傳感器原理與檢測技術(shù) 教學(xué)課件作者 錢顯毅 課件 第四章 電感式傳感器

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1、第四章第四章 電感式傳感器電感式傳感器利用電磁感應(yīng)原理，將被測的機(jī)械性的非電量變化轉(zhuǎn)換成線圈電感(或互感)的變化，這種機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置稱為電感式傳感器。電感式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、測量精度高、零點(diǎn)穩(wěn)定、無需外電源和輸出功率較大等一系列優(yōu)點(diǎn)。其主要缺點(diǎn)是靈敏度、線性度和測量范圍相互制約，傳感器自身頻率響應(yīng)低，不適用于快速動(dòng)態(tài)測量；對傳感器線圈供電電源的頻率和振幅穩(wěn)定度均要求較高。電感式傳感器按轉(zhuǎn)換原理的不同可分為自感式(電感式)和互感式(差動(dòng)變壓器式)兩大類。4.1 電感式傳感器的基本原理電感式傳感器的基本原理 根據(jù)法拉第電磁定律，當(dāng)穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化時(shí)，就會產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，這種現(xiàn)

2、象稱為電磁感應(yīng)。電與磁之間相互作用、相互轉(zhuǎn)換的物理現(xiàn)象，是人所共知的事實(shí)，利用這種現(xiàn)象可以構(gòu)成各種各樣的傳感器。電感式傳感器是利用線圈自感或互感的變化來實(shí)現(xiàn)測量的一種裝置，它的核心是可變自感或可變互感。電感式傳感器用于將機(jī)械線位移或角位移轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動(dòng)勢，圖4-1即為這種轉(zhuǎn)換的示意圖。激勵(lì)線圈1由交變電源激勵(lì)，在鐵心3中產(chǎn)生交變磁場。假設(shè)動(dòng)鐵心處于無窮遠(yuǎn)處，在線圈2中的感應(yīng)電動(dòng)勢為零。隨著動(dòng)鐵心的移動(dòng)，氣隙逐步減小，在線圈2中的感應(yīng)電動(dòng)勢也逐步增大，直到兩鐵心形成完全閉合的磁路時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢達(dá)到最大。由此可見，感應(yīng)電動(dòng)勢的大小與氣隙的大小有著一一對應(yīng)的關(guān)系。4.1 電感式傳感器的基本原理電感式

3、傳感器的基本原理圖 4-1 原理示意圖1激勵(lì)線圈 2二次線圈 3鐵心可將電感式傳感器的能量變化關(guān)系，用圖4-2來表示。由圖可見，傳感器的核心是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為磁場能的部分。機(jī)械變化激勵(lì)以形成一個(gè)磁場信號，被測對象以機(jī)械能的方式調(diào)制磁場能，而磁場能則通過測量電路（檢測線圈）檢出，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號。4.1 電感式傳感器的基本原理電感式傳感器的基本原理圖4-2 電感式傳感器的能量變換4.1.1電感與基于電磁參量的關(guān)系電感與基于電磁參量的關(guān)系用電感（自感或互感）來描述電磁運(yùn)算中各種變換的關(guān)系是很方便的。（1）電流在線圈中產(chǎn)生的總交鏈磁通 =LI （4-1）式中，L為線圈電感；I為激勵(lì)電流。（2）磁場能

4、量（4-2）（3）與磁場的幾何形狀有關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)或 （4-3）式中，N為線圈匝數(shù)；RM為與磁場幾何形狀有關(guān)的磁阻。（4）對被測對象的作用力4.1.1電感與基于電磁參量的關(guān)系電感與基于電磁參量的關(guān)系被測對象為克服電阻力所作的功，等于磁場能量的變化，即Fx=WF=-故在電流不變時(shí)的電磁力為 FM=-=-（4-4）取負(fù)號表示電磁力與外作用力方向相反 4.1.1電感與基于電磁參量的關(guān)系電感與基于電磁參量的關(guān)系（5）電流在線圈中產(chǎn)生的自感及互感（M）電動(dòng)勢（4-5）（4-6）4.1.2電感式傳感器的分類電感式傳感器的分類電感式傳感器的核心是一個(gè)已知的磁場。因此，以磁路形式和磁場形式作為分類的主要依據(jù)是合

5、理的，據(jù)此可將電感式傳感器分為以下幾類：1）具有氣隙的電感式傳感器。這類傳感器利用鐵磁體構(gòu)成集中的磁路，其磁阻主要在氣隙中形成。依據(jù)改變氣隙磁阻的方法，又可分為變氣隙型和變截面型。同時(shí)，還可以依據(jù)是否有獨(dú)立的檢測磁場線圈分為自感型和互感型（變壓器型）。4.1.2電感式傳感器的分類電感式傳感器的分類2）具有螺線管的電感式傳感器。這類傳感器具有較長的空氣磁路，利用鐵心改變空氣磁路的磁阻。同樣，在這類傳感器中，也有自感型和互感型之分。3）電渦流傳感器。這類傳感器沒有明確的磁場邊界，屬于分布參數(shù)磁場，利用主磁場和渦流磁場的互感耦合來改變電感。這類傳感器可以看作互感型傳感器的一種特殊情況。4）利用鐵磁體

