电感式传感器

第5章电感式传感器自感式传感器1.2第5章电感式传感器传感器线圈的电器参数分析5.15.2互感式传感器5.3电涡流式传感器5.4压感式传感器5.5第5章电感式传感器图5.1为一种简单的自感式传感器，它由线圈、铁心和衔铁等组成。当衔铁随被测量变化而上、下移动时，铁心气隙、磁路磁阻随之变化，引起线圈电感量的变化，然后通过测量电路转换成与位移成比例的电量，实现了非电量到电量的变换。可见，这种传感器实质上是一个具有可变气隙的铁心线圈。第一节传感器线圈的电器参数分析第5章电感式传感器图5.1变气隙式自感传感器图5.2传感器线圈的等效电路L-线圈电感；R-线圈铜耗电阻；Re-铁心涡流损耗电阻；R磁滞损耗电阻；C-线圈的寄生电容第5章电感式传感器类似于上述自感式传感器，电感式传感器通常都具有铁心线圈或空心线圈(后者可视作前者的特例)。因此，分析铁心线圈的电气参数与它们对线圈特性的影响，对了解与分析电感式传感器以及选择传感器参数有帮助。为此，我们将传感器线圈等效成图5.2所示的等效电路，并对电路参数及其影响一一进行讨论。1.线圈电感L由磁路基本知识可知，匝数为W的线圈电感为mRWL/2(5-1)式中Rm——磁路总磁阻。第5章电感式传感器当线圈具有闭合磁路时式中RF——导磁体总磁阻。当线圈磁路具有小气隙时式中Rθ——气隙总磁阻。FRWL/2(5-2)RWL/2(5-3)第5章电感式传感器为了分析方便，需要将各种形式的线圈的电感L用统一的式子表达。为此，引入等效磁导率概念，即将线圈等效成一封闭铁心线圈，其磁路等效磁导率为μｅ，磁通截面积为S，磁路长度为ｌ，于是式(5-1)变为(5-4)式中μ——真空磁导率，μ＝4π×10-7(H/ｍ))。第5章电感式传感器2.铜损电阻Rc3.涡流损耗电阻Rｅ由频率为ｆ的交变电流激励产生的交变磁场，会在线圈铁心中造成涡流及磁滞损耗。根据经典的涡流损耗计算公式知，为降低涡流损耗，叠片式铁心的片厚应薄；高电阻率有利于损耗的下降，而高磁导率却会使涡流损耗增加。4.磁滞损耗电阻Rh铁磁物质在交变磁化时，磁分子来回翻转而要克服阻力，类似摩擦生热的能量损耗。5.并联寄生电容C的影响绕组的固有电容与电缆分布电容所构成。第5章电感式传感器图5.3线圈等效电路的变换形式为便于分析，先不考虑寄生电容C，并将图5.2中的线圈电感与并联铁损电阻等效为串联铁损电阻Re′与串联电感L′的等效电路，如图5.3所示。这时Re′和L′的串联阻抗应该与Re和L的并联阻抗相等，即第5章电感式传感器2'')/(1'LRRRjLRjLRjLReeeeee2)/(11'LRLLe(5-5)(5-6)第5章电感式传感器式(5-5)表明，铁损的串联等效电阻Re′与L有关。因此，当被测非电量的变化引起线圈电感量改变时，其电阻值亦发生不希望有的变化。要减少这种附加电阻变化的影响，比值Re/ωL应尽量小，以使Re′ωL′，从而减小了附加电阻变化的影响。可见，在设计传感器时应尽可能减少铁损。当考虑实际存在并联寄生电容C时，阻抗Z为22222222222)/'()'1(/')'1(')/'()'1('/1''/)''(QCLCLQCLCLLjQLCLRjCjLRjCjLRZS(5-7)式中总的损耗电阻，品质因数当Q1时，1/Q2可以忽略，式(5-7)可简化为第5章电感式传感器ecRRR''/'RLQ22222222222)/'('1/''1')/'()'1('QCLCLQCLCLLjQLCLRZS(5-8)有效值Q为QCLRLQSSS)'1(/2(5-9)电感的相对变化'''112LdLCLLdLSS(5-10)第5章电感式传感器由式(5-8)、(5-9)、(5-10)知，并联电容C的存在，使有效串联损耗电阻与有效电感均增加，有效Q值下降并引起电感的相对变化增加，即灵敏度提高。