3.2电感式传感器测量压力（课件）-《传感器检测技术》同步教学（电子工业版）

学 习 目 标 技能目标 能利用电阻应变式传感器测量压力和称重 能利用电感式传感器实现气体压力、位移等信号检测 能利用压电传感器测量压力和加速度 知识目标 掌握电阻应变式传感器的结构、测量电路和工作原理 理解应变片的温度补偿原理和措施 掌握自感式、互感式传感器的结构和工作原理 理解电感式传感器差动结构的优点 掌握压电传感器的结构、工作原理和应用 项目3 压力测量 任务2 电感式传感器测量压力 知识链接 3.2.1 自感式传感器 1．基本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。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。 图3.23 基本变间隙自感式传感器 线圈的电感为： 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。线性化处理后的电感相对增量为： 电感相对增量灵敏度K为： 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。 2．差动变间隙式传感器 采用两个相同的传感器共用一个衔铁组成。 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。 图3.24 差动变间隙式电感传感器 差动形式输出的总电感变化量近似为 电感相对变化量为 电感相对增量灵敏度K为 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提高一倍； ② 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。 3．螺管型电感式传感器 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，线圈电感量也随之变化，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 保持线性关系。 图3.25 螺管型电感式传感器 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）交流变压器式电桥 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两个绕组。 图3.26 变压器式交流电桥测量电路 当负载为无穷大时，桥路输出电压为： 衔铁下移时，即 当传感器的衔铁处于中间位置时，电桥平衡 衔铁上移时，即 （2）调幅电路 图3.27 谐振电路 （3）调频电路 图3.28 调频电路 3.2.2 互感式传感器 互感式传感器把被测的非电量变化转换为线圈间互感量的变化。 变压器:闭合磁路，初、次级线圈间的互感为常数。 变压器式传感器:开磁路；初、次级线圈间的互感随衔铁移动而变，有两个次级绕组，按差动方式工作。因此，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1～100 mm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。 1．螺线管式差动变压器 螺线管式差动变压器由一个初级线圈、两个次级线圈和插入线圈中央的圆柱形铁芯等组成。两个次级线圈反向串联。 图3.29 螺线管式差动变压器 图3.30 等效电路 实际上，当衔铁位于中心位置时，差动变压器的输出电压并不等于零，通常把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压。它的存在使传感器的输出特性曲线不过零点，造成实际特性与理论特性不完全一致。 图3.31 零点残余电动势 为了减小零点残余电动势，可采用以下方法。 （1）采用对称结构 尽可能保证传感器尺寸、线圈电气参数和磁路对称。磁性材料要经过处理，以消除内部的残余应力，使其性能均匀稳定。