文档介绍：第三章电感式传感器
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
~200×10-5N时,磁吸力为(1~10)×10-5N。
②分辨力高
机械位移:,甚至更小;角位移:。
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。
第一章工作原理
1、工作原理
组成:线圈1,衔铁3和铁芯2等。
图中点划线表示磁路,磁路中空气隙总长度为lδ。
自感传感器原理图
a 气隙型 b 截面型 c 螺管型
N:线圈匝数;Rm:磁路总磁阻(铁芯与衔铁磁阻和空气隙磁阻)
气隙式自感传感器,因为气隙较小(~1mm),所以,认为气隙磁场是均匀的,若忽略磁路铁损,则磁路总磁阻为
li:各段导磁体的长度; Si:各段导磁体的截面积;
μi:各段导磁体的的磁导率;δ:空气隙的厚度
S:空气隙截面积;μ0:真空磁导率,μ0=4π×10-7H/m;
由磁路基本知识知,线圈自感为
由于自感传感器的铁芯一般在非饱和状态下,其磁导率远大于空气的磁导率,因此铁芯磁阻远较气隙磁阻小,所以上式可简化为
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。
L=f(S)
L=f(lδ)
lδ
L
S
L=f(lδ)为非线性关系。当lδ=0时,L为∞,考虑导磁体的磁阻,当lδ=0时,并不等于∞,而具有一定的数值,在lδ较小时其特性曲线如图中虚线所示。如上下移动衔铁使面积S改变,从而改变L值时,则L=f(S)的特性曲线为一直线。
第二节电感计算及特性分析
一、自感传感器
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μr>>1,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
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=~,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(—)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
r
x
螺旋管
铁心
单线圈螺管型传感器结构图
l
螺管型自感传感器
有单线圈和差动式两种结构形式。
单线圈螺管型传感器的主要元件为一只螺管线圈和一根圆柱形铁芯。传感器工作时,因铁芯在线圈中伸入长度的变化,引起螺管线圈自感值的变化。当用恒流源激励时,则线圈的输出电压与铁芯的位移量有关。