传感器原理设计与应用

《传感器原理设计与应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器原理设计与应用（32页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、传感器原理及工程应用 第四章电感式传感器利用电磁感应原理将被测非电量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈 自感系数人或互感系数肋的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输 出，这种装置称为电感式传感器。电感式传感器具有结构简单，工作可靠，测量精度高，零点稳定，输出功 串较大等一系列优点其主要缺点是灵敏度、线性度和测量范围相互制约，传 感器自身困串响应低，不适用于快速动态测量。这种传感器能实现信息的远距 离传输、记录、显示和控制，在工业自动控制系统中被广泛采用。41 变磁阻式传感器变碰阻式传感器的结构如图 41 所示。它由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。 铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡英合企制

2、成，在铁芯和衔铁之间有气隙， 气隙厚度为 6，传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度 8 发 生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，因此只要能 测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小相方向。1 一线圈；2 一铁芯(定铁芯)；3 一衔铁(动铁芯)图 41 变磁阻式传感器IIl式中：线圈总磁链；通过线圈的电流；线圈的匝数 ；由穿过线圈酌磁通。 由隘路欧姆定律，得 式中：RI磁路总磁咀。对于变隙式传感器，因为气隙很小，所以可以认为 气隙中的磁场是均匀的。若忽略磁路磁损，则磁路总磁阻为传感器原理及工程应用 , 第 47 页式中： U1铁芯材料的导磁率，U2衔铁材

3、料的导磁串；LI磁通通过铁芯的长度；L2磁通通过衔铁的长度；S1铁芯的截面积，S2衔铁的截面积，U0空气的导磁率；S0气隙的截面积，气隙的厚度。通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻，即上式表明，当线圈匝数为常数时，电感人仅仅是隘路中磁阻 Rm 的函数，只要改 变 5 或 6。均可导致电感变化，因此变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度的 传感器和变气隙面积 S0 的传感器。使用员广泛的是变气隙厚度式电感传感器。输出特性 设电感传感器初始气隙为久，初始电感量为 L9，衔铁位移引起的气 隙变化量为 A6，从式(46)可知上与 6 之间是非线性关系，特性曲线如图(4 2)表示，初始电感量为当衔铁上移 A9

4、时，传感器气隙减小 A8，即 5久一 A6，则此时输出电感 为工LD 十丛，代入式(46)式并整理，得由此可见，变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾，所以变 隙式电感式传感器用于测量微小位移时是比较精确的。为了减小非线性误差， 实际测量中广泛采用差动变隙式电感传感器。固 43 所示为差动变隙式电感传感器的原理结构图。由图可知，差动变隙 式电感传感器由两个相同的电感线圈 I、l 和隘路组成，测量时，衔铁通过导杆 与被测位移量相连，当被测体上下移动时，导杆带动衔铁也以相同的位移上下 移动，使两个磁回路中磁阻发生大小相等、方向相反的变化，导致一个线圈的 电感量增加，另一个线圈的电感量减

5、小，形成差动形式。当衔铁往上移动 A6 时，两个线圈的电感变化量丛 l、AL：分别由式(410)及 式(412)表示，当差动使用时，两个电感线团接成交流电桥的相邻桥臂，另两 个桥管由电阻组成，电桥输出电压与 AL 有关，其具体表达式为对上式进行线性处理忽略高次项得比较单线圈和差动两种变间隙式电感传感器的持性，可以得到如下结论：差动式比单线因式的灵敏度高一倍。差动式的非线性项等于单线圈非线性项乘以(Aj6D)因子，因为(A6 从) 1 差动式的线性度得到明显改善。为了使输出特性能得到有效改善，构成差动的两个变隙式电感传感器在结 构尺寸、材料、电气参数等方面均应完全一致。三、测量电路电感式传顾器的

6、测量电路有交流电桥式、交流变压器式以及谐振式等几种形 式。1交流电桥式测量电路图 44 所示为交流电桥 i15 量电路，把传感器的两个线圈作为电桥的两个桥 臂 Z1 和 Z2另外二个相邻的桥臂用纯电阻代替，对于高 Q 值QdLR)的差动式电感 传感器，其输出电医式中：Lo衔铁在中间位置时单个线圈的电感；丛一两线因电感的差量。 将丛2 上。(州久)代入式(419)得 00；(限(A8乱)2变压程式交流电桥 电桥输出电压与 A6 有关 变压器式交流电桥测量电路如图 45 所示，电桥两臂 zI、2s 为传感器线圈阻 抗 外两桥臂为交流变压器次级线圈的 12 阻抗。当负截阻抗为无穷大时，桥路输 出电压

