DOC《第3章》

第3章 变磁阻式传感器 变磁阻式传感器是利用被测量的变化使线圈电感量发生改变这一物理现象来实现测量的.

根据工作原理的不同,变磁阻式传感器可分为自感式传感器、变压器式传感器、电涡流传感器等几种,而自感式传感器和互感式传感器又统称为电感式传感器.根据被测量所改变传感器的参数不同,又分为变间隙式、变面积式和螺丝管式. 3.1 自感式传感器 3.1.1 基本自感式传感器 1.工作原理 图3.1 变间隙自感式传感器 基本变间隙自感式传感器由线圈、铁芯和衔铁组成,结构如图3.1所示.工作时衔铁与被测物体连接,被测物体的位移将引起空气间隙的长度发生变化.由于气隙磁阻的变化,导致了线圈电感量的变化. 线圈的电感可用下式表示 (3.1) 式中,N为线圈匝数;

Rm为磁路总磁阻,磁路总磁阻由铁芯、衔铁与空气间隙三部分的磁阻组成,而一般情况下,铁芯与衔铁的磁阻与空气间隙磁阻相比很小,所以磁路总磁阻可近似为气隙磁阻,即(3.2) 式中,?为空气间隙的长度;

?0为空气磁导率;

S为铁芯与衔铁之间的空气间隙的相对面积.则式(3.1)中线圈的电感可近似地表示为 (3.3) 由式(3.3)可以看出,传感器中线圈的电感量的变化与气隙长度和面积之间存在确定的函数关系,改变式中气隙长度或气隙截面,均可改变电感的电感量.因此,电感式传感器又可分为变气隙长度的传感器和变气隙面积的传感器.前者常用于测量直线位移,后者常用于测量角位移. 2.灵敏度 设传感器的初始间隙长度为??0,面积为S0,当衔铁上移???时,传感器气隙长度减小??,即??=???0-??,则此时输出电感为L = L0 + ?L,代入式(3.3),并整理,得(3.4) 当?1时,,

即: (3.5) 则电感相对增量为 (3.6) 电感相对增量灵敏度K为(3.7) 图3.2 差动变间隙式电感传感器 由式(3.7)可知:??0越小,灵敏度越高;

但??0越小,?1的条件不易满足,线性度差.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.所以变间隙式电感传感器用于测量微小位移时是比较准确的.为了减小非线性误差,实际测量中广泛采用差动变间隙式电感传感器. 3.1.2 差动变间隙式传感器 图3.2所示为差动变间隙式电感传感器的结构原理图.由图可知,它采用两个相同的传感器共用一个衔铁组成,在测量时,衔铁通过导杆与被测体相连,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小,形成差动形式. 差动形式-输出的总电感变化量,当?1时,可得 (3.8) 电感相对变化量的灵敏度K为(3.9) 比较单线圈式和差动式两种变间隙式电感传感器的特性,可以得到如下结论: ① 差动式比单线圈式的灵敏度高一倍;

② 差动式的非线性项等于单线圈非线性项乘以因子,因为?1,所以,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,要求构成差动式的两个变隙式电感传感器在结构尺寸、材料、电气参数等方面均完全一致. 图3.3 螺管型电感式传感器 3.1.3 螺管型电感式传感器 图3.3所示为螺管型电感式传感器的结构图.螺管型电感传感器的衔铁随被测对象移动,线圈磁力线路径上的磁阻发生变化,线圈电感量也因此而变化,线圈电感量的大小与衔铁位置有关.线圈的电感量L与衔铁进入线圈的长度x的关系为 (3.10) 式中,为线圈长度;