6、物理性質(zhì)的傳感器。這類傳感器的特點(diǎn)是做成完全閉合的磁路，而鐵磁體的磁導(dǎo)率隨著應(yīng)力而變化，由此引起磁阻及電感的變化。4.2 變氣隙型電感式傳感器變氣隙型電感式傳感器根據(jù)法拉第電磁定律和磁路的歐姆定律，當(dāng)磁路的磁阻和感應(yīng)電動(dòng)勢發(fā)生變化時(shí)，就能相應(yīng)的測量出電壓和電流等物理量，據(jù)此，可以制造和設(shè)計(jì)各類電感式傳感器，現(xiàn)研究變氣隙型電感式傳感器。4.2.1 簡單的變氣隙型電感式傳感器簡單的變氣隙型電感式傳感器圖4-3所示的結(jié)構(gòu)，對于研究更為復(fù)雜的情況是有用的，為了簡化分析，做以下假設(shè)：1）鐵心磁路中的磁滯及渦流損耗不計(jì)。2）不考慮集膚效應(yīng)及邊緣效應(yīng)，認(rèn)為在鐵心中的磁場是均勻分布的。同時(shí)，忽略激勵(lì)線圈的漏磁

7、。3）鐵心的相對磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于空氣的相對磁導(dǎo)率。圖4-3 簡單的變氣隙型電感式傳感器4.2.1 簡單的變氣隙型電感式傳感器簡單的變氣隙型電感式傳感器式中，為每段氣隙長度；為鐵心總長度；A為氣隙有效截面面積；0為真空磁導(dǎo)率，因?yàn)榭諝獾南鄬Υ艑?dǎo)率近似為1，所以0也為空氣磁導(dǎo)率；r為鐵心的相對磁導(dǎo)率。將式（4-7）代入式（4-3）中，可得根據(jù)磁路基本知識可知，磁路的總磁阻為鐵心及氣隙磁阻之和。對于小氣隙電感式傳感器，有兩段空氣工作磁阻和兩段鐵心磁阻。故有4.2.1 簡單的變氣隙型電感式傳感器簡單的變氣隙型電感式傳感器（4-7）4.2.1 簡單的變氣隙型電感式傳感器簡單的變氣隙型電感式傳感器（4-8）由

8、式（4-8）可以看出，L與被測量的關(guān)系和變氣隙式電容特性十分類似，用此，可以通過選擇激勵(lì)源的方式來線性化。1）當(dāng)采用頻率為的恒流源激勵(lì)時(shí)，激勵(lì)線圈中電流保持不變，而線圈電壓將隨L的變化而變化。若線圈直流電阻遠(yuǎn)小于其感抗，則（4-9）由此得電感線圈的電壓靈敏度為4.2.1 簡單的變氣隙型電感式傳感器簡單的變氣隙型電感式傳感器（4-10）K為鐵心磁阻對靈敏度及非線性的影響系數(shù)，K=2）當(dāng)采用恒壓源激勵(lì)時(shí)，線圈電壓保持不變，而電流則隨L的變化而變化，此時(shí)（4-11）4.2.1 簡單的變氣隙型電感式傳感器簡單的變氣隙型電感式傳感器同樣可得，線圈中電流的靈敏度為（4-12）4.2.2 變氣隙型差動(dòng)電感式傳感器變氣隙型差動(dòng)電感式傳感器差動(dòng)電感式傳感器在結(jié)構(gòu)上類似兩個(gè)簡單的變氣隙型電感式傳感器的組合，而只共用一個(gè)可動(dòng)鐵心，如圖4-4a所示。兩個(gè)激勵(lì)線圈串聯(lián)并與中心抽頭的變壓器組成簡單的變壓器電橋，如圖4-4b所示。假設(shè)兩個(gè)線圈的電參數(shù)和鐵心磁路完全對稱，設(shè) 、，則兩個(gè)線圈所呈現(xiàn)的感抗不同，分別令其為 ，由橋路基本關(guān)系得4.2.2 變氣隙型差動(dòng)電感式傳感器變氣隙型差動(dòng)電感式傳感器在直流電阻R0j的條件下，上式可寫為（4-13）將代入式（4-8）后求出、由此可得，（4-14）式中，為鐵心處于中間位置時(shí)的氣隙長度。圖4-4 變氣隙型差動(dòng)電感式傳感器a）結(jié)構(gòu)示意圖 b）變壓器電橋