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1、3.5 电感式压力计,3.5 电感式压力计,电感式压力计采用的敏感元件是电感式压力传感器，利用电磁感应原理，把被测压力转换成自感或互感系数的变化，再由测量电路转换为电压或电流输出。它的种类很多，以下介绍常用的自感或互感式两种传感器。,3.5.1 自感式传感器,工作原理,简单的自感式传感器结构原理如图所示。它由线圈、铁心和衔铁三部分组成。铁心和衔铁均由导磁材料制成。在铁心与衔铁之间为空气隙，气隙厚度为。压力传感元件与衔铁相连，传感元件的位移会引起空气隙变化，从而改变磁路的磁阻，使线圈电感值发生变化。由电工学可知，线圈中的电感可以表示为,式中 l导磁体的长度； 导磁体的导磁率 0空气的导磁率； A
2、1导磁体的截面积 A气隙的截面积； 气隙的厚度。,式中 N 线圈匝数； RM 磁路总磁阻。,当空气隙厚度较小时，可以忽略磁路的铁损，总磁阻可以表示为,1线圈 2铁心 3衔铁,电磁感应原理,一般导磁体的磁阻与空气隙的磁阻相比要小的多，所以线圈的磁路总磁阻可以近似表示为,由上式可知，当线圈匝数N确定之后，只要改变和A均可以引起电感L的变化，因此自感式传感器可分为改变气隙厚度和改变气隙面积两种，改变气隙厚度使用较广泛。,而线圈的电感可表示为,下面分析变气隙式电感传感器的输出特性。设衔铁处于起始位置时，初始气隙厚度为0，对应的初始电感为：,当衔铁上移时，传感器的气隙减小=0-，对应的电感量为,电感的变
3、化量为 电感的相对变化量为,若 / 越小，非线性误差越小，但这样又会使得传感器的测量范围减小。自感式传感器一般取 / =0.10.2。,当/0 1时，上式可展开成级数形式,同理，当衔铁下移时，传感器的气隙增大，=0+，电感的变化量为,同样L/L0可展开成级数,由上式可知L/L0与/0为非线性特性。但当/0 1 ，若忽略二次项以上的高次项，则有,差动式自感压力传感器,流电桥的相邻桥臂，与另外两个固定电阻组成交流电桥。U为桥路交流电源，U0为桥路交流输出。,为了减少变气隙式传感器的非线性误差，常采用限制测量范围即减小衔铁移动范围的方法，构成如图所示的差动结构。,起始位置时，衔铁处于中间位置，上、下
4、两侧气隙相同，即1=2=0，则Z1=Z2=Z0，故桥路输出电压Uo=0，电桥处于平衡状态。,它的特点是上、下两个完全对称的自感传感器合用一个活动衔铁，传感器的两只电感线圈作为交,当衔铁偏离中间位置，向上或者向下移动时，使两只电感线圈的电感量一个增一个减，12。此时传感器的电感变化量为：,式中L0为衔铁在中间位置时，单个线圈的初始电感量。,由于不存在偶数项，显然其非线性远小于单个电感传感器。同时，它比单个传感器的灵敏度提高了1倍。 当电桥失去平衡，桥路输出U0的大小与衔铁移动的大小成比例，其相位则与衔铁移动的方向有关。,对于高Q值(Q=L0/R0，它是自感传感器的品质因数，Q值大表明线圈制造质量
5、好)的差动式传感器，桥路输出可近似表示为：,桥路输出电压可表示为：,式中 激励电压的角频率； Z0 单个电感线圈阻抗； R0 单个电感线圈电阻,上式表明桥路输出电压幅值与衔铁位移量成正比，相位则与衔铁移动方向有关。,输出,近似线性,相位与衔铁方向有关,电感信号的测量电路 变压器式交流电桥,变压器式交流电桥结构如右图所示。图中相邻两工作臂为Z1、Z2，是差动电感传感器的两个线圈的阻抗；另两臂为变压器次级线圈的两半(每臂电压为U/2)，输出电压取自A、B两点。 假定0点为零电位，且传感器线圈为高Q值，其线圈电阻远远小于其感抗，即rL，则可以推导其输出特性公式为,在初始位置，即衔铁位于差动电感传感器
