文档介绍：第3章电感式传感器
自感式传感器
变压器式传感器
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电感式传感器是基于电磁感应原理工作的。它将被测参数的变化转换为线圈的自感系数L或互感系数M的变化。
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可以用来测量位移、振动、压力、流量、重量、力矩、应变等多种物理量。
电感式传感器的核心部分是可变自感或可变互感,在被测量转换成线圈自感或互感的变化时,一般要利用磁场作为媒介或利用铁磁体的某些现象。这类传感器的主要特征是具有线圈绕组。
自感式传感器
自感式传感器的工作原理
灵敏度与非线性
等效电路
测量电路
零点残余电压
自感式传感器的特点及应用
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自感式传感器的工作原理
这类传感器是将被测位移转换为线圈自感系数的变化,常见的结构有变气隙式和变截面积式(属于可变磁阻式)。
图3-l 变气隙式传感器结构原理图
线圈的电感值L可按下式计算:
——线圈匝数
——磁路总磁阻
如果气隙厚度较小,且不考虑磁路的铁损,则总磁阻可表示为
自感式传感器的工作原理
通常导磁体的磁阻与气隙的磁阻相比很小,计算时可以忽略。因此线圈的电感值可以表示为
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图3-2 变截面积型自感式传感器
图3-3 差动自感式传感器
从上式可知,此时电感L与气隙成非线性,改善非线性可以采用差动结构或者缩小测量范围的方法,因此变气隙型适合小位移(-1mm)的检测。
自感式传感器的工作原理
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Flash动画演示:
气隙型自感式传感器的工作原理
截面型自感式传感器的工作原理(a)
截面型自感式传感器的工作原理(b)
差分结构自感式传感器的工作原理
灵敏度与非线性
根据定义来分析灵敏度、线性度(非线性误差):
从提高灵敏度的角度看,初始空气隙l0距离应尽量小。
其结果是被测量的范围也变小。
同时,灵敏度的非线性也将增加。
如采用增大空气隙等效截面积和增加线圈匝数的方法来提高灵敏度,则必将增大传感器的几何尺寸和重量。
差动结构的灵敏度、非线性误差分析:
由此可见差动式传感器其灵敏度与单极式比较提高一倍,
非线性大大减小。
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等效电路
自感式传感器常采用铁磁体作为铁心,所以传感器的线圈从电路角度来看并非纯电感,它既有线圈的铜损,又有铁芯的涡流及磁滞损耗,一个电感线圈的完整等效电路可用图3-4表示。
图3-4 电感线圈等效电路
式中 Rm---磁路总磁阻;
Zm---铁芯部分的磁阻抗;
Z0--空气隙的磁阻抗。
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测量电路
自感式传感器实现了把被测量的变化转变为电感量的变化。
为了测出电感量的变化,同时也为了送入下级电路进行放大和处理,
就要用转换电路把电感变化转换成电压(或电流)变化。
交流电桥是可变磁阻式电感传感器的主要测量电路。
交流电桥的形式很多,下面介绍使用较为普遍的两种电桥:
变压器电桥和桥式相敏整流电路。
变压器电桥
桥式相敏整流电路
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零点残余电压
在电桥预平衡时,无法实现平衡,最后总要存在着某个输出值ΔU0,这称为零点残余电压,如图3一10所示。
图3-10 U0-l特性
它的存在使得传感器
输出特性在零点附近的范围内不灵敏,限制了分辨力的提高。
其值太大,将使传感器线性度变坏,灵敏度下降,
甚至会使放大器饱和,堵塞有用信号通过,
致使仪器不再反映被测量的变化。
因此零点残余电压是衡量传感器性能的主要指标之一。
对它进行认真分析,找出减小的方法,是很重要的。
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零点残余电压
产生的原因:
①传感器的等效参数(电气参数和磁路参数)不可能完全相等;
②供电电源引入的高次谐波和工频干扰。
如何消除?
①在设计及制造时,对材质的选择、加工工艺等方面力求保证磁路、线圈、结构等的均匀一致。
②在线路中加入补偿措施。