7、当传感器的衔铁处于中间位宣时，即 z1z2z，此时有 c。o，电桥平衡。从式(421)及式(422)可知，衔铁上下移动相同距离时输出电压的大小相 等，但方向相反，由于 t。是交流电压，输出指示无法判断位移方向，必须 配合相敏检波电路来解决。3谐振式测量电路谐振式测量电路有谐振式调幅电路如图 46 所示，谐振式调频电路如图 47 所示。在调幅电路中，传感器电感 L 与电容 c、变压器原边串联在一起， 接入交流电源 c，变压器副边特有电压 c。输出，输出电压的频率与电源频 率相同，而幅值随着电感工而变化，团 46(b)所示为输出电压口。与电感人 的关系曲线，其中工。为谐振点的电感值，此电路灵敏度很

8、高，但线性差，适 用于线性要求不高的场合。四、变磁阻式传感器的应用图 48 所示是变隙电感式压力传感器的结构图。它由膜盒、扶芯、衔铁及 线圈等组成，衔铁与膜盒的上端连在一起。当压力进入膜盒时，膜盒的顶端在压力尸的作用下产生与压力尸大小成正 比的位移。于是衔铁也发生移动，从而使气隙发生变化，流过线团的电流也发 生相应的变化，电流表指示值就反映了被测压力的大小。图 49 所示为变隙式差动电感压力传感器。它主要由 c 形弹簧管、衔铁、 铁芯和线圈等组成。当被测压力进入 c 形弹簧管时，c 形弹簧管产生变形，其自由端发生位移， 带动与自由端连接成一体的衔铁运动，使线圈 1 和线圈 2 中的电感发生大小

9、相 等、符号相反的变化，即一个电感量增大，另一个电感量减小。电感的这种变 化通过电桥电路转换成电压输出。由于输出电压与被测压力之间成比例关系， 所以只要用检测仪表测量出输出电压，即可得知被测压力的大小。 42 差动变压器式传感器把被温的非电量变化转换为线圈互感量变化的传感器称为互感式传感器。 这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组都用差动形式连接， 故称差动变压器式传传感器原理及工程应用 , 第 52 页差动变压器结构形式较多，有变隙式、变面积式和螺线管式等，但其工作 原理基本一样。非电量测量中，应用最多的是螟线管式差动变压器，它可以测 量 1100 mm 范围内的机械位移，井具

10、有测量精度高，灵敏度高，结构简单， 性能可靠等优点。螟线管式差动变压器结构如图 410 所示，它由初级线圈、两个次级线圈 和插入线圈中央的圆柱形铁芯等组成。螺线管式差动变压器按线圈绕组排列方的式不同可分为一节、二节、三节 四节和五节式等类型，如图 411 所示。一节式灵敏度高，三节式零点残余电 压较小，通常采用的是二节式和三节式两类。差动变压器式传感器中两个次级线圈反向串联，并且在忽略铁损、导磁体 磁阻和线圈分布电容的理想条件下，其等效电路如图 412 所示。当初级绕组 Ml 加以激励电压 G2 时，根据变压器的工作原理，在两个次级绕组 Mh 和 w2b 中 变会产生成应电势置 h 和 A6。

11、如果工艺上保证变压器结构完全对称，则当活动 衔铁处于韧姑平衡位置时，必然会使两互感系数 N1M2。根据电磁感应原理， 特有 62eAb。由于变压器两次级绕组反向串联，因而 y2岛。一直 Mo，即 差动变压器输出电压为零。当活动衔铁向上移动时，由于磁阻的影响，Mh 中磁通特大于 M2b，使 M：M：，因而置：增加，而置 M 减小。反之，互：b 增加，置 h 减小。因为口 22h 一直 2b，所 以当 6b、互。随着衔铁值移?变化时，y2 也必将随 f 变化。图 413 给出了变 压器输出电压 Cz 与活动衔铁位移 s 的关系曲线。实际上，当衔铁位于中心位 置时，差动变压器输出电压并不等于零，我们

