到O、M分别为变压器器T1、T2的中心抽头,则有u01=u02=(4-29)u21=u22=(4-30)式中中n1#,n2为变变压压器器T1、T2的变变比比。。采采用用电电路路分分析析的的基基本本方方法法,可求求得得图图4-15（b）所示示电电路路的的输输出出电电压压uL的表表达达式式:同理理当当u2与u0均为为负负半半周周时时