因此，从原理而言，按规定电缆校正好的仪器，如更换了电缆，则应重新校正或采用并联电容加以调整。实际使用中因大多数电感式传感器工作在较低的激励频率下(ｆ≤10ｋHｚ)，上述影响常可忽略，但对于工作在较高激励频率下的传感器(如反射式涡流传感器)，上述影响必需引起充分重视。第5章电感式传感器一.工作原理与输出特性如前所述，自感式传感器实质上是一个带气隙的铁心线圈。按磁路几何参数变化形式的不同，目前常用的自感式传感器有变气隙式、变面积式与螺管式三种；按磁路的结构型式又有Π型、E型或罐型等等；按组成方式分，有单一式与差动式两种。第二节自感式传感器第5章电感式传感器1.变气隙式自感传感器变气隙式自感传感器的结构原理见图5.1。由于变气隙式传感器的气隙通常较小，可以认为气隙磁场是均匀的，若忽略磁路铁损，则图5.1传感器的磁路总磁阻为SlSlSlRm0222111(5-11)式中ｌ1,ｌ2——铁心和衔铁的磁路长度(ｍ)；S1，S2——铁心和衔铁的截面积(ｍ2)μ1、μ2——铁心和衔铁的磁导率(H/ｍ)S、ｌδ——气隙磁通截面积(ｍ2)和气隙总长(ｍ)。第5章电感式传感器将式(5-11)代入式(5-1)，可得)/(02221112SlSlSlWL(5-12)由式(3-12)可知，当铁心、衔铁的材料和结构与线圈匝数确定后，若保持S不变，则L即为ｌδ的单值为了精确分析传感器的特性，利用前述等效磁导率μe的概念，由式(3-4)可得)/(0SlRem(5-13)第5章电感式传感器同时，由式(5-11)rrrmllSlllSR)1(1)(100(5-14)式中μ——铁心和衔铁的相对磁导率，通常μ1。所以rrrellll/1/1(5-15)代入式(5-4)可得带气隙铁心线圈的电感为第5章电感式传感器rellKlSWL/102(5-16)式中，为一常数。对式(5-16)进行微分可得传感器的灵敏度为SWK20rllLdldLK/1(5-17)由上式可知，变气隙式传感器的输出特性是非线性的，式中负号表示灵敏度随气隙增加而减小，欲增大灵敏度，应减小ｌδ，但受到工艺和结构的限制。为保证一定的测量范围与线性度，对变气隙式传感器，常取δ＝ｌδ/2＝0.1～0.5ｍｍ，Δδ＝(1/5～1/10)δ。第5章电感式传感器2.变面积式自感传感器若图5.1所示传感器的气隙长度ｌδ保持不变，令磁通截面积随被测非电量而变(衔铁水平方向移动)，即构成变面积式自感传感器。此时由式(5-16)SKSllWLr'/02(5-18)式中，为一常数。对式(5-33)微分得灵敏度为rllWK/'02'KdSdLKS(5-19)第5章电感式传感器可见，变面积式传感器在忽略气隙磁通边缘效应的条件下，输出特性呈线性，因此可望得到较大的线性范围。与变气隙式相比较，其灵敏度较低。欲提高灵敏度，需减小ｌδ，但同样受到工艺和结构的限制。ｌδ值的选取与变气隙式相同。3.螺管式自感传感器图3.4为螺管式自感传感器结构原理图。它由平均半径为r的螺管线圈、衔铁和磁性套筒等组成。随着衔铁插入深度的不同将引起线圈泄漏路径中磁阻变化，从而使线圈的电感发生变化。第5章电感式传感器图5.4螺管式自感传感器原理图4.绝大多数自感式传感器都运用与电阻差动式类似的技术来改善性能：由两单一式结构对称组合，构成差动式自感传感器。第5章电感式传感器采用差动式结构，除了可以改善非线性、提高灵敏度外，对电源电压与频率的波动及温度变化等外界影响也有补偿作用，从而提高了传感器的稳定性。图5.5表示传感器非线性改善的情况。图5.5差动式自感传感器的输出特性第5章电感式传感器二.