DOC《第3章》

r为线圈平均半径;

N为线圈的匝数;

x为衔铁进入线圈的长度;

ra为衔铁的半径;

?m为铁芯的有效磁导率. 图3.4 电阻平衡臂电桥电路 螺管型电感式传感器的灵敏度较低,但量程大且结构简单,易于制作和批量生产,是目前使用最广泛的一种电感式传感器. 3.1.4 测量电路 自感式传感器的测量电路有交流电桥式、交流变压器式和谐振式等几种形式.其中交流电桥是电感式传感器的主要测量电路,它的作用是将线圈电感的变化转换成电桥电路的电压或电流输出. 1.电阻平衡臂电桥 如图3.4所示,电阻平衡臂电桥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. 假定图3.4中电桥输出端的负载为无穷大,则输出电压为 因为 所以 (3.11) 衔铁在平衡位置时,由于两线圈结构完全对称,故 式中,R0为线圈的铜电阻.若电路的品质因数较高,则近似为 此时,电桥平衡,输出为零. 当衔铁偏离中间位置时,两边气隙不等,两只电感线圈的电感量一增一减,电桥失去平衡.当衔铁向上移动时,,

,把Z

1、Z2代入式(3.11)中,则有 (3.12) 其中::衔铁在中间位置时线圈的电感 :两线圈电感的差量 图3.5 变压器式交流电桥测量电路 将代入式(3.12)得: (3.13) 电桥输出电压与有关. 2.交流变压器式电桥 变压器式交流电桥测量电路如图3.5所示,电桥两臂Z

1、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两个绕组.当负载为无穷大时,桥路输出电压为 (3.14) 当传感器的衔铁处于中间位置时,即,此时,,

电桥平衡. 当衔铁上移时,即,,

则有 (3.15) 同理,衔铁下移时,则,,

此时 (3.16) 从式(3.15)及式(3.16)可知,衔铁上下移动相同距离时,输出电压的大小相等,方向相反.由于输出Uo是交流电压,输出指示无法判断位移方向,必须配合相敏检波电路来解决.有关相敏检波电路的工作原理将在差动变压器式传感器中讨论. 3.调幅电路 谐振电路如图3.6所示.图中Z为传感器线圈,E为激励电源.图3.6(b)中所示曲线为图3.6(a)所示回路的谐振曲线.若谐振电路中激励源的频率为f,其振荡频率则可确定其工作在谐振曲线A点.当传感器线圈电量变化时,谐振曲线将左右移动,工作点就在同一频率的纵坐标直线上移动(如移至B点),于是输出电压的幅值就发生相应的变化.这种电路灵敏度很高,但非线性严重,常与单线圈自感式传感器配合,用于测量范围小或线性度要求不高的场合. 4.调频电路 图3.7(a)所示为调频电路的基本框图.调频电路的基本原理是传感器电感L变化将引起输出电压频率的变化.一般是把传感器电感L和电容C接入一个振荡回路中.当L变化时,振荡频率随之变化,根据f的大小即可测出被测量的值.图3.7(b)所示曲线表示f与L的特性,它具有明显的非线性关系. 由于输出为频率信号,这种电路的抗干扰能力很强,电缆长度可达1km,特别适合于野外现场使用. 图3.6 谐振电路 图3.7 调频电路 3.2 变压器式传感器 变压器式传感器根据变压器基本原理,把被测的非电量变化转换为线圈间互感量的变化.变压器式传感器与变压器的区别是:变压器为闭合磁路,而变压器式传感器为开磁路;

变压器初、次级线圈间的互感为常数,而变压器式传感器初、次级线圈间的互感随衔铁移动而变,且两个次级绕组按差动方式工作.因此,它又被称为差动变压器式传感器. 差动变压器结构形式较多,有变间隙式、变面积式和螺线管式等,其中应用最多的是螺线管式差动变压器,它可以测量1~100mm的机械位移,并具有测量精度高,灵敏度高,结构简单,性能可靠等优点. 图3.8 螺线管式差动变压器 3.2.1 螺线管式差动变压器 螺线管式差动变压器的基本结构如图3.8所示,它由一个初级线圈、两个次级线圈和插入线圈中央的圆柱形铁芯等组成. 图3.9 等效电路 差动变压器传感器中两个次级线圈反向串联,并且在忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下,其等效电路如图3.9所示,其中U