6、中间时，由于两线圈完全对称，因此Z1=Z2=Z0，此时桥路平衡，即。,当衔铁上移时，上线圈阻抗增加，即Z2=Z+Z，而下线圈阻抗减少，为Z1=Z-Z，此时输出电压为,因为在Q值很高时，线圈内阻可以忽略，所以,同理衔铁下移时，可推导出,由此可见，衔铁上移和下移时，输出电压相位相反，且随L的变化输出电压也相应地改变。据此，经适当电路处理可判别位移的大小及方向。,电感信号的测量电路 调幅电路,右图（a）为将感抗变化转换为交流信号幅值的调幅电路。传感器L与固定电容C、变压器T串联在一起，接入外接电源u后，变压器的次级将有电压u0输出。输出电压的频率与电源频率相同，幅值随L变化。,图(b)所示为输出电压
7、与电感L的关系曲线，其中L0为谐振点的电感值。实际应用时，可以使用特性曲线一侧接近线性的一段。这种电路的灵敏度很高，但线性度差，适用于对线性度要求不高的场合。,(a) (b),电感信号的测量电路 调频电路,右图（a）为将感抗变化转换为交流信号幅值的调频电路。把传感器电感L和一个固定电容C接入一个振荡回路中，其振荡频率为,当L变化时，振荡频率随之变化，根据频率大小即可测出被测量值。图（b）为频率和电感变化的关系。,(a) (b),应用示例自感式压力计,右图所示是变隙电感式压力计的结构图。它由波纹管、铁心、衔铁及线圈等组成，衔铁与波纹管的上端连在一起。 当压力进入波纹管时，波纹管的顶端在压力p的作
8、用下产生与压力p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，流过线圈的电流也发生相应的变化，电流的大小反映了被测压力的大小。,应用示例变隙式差动电感压力计,右图所示为变隙式差动电感压力传感器。它主要由弹簧管、衔铁、铁心和线圈等组成。 当被测压力进入弹簧管时，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l和线圈2中的电感发生大小相等、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。,3.5.2 互感式差动传感器
9、,工作原理,互感式传感器将被测的位移或形变转换为线圈互感量变化，这种传感器是根据变压器的原理进行转换的，且次级绕组都是采用差动形式连接，故也称为差动变压器式传感器。其结构形式有多种，但工作原理基本相同，现仅以目前采用较多的螺管式结构为例进行介绍。,螺管式差动变压器如图所示。它由一个初级线圈、两个次级线圈及铁心组成。其结构类似变压器，初级线圈作为激励相当于变压器原边；完全对称的两个次级线圈形成变压器的副边。差动变压器为非闭合磁路，原、副边之间的互感随铁芯移动作相应的变化。,差动变压器原理如图所示。两个次级线圈反相串联，当初级线圈通以适当频率的激励电压时，两个次级线圈产生的感应电压分别为U1和U2
10、，它们的大小取决于铁心的位置，输出电压为U0=U1-U2。当铁心处于两次级线圈的中间位置时， U1=U2 ，U0= 0；当铁芯偏离中间位置向上(或向下)移动时，互感M1(或M2)增大，输出电压U0 0 ，但向上和向下移动时的输出电压相位相差180。,测量范围：1-100mm,注意与一般变压器的区别,差动变压器的等效电路如图所示。 图中Lp、 Rp初级线圈电感和损耗电阻； M1、M2 初级线圈与两个次级线圈之间 的互感系数； Up 激励电压；U0 输出电压； LS1、LS2 两个次级线圈的电感； RS1、RS2 两个次级线圈的损耗电阻。,式中 激励电压的角频率,根据变压器原理，当次级开路时，初级
11、线圈的交流电流为,次级线圈的感应电压为,交流信号的三要素：相位、频率、幅值,差动变压器的输出电压为,输出电压的有效值为,可见，当初级线圈结构和激励电压一定，输出电压主要由互感M1和M2的大小所决定。输出电压的相位反映了铁心移动的方向；输出电压的幅值反映了铁心移动的距离。 理想情况下，铁心处于中间位置时，输出电压Uo=0。但实际上，由于两个次级线圈结构上的不完全对称，以及激励电压中所含高次谐波等因素的影响，使得输出电压并不等于零，而是有一个微小电压Ux，称为零点残余电压，电压值一般在几十毫伏以下，必须设法消除，否则将会影响测量的精度。,零点残余电压,实际曲线上移,理想曲线,测量电路差动整流电路,
