模拟式传感器测量位移的原理

2015-2-11 07:28| 编辑:电工学习网| 查看: 10830| 评论: 0

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结构型传感器。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结构如图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L与磁路的总磁阻有关，即

　　　　（1）

式中　W——线圈匝数；

——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　L--铁心导磁长度（m）；

--铁心导磁率（H/m）；

A--铁心导磁截面积（m2）；

--空气磁导率（H／m），

--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）表明，自感L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，L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0.001～1mm。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，它由两个相同的线圈、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L相等，输出为零。当衔铁有位移时，两个线圈的间隙为，这表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L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L的变化。这种传感器结构简单，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i0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（>1MHz）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L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。试验表明，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，其结构形式有多种，以螺管形应用较为普遍，其结构及工作原理如图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=－。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=，=0；当活动衔铁向上移时，即>，>0；当活动衔铁向下移时，即<，<0。活动衔铁的位置往复变化，其输出电压，也随之变化，输出特性如图7（c）所示。

图6　低频投射式涡流传感器

（a）原理图；（b）曲线图

图7　差动变压器式电感传感器

（a）、（b）工作原理（c）输出特性

图8 查动相敏检波电路的工作原理

值得注意的是：首先，差动变压器式传感器输出的电压是交流电压，如用交流电压表指示，则输出值只能反应铁心位移的大小，而不能反应移动的极性；其次，交流电压输出存在一定的零点残余电压，零点残余电压是由于两个次级线圈的结构不对称，以及初级线圈铜损电阻、铁磁材质不均匀、线圈间分布电容等原因所形成。所以，即使活动衔铁位于中间位置时，输出也不为零。鉴于这些原因，差动变压器的后接电路应采用既能反应铁心位移极性，又能补偿零点残余电压的差动直流输出电路。

图8是用于小位移的差动相敏检波电路的工作原理。当没有信号输入时，铁心处于中间位置，调节电阻R，使零点残余电压减小；当有信号输入时，铁心移上或移下，其输出电压经交流放大、相敏检波、滤波后得到直流输出。由表头指示输入位移量的大小和方向。

差动变压器传感器具有精度高（达0.1um量级），线圈变化范围大（可扩大到±l00mm，视结构而定），结构简单，稳定性好等优点，被广泛应用于直线位移及其它压力、振动等参量的测量。图9是电感测微仪所用的差动型位移传感器的结构图。