12、把差动变压器在零位移时的输出 电压称为零点残余电压，记作(：，它的存在使传感器的输出特性不过零点， 造成实际特性与理论特性不完全一致。零点残余电压产生的原因主要是传感器 的两次级绕组的电气参数与几何尺寸不对称，以及磁性材料的非线性等问题引 起的。 零点残余电压的波形十分复杂，主要由基波和高次谐波组成。基波的产生主要 是传感器的两次级绕组的电器参数，几何尺寸不对称，导致它们产生的感应电 势幅值不等、相位不同，因此不论怎样调整衔铁位置，两线圈中感应电势都不 能完全抵消。“高次谐波中起主要作用的是三次谐波，产生的原因是由于磁性 材料磁化曲线的非线性(磁饱和、磁滞)。零点残余电压一般在几十毫伏以下，

13、在实际使用时，应设法减小 C。，否则将会影响传感器的测量结果。二、基本特性 差动变压器等效电路如图 412 所示。当次级开路时有：传感器原理及工程应用 , 第 53 页 式中：。激励电压 0I 的角频率， w初级线圈激励电压，u1初级线圈激励电流；r1、l1初级线团直流电阻和电感。根据电磁感应定律，次级绕组中感应电势的表达式分别为式中：Ml、M：分别为初级绕组与两次级绕组的互感系数。由于次级两绕组反向串联，且考虑到次级开路，则由以上关系可得三、差动变压器式信感路测量电路差动变压器输出的是交流电压，若用交流电压表测量，只能反映衔铁位移的 大小，而不能反映移动方向。另外，其测量值中将包含零点残余电

14、压。为了达 到能辨别移动方向及消除零点残余电压的目的，实际测量时，常常采用差动整 流电路和相敏检波电路。1复动整流电路这种电路是把差动变压器的两个次级输出电压分别整流，然后将整流的电 压或电流的差值作为输出，固 414 给出了几种典型电路形式。图中(a)、(c) 适用于交流负载阻抗，(b)、(d)适用于低负载阻抗，电阻 Ro 用于调整零点残余 电压。下面结合固 414(c)，分析差动整流工作原理。因 4N 差动整流电路(a)半浊电压输出*(b)半彼电流输出；(c)全彼电压输出，(d)全半波电流输 出 从图 414(c)电路结构可知，不论两个次级线团的输出瞬时电压极性如 何，流经电容 dI 的电

15、流方向总是从 2 到 4，流经电容 c2 的电流方向从 6 到 8， 故整流电路的输出电压为： 当衔铁在零位时，因为 y2 尸 tg。，所以 y2o；当衔铁在零位以上时， 因为 zMZM 则 C：o，而当衔铁在零位以下时，则有 rML7e：，则 zso。 差动整流电路具有结构简单、不需要考虑相位调整和零点残余电 压的影响、分布电容影响小和便于远距离传箔等优点，因而获得广泛应用。2相敷检波电路电路如图 415 所示。V。：。VM vn；，VD。为四个性能相同的二极管， 以同一方向串联接成一个闭合回路，形成环形电桥。输入情号 u2(差动变压器 式传感器输出的调幅波电压)通过变压器 T，加到环形电桥

16、的一个对角线。参考 信号吨通过变压器 T5 加入环形电桥的另一个对角线。输出信号“l 从变压器 Tl 与 Tz 的中心抽头引出。平衡电阻盈起限流作用，避免二极管导通时变压器 T2的次级电流过大。AL 为负载电阻。M。的幅值要远大于输入信号 M 2 的幅值， 以便有效控制四个二极管的导通状态，且 M。和差动变压器式传感器激磁电压、 由同一振荡器供电，保证二者同频、同相(或反相)传感器原理及工程应用 , 第 56 页固 415 相敏检波电路(：)相敏检波电原理图，(b)M。”M 2 均为正半周时等效电路， (c、Mz 均为负半周时等效电路由因 416(a)、(c、(J)可知，当位移 A2o 时，02 与 u9 同频同相，当位移 A2时，M2 与 Qo 同颠反相。当 A2