模拟式传感器测量位移的原理.docx

模拟式传感器测量位移的原理由于电容式、电感式传感器在原理上有相似之处，以电感式传感器为例来介绍模拟式传感器测量位移的原理。电感式传感器是基于电磁感应原理，将被测非电量转换为电感量变化的一种构造型传感器。按其转换方式的不同，可分为自感型和互感型两种，自感型电感传感器又分为可变磁阻式和涡流式。互感型又称为差动变压器式。1、可变磁阻式电感传感器典型的可变磁阻式电感传感器的构造如图1所示，主要由线圈、铁心和活动衔铁所组成。在铁心和活动衔铁之间保持一定的空气隙，被测位移构件与活动衔铁相连，当被测构件产生位移时，活动衔铁随着移动，空气隙发生变化，引起磁阻变化，从而使线圈的电感值发生变化图1可变磁阻式电感传感器当线圈通以激磁电流时，其自感1.与磁路的总磁阻有关,即(1)式中W线圈匝数；一一总磁阻。如果空气隙较小，而且不考虑磁路的损失，则总磁阻为(2)式中1.-铁心导磁长度(m)；-铁心导磁率(H/m)；A铁心导磁截面积(m2)；一空气磁导率(H/m),一空气隙导磁截面积()。由于铁心的磁阻与空气隙的磁阻相比是很小的，计算时铁心的磁阻可以忽略不计，故(3)将式(3)代入式(1),得(4)式(4)说明，自感1.与空气隙的大小成反比，与空气隙导磁截面积成正比。当固定不变，改变时，1.与成非线性关系，此时传感器的灵敏度(5)由式(5)得知，传感器的灵敏度与空气隙的平方成反比，愈小，灵敏度愈高。由于S不是常数，故会出现非线性误差，同变极距型电容式传感器类似。为了减小非线性误差,通常规定传感器应在较小间隙的变化范围内工作。在实际应用中，可取。这种传感器适用于较小位移的测量，一般为O.OOl-Immo此外，这类传感器还常采用差动式接法。图2为差动型磁阻式传感器，它由两个一样的线圈、铁心及活动衔铁组成。当活动衔铁接于中间位置(位移为零)时，两线圈的自感1.相等，输出为零。当衔铁有位移时，两个线圈的间隙为，这说明一个线圈自感增加，而另一个线圈自感减小,将两个线圈接入电桥的相邻臂时，其输出的灵敏度可提高一倍，并改善了线性特性，消除了外界干扰。可变磁阻式传感器还可做成如图3所示改变空气隙导磁截面积的形式，当固定，改变空气隙导磁截面积时，自感1.与呈线性关系。图2可变磁阻差动式传感器图3可变磁阻面积型电感传感器如图3所示,在可变磁阻螺管线圈中插入一个活动衔铁,当活动衔铁在线圈中运动时，磁阻将变化，导致自感1.的变化。这种传感器构造简单，制造容易，但是其灵敏度较低，适合于测量比较大的位移量。2、涡流式传感器涡流式传感器的变换原理，是利用金属导体在交流磁场中的涡电流效应。如图4所示,金属板置于一只线圈的附近，它们之间相互的间距为。当线圈输入一交变电流i时，便产生交变磁通量。金属板在此交变磁场中会产生感应电流i,这种电流在金属体内是闭合的，所以称之为“涡电流''或"涡流”。涡流的大小与金属板的电阻率、磁导率、厚度h、金属板与线圈的距离、激励电流角频率等参数有关。若改变其中某一参数，而固定其他参数不变，就可根据涡流的变化测量该参数。涡流式传感器可分为高频反射式和低频透射式两种。(1)高频反射式涡流传感器如图5所示，高频(>lMHz)激励电流产生的高频磁场作用于金属板的表面，由于集肤效应，在金属板表面将形成涡电流。与此同时，该涡流产生的交变磁场又反作用于线圈，引起线圈自感1.或阻抗的变化,其变化与距离、金属板的电阻率、磁导率、激励电流i及角频率等有关，若只改变距离而保持其他系数不变，则可将位移的变化转换为线圈自感的变化，通过测量电路转换为电压输出。高频反射式涡流传感器多用于位移测量。图4可变磁阻螺管型传感器图5高频反射式涡流传感器(2)低频透射式涡流传感器低频透射式涡流传感器的工作原理如图6所示，发射线圈和接收线圈分别置于被测金属板材料G的上、下方。由于低频磁场集肤效应小，渗透深，当低频(音频范围)电压加到线圈的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板材料G,使线圈产生电感应电动势。但由于涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势减少，当金属板材料G越厚时，损耗的能量越大，输出电动势越小。因此,的大小与G的厚度及材料的性质有关。试验说明，随材料厚度入的增加按负指数规律减少，如图6(b)所示，因此，若金属板材料的性质一定，则利用的变化即可测量其厚度。3、互感型差动变压器式电感传感器互感型电感传感器是利用互感M的变化来反映被测量的变化。这种传感器实质是一个输出电压的变压器。当变压器初级线圈输入稳定交流电压后，次级线圈便产生感应电压输出，该电压随被测量的变化而变化。差动变压器式电感传感器是常用的互感型传感器，其构造形式有多种，以螺管形应用较为普遍，其构造及工作原理如图7(a)、(b)所示。传感器主要由线圈、铁心和活动衔铁三个部分组成。线圈包括一个初级线圈和两个反接的次级线圈，当初级线圈输入交流激励电压时，次级线圈将产生感应电动势和。由于两个次级线圈极性反接，因此传感器的输出电压为两者之差，即二。活动衔铁能改变线圈之间的耦合程度。输出的大小随活动衔铁的位置而变。当活动衔铁的位置居中时，即=,=O；当活动衔铁向上移时，即，0；当活动衔铁向下移时，即