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变换原理:
将被测量的变化转化为自感、互感的变化
第4章电感式传感器
电感式传感器是利用线圈自感和互感的变化实现非电量电测的一种装置。
分类:
电感式传感器
自感型
可变磁阻型
涡流式
互感型
4-1自感式传感器
一、气隙型自感传感器
(一)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。
1
2
3
x
(a)气隙式
(b)变截面式
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
l1:铁芯磁路总长;l2:衔铁的磁路长;S: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。
由磁路基本知识知,线圈自感为
因为铁芯磁阻远较气隙磁阻小,可以忽略,所以上式可简化为:
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4-2。
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。
(二)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,又因为铁芯磁阻远较气隙磁阻小,可以忽略,则
将上式与变间隙电容传感器特性表达式比较可知,变间隙式自感式电感传感器具有类似的特性。只需将p49式(3-9)中C与L,d与lδ对换即可。
lδ
L
ΔL1
ΔL2
L0
lδ0
r
x
螺旋管
铁心
图4-6单线圈螺管型传感器结构图
l
二  螺管型电感传感器
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。
2lc
Δlc
2l
线圈Ⅱ
线圈Ⅰ
r
-
-
-
x
H()
IN
l
图4-9差动螺旋管式自感传感器
(a)结构示意图(b)磁场分布曲线
x(l)
(a)
(b)
三、电感线圈的等效电路
假设自感线圈为一理想纯电感,但实际传感器中包括:线圈的铜损电阻(Rc)、
铁芯的涡流损耗电阻(Re)和线圈的寄生电容(C)。因此,自感传感器的等效电路如图4-10。
C
L
Rc
Re
(一)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
四测量电路