12、差动整流电路将差动变压器的两个次级电压分别整流，然后把整流后的电压差值作为输出。由图所示，差动变压器的两个次级线圈分别接在了两个独立的电桥上进行全波整流，负载电阻均为R。无论两个次级线圈的输出瞬时电压极性如何，两个电桥之间的连接使电路总的输出必须为两个整流桥路的的差值，即。,整流输出信号波形如下图所示：,(a)铁芯无位移 (b)铁芯上移 (c)铁芯下移,R,R,不须考虑零位调整和零点残余电压的影响,测量电路相敏检波电路,由于采用低通滤波器，信号变平滑。,特性曲线,相敏检波电路,辅助电压,测量电路集成信号调理电路,AD598是集成化的差动变压器信号调理电路，通过与差动变压器的配合，可将机械位移转
13、换为单极性或双极性输出的高精度直流电压。 AD598是一种完整的单片式线位移差动变压器(LVDT)信号调节系统。AD598与LVDT配合，能够将LVDT的机械位置转换成单极性或双极性输出的高精度直流电压。AD598将所有的电路功能都集中在一块芯片上，只要增加几个外接无源元件，就能确定励磁频率和输出电压的幅值。在芯片内部，AD598将LVDT处理的次级输出信号按比例地转换成直流信号。,3.6 霍尔式压力计,3.6 霍尔式压力计,霍尔式压力计的主要传感元件是霍尔传感器，这类传感器通过“霍尔效应”将弹性元件的形变或位移信号转换为电势信号，实现压力测量信号的远传和处理。,霍尔元件,“霍尔效应”是美国物
14、理学家霍尔于1879年在金属材料中发现的一种磁电效应，直到20年代中期，随着半导体材料的加工和应用技术的不断完善，这一物理效应才逐渐被应用于工业检测，目前利用半导体材料制造的各类霍尔传感器，已广泛应用在工业测量和控制的各个领域。,3.6.1 霍尔传感器的工作原理,霍尔效应,霍尔传感器的传感元件使用硅（Si）、锗（Ge）、锑化铟（InSb）、砷化铟（InAs）等半导体材料制造。这类材料制造的半导体薄片，在磁场和电流的共同作用下会产生“霍尔效应”。,一个半导体薄片，若使控制电流I通过它的两个相对侧面，在与电流垂直的另外两个相对侧面施加磁感应强度为B的磁场，那么在半导体薄片与电流和磁场均垂直的另外两
15、个侧面上将产生电势信号UH 。这一现象称为霍尔效应，产生的电势称为霍尔电势，其大小与控制电流I与磁感应强度B的乘积成正比。,霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果。如图所示。假设在N型半导体薄片的垂直方向上加一磁感应强度为B的恒定磁场，在半导体薄片相对两侧加一控制电流I时，半导体材料中的电子运动由于受到洛伦兹力的作用，而使电子运动的轨道发生偏移，沿图中虚线所示的轨迹运动，一个端面有电子积累显负极型，另一个端面因失去电子而显正极性，因此在与磁场B和电流I均垂直的两个端面上出现电位差。,霍尔电势UH的大小与半导体材料、控制电流I、磁感应强度B以及霍尔元件的几何尺寸等有关。可用下式表示,KH称为霍尔元件的灵敏度，它表示了单位电流和单位磁场作用下，开路时霍尔电势的大小。它与元件的厚度成反比，霍尔片越薄，灵敏度系数就越大。但在考虑提高灵敏度的同时，必须兼顾元件的强度和内阻。,式中 I 控制电流；B 磁感应强度； n 半导体材料单位体积内的电子数； e 电子电量；d 霍尔片厚度； RH 霍尔常数，RH=1/ne，它反映了材料霍尔效应的强弱，其大小由材料所决定。,，则得到,设,霍尔常数：RH=*， ：电阻率，电子迁移率。,一般，I=320mA，B与约为0.1T，UH为几到几百毫伏。若磁感应强度与霍尔片法线之间有夹角 ，则有 UH=KIBsin ,(1)额
