(第4章)电感式传感器-精选文档

4.2 差动变压器式传感器
4.2.1 差动变压器式传感器 的工作原理
差动变压器是把被测的非电量变化转 换成绕组互感量的变化。
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，应用最多的是螺 线管式差动变压器，它可以测量1～100mm 机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、 结构简单、性能可靠等优点。
第4 章 电感式传感器
4.1
电涡流式传感器
4.2
变磁阻式传感器
4.3
差动变压器式传感器
4.1 变磁阻式传感器
4.1.1
工作原理
变磁阻式传感器由线圈、铁芯和衔铁3 部分组成。在铁芯和衔铁之间有气隙，气 隙厚度为，传感器的运动部分与衔铁相连。 当衔铁移动时，气隙厚度发生改变，导致 电感线圈的电感值变化，只要能测出这种 电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大 小和方向。
差动变压器传感器中的两个次级绕组 反相串联，当初级绕组加以激励电压U时， 在两个次级绕组W2a和W2b中便会产生感应电 势e2a和e2b。当活动衔铁处于初始平衡位置 时，必然会使两互感系数 M1=M2，将有 e2a=e2b，因而有Uo=e2a−e2b=0，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，W2a中磁通将大于W2b，使M1>M2，因而 e2a增加，而e2b减小。反之，e2b增加，e2a 减小。因为Uo=e2a−e2b，所以当e2a、e2b 随 着衔铁位移x变化时，Uo也必将随x而变化。
其输出电压为
Z Z U U ＝ U ( L L ) o 1 2 2 ( Z Z ) 2 Z 1 2
式中：L0——衔铁在中间位置时单个 线圈的电感； ΔL——单线圈电感的变化量。
2．变压器式交流电桥
电桥两臂Z1、Z2为传感器线圈阻抗， 另外两桥臂为交流变压器次级线圈的1/2阻 抗。当负载阻抗为无穷大时，桥路输出电 压为
2、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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ，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。
1．差动整流电路
差动整流电路还可以接成全波电压输 出和全波电流输出的形式。 差动整流电路具有结构简单，根据差 动输出电压的大小和方向就可以判断出被 测量（如位移）的大小和方向，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，便于远距离传输，因而获得 广泛的应用。
2．相敏检波电路
相敏检波电路要求比较电压与差动变 压器二次输出电压频率相同，相位相同或 相反。为了保证这一点，通常在电路中接 入移相电路。另外，由于比较电压在检波 电路中起开关作用，因此其幅值应尽可能 大，一般应为信号电压的3～5倍。
当传感器衔铁下移时，则Z1=Z−Δ Z， Z2=Z+Δ Z，此时
ZU LU U o Z 2 L 2
4.1.3
变磁阻式传感器的应
用
1、变隙电感式压力传感器
它由膜盒、 铁芯、 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P的作用下产生与压力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，电流表指示值就反映了被测压力的大 小。
差动式结构除了可以改善线性、提高 灵敏度外，对温度变化、电源频率变化等 影响也可以进行补偿，从而减少了外界影 响造成的误差。
4.1.2
测量电路
变磁阻式传感器的测量电路有交流电 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
把传感器的两个线圈作为电桥的两个 桥臂Z1和Z2，另外两个相邻的桥臂用纯电 阻代替，设Z1=Z+Δ Z1，Z2=Z－Δ Z2，Z是衔 铁在中间位置时单个线圈的复阻抗，Δ Z1， Δ Z2分别是衔铁偏离中心位置时两线圈阻 抗的变化量。
图4-13中RP1为电桥调零电位器。对于 小位移测量，由于输出信号小，在电路中 还要接入放大器。此外，交流电桥也是常 用的测量电路。
4.2.3 的应用
差动变压器式传感器
差动变压器式传感器可以直接用于位 移测量，也可以测量与位移有关的任何机 械量，如振动、加速度、应变、比重、张 力和厚度等。
差动变压器式加速度传感器的原理。 它由悬臂梁和差动变压器构成。测量时， 将悬臂梁底座及差动变压器的绕组骨架固 定，而将衔铁的A端与被测振动体相连，此 时传感器作为加速度测量中的惯性元件， 它的位移与被测加速度成正比，使加速度 测量转变为位移的测量。当被测体带动衔 铁以Δ x(t)振动时，导致差动变压器的输 出电压也按相同规律变化。
因此，线圈的电感值可近似地表示为
W W 0S0 L R 2 m
2 2
当线圈匝数为常数时，只要改变或S0 均可导致电感变化，因此变磁阻式传感器 又可分为变气隙型电感式传感器和变面积 型电感式传感器。
在实际使用中，常采用两个相同的传 感器线圈共用一个衔铁，构成差动式电感 传感器。测量时，衔铁通过导杆与被测位 移量相连，当被测体移动时，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 的电感量减小，形成差动形式。
ZU Z U Z 1 1 2 U U Z Z 2 Z Z 1 2 1 2 2

当传感器的衔铁处于中间位置，即 Z1=Z2=Z时，有Uo=0，电桥平衡。 当传感器衔铁上移时，即Z1=Z+Δ Z， Z2=Z−Δ Z，此时
ZU LU U o Z 2 L 2
线圈中电感量为
W L I I

式中：ψ ——线圈总磁链； I —— 通过线圈的电流； W——线圈的匝数； ——穿过线圈 的磁通。
IW Rm
l l 2 1 2 R m S S S 1 1 2 2 0 0
通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁 阻，即
l1 2 0S0 1S1 l2 2 0S0 2S2