测量电路1.电桥电路自感式传感器常用的交流电桥有以下几种。图5.6输出端对称电桥(ａ)一般形式；(ｂ)变压器电桥第5章电感式传感器(1)输出端对称电桥图5.6(a)为输出端对称电桥的一般形式。图中Z1、Z2为传感器两线圈阻抗，为外接电阻，通常。设工作时，，电源电势为E，于是210201002010222111,,,,RRLLLrrrjLrZjLrZ、RRR21ZZZ1ZZZ2ELjrLELjrLjrEZZEUo0000222(5-20)输出电压幅值和阻抗分别为第5章电感式传感器ELrLELrrLU202020202220)(2)(2(5-21)2/)()(2020LrRZ(5-22)式(3-20)经变换和整理后可写成0022202011112rrLLQQjLLQQrrQEU(5-23)式中Q——电感线圈的品质因数，。00/LrQ第5章电感式传感器由式(5-23)可见，电桥输出电压包含着与电源同相和正交的两个分量；而在实际使用时，希望只存在同相分量。通常由于，因此要求线圈有较高的Q值，这时0U00//rrLLLLEU20(5-24)图(b)是图(a)的变型，称为变压器电桥。它以变压器两个次级作为电桥平衡臂。显然，其输出特性同(a)。由于变压器次级的阻抗通常远小于电感线圈的阻抗，常可忽略，于是输出阻抗式(5-22)变为第5章电感式传感器2/22020LrZ(5-25)图(b)与图(a)相比，使用元件少，输出阻抗小，电桥开路时电路呈线性，因此应用较广。图5.7电源端对称电桥第5章电感式传感器(2)电源端对称电桥如图5.7所示，电桥输出电压为ZZRZZZREZZZZREU211221011设工作时，则有ZZZZZZ21,2002202)(2jLrRLjrREZRZZREU(5-26)输出电压幅值和阻抗分别为ELRrLRjLrRLrERU2020202022022(5-27)第5章电感式传感器这种电桥由于变压器次级接地，可避免静电感应干扰，但由于开路时电桥本身存在非线性，故只适用于示值范围较小的测量当采用交流电桥作测量电路时，输出电压的极性反映了传感器衔铁运动的方向。2020202002jLrRLrRU(5-28)第5章电感式传感器2.谐振电路谐振电路如图5.8(a)所示。图中Z为传感器线圈，E为激励电源。设图(b)中曲线1为图(a)回路的谐振曲线。若激励源的频率为f，则可确定其工作在A点。当传感器线圈电感量变化时，谐振曲线将左右移动，工作点就在同一频率的纵坐标直线上移动(例如移至B点)，于是输出电压的幅值就发生相应变化。这种电路灵敏度很高，但非线性严重，常与单线圈自感式传感器配合，用于测量范围小或线性度要求不高的场合。第5章电感式传感器图5.8(ａ)谐振电路(ｂ)谐振曲线3.这种电路与大位移(螺管式)自感传感器配用，见图5.9。传感器线圈用恒流源激励，ｕ1是衔铁在螺管线圈内移动时线圈两端的电压，ｕ2是与ｕ1反相、幅值恒定的电压，ｕ0为电路输出电压。于是，ｕ0＝ｕ1-ｕ2。ｕ2的作用是抵消电压的非线性部分，使输出电压呈线性。由图可见，当衔铁刚进入传感器线圈时，其电压灵敏度dU/dｌa较低，线性也较差。当ｌaｌ′后，灵敏度提高，线性改善，进入工作区域。第5章电感式传感器第5章电感式传感器图5.9大位移自感式传感器工作原理(ａ)电原理图；(ｂ)输出特性第5章电感式传感器4.调频电路图5.10电感调频式位移传感器结构图1—谐振电容；2—调频振荡器；3—电感线圈；4—磁性套筒；5—导杆(衔铁)第5章电感式传感器当传感器线圈电感L发生变化时，调频振荡器的输出频率相应变化。利用阶梯形无骨架线圈，可使衔铁的位移变化与输出频差变化呈线性关系。传