以自感式传感器为例说明差动式传感器可以提高灵敏度的原理

问题描述

精选答案

1、自感式传感器的工作原理

电感值与以下几个参数有关：与线圈匝数w平方成正比；与空气隙有效截面积S0成正比；与空气隙长度l0所反比。

2、灵敏度与非线性

气隙型其灵敏度为：差动式传感器其灵敏度：

以上结论在满足Δl/l0＜＜1时成立。

从提高灵敏度的角度看，初始空气隙l0距离人应尽量小。其结果是被测量的范围也变小。同时，灵敏度的非线性也将增加。如采用增大空气隙等效截面积和增加线圈匝数的方法来提高灵敏度，则必将增大传感器的几何尺寸和重量。这些矛盾在设计传感器时应适当考虑。与截面型自感传感器相比，气隙型的灵敏度较高。但其非线性严重，自由行程小，制造装配困难。因此近年来这种类型的使用逐渐减少。差动式传感器其灵敏度与单极式比较。其灵敏度提高一倍，非线性大大减小。

3、等效电路

自感式传感器从电路角度来看并非纯电感，它既有线圈的铜耗，又有铁芯的涡流及磁滞损耗，这可用折合的有功电阻抗Rq表示。此外，无功阻抗除电感之外还包括绕组间分布电容。这部分电容用集总参数C表示，一个电感线圈的完整等效电路可用图3-4表示。

式中Rm---磁路总磁阻；

Za---铁芯部分的磁阻抗；

Z0--空气隙的磁阻抗。

4、转换电路

一、调幅电路

调幅电路的一种主要形式是交流电桥。图（a）所示为交流电桥的一般形式。桥臂Zi可以是电阻、电抗或阻抗元件。当空载时，其输出称为开路输出电压，表达式如下。式中U为电源电压。

图交流电桥的一般形式及等效电路

（a）电阻平衡臂电桥（b）变压器电桥

二、调频电路

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f的变化。一般是把传感器电感L和一个固定电容C接入一个振荡回路中，如图（a）所示。当L变化时，振荡频率随之变化，根据的f大小即可测出被测量值。当L有了微小变化ΔL后，频率变化Δf为

图调频电路

三、调相电路

调相电路的基本原理是传感器电感L变化将引起输出电压相位φ的变化。图（a）所示是一个相位电桥，一臂为传感器L，另一臂为固定电阻R。设计时使电感线圈具有高品质因数。忽略其损耗电阻，则电感线圈与固定电阻上压降UL与UR互相垂直，如图（b）所示。当电感L变化时，输出电压U0的幅值不变，相位角φ随之变化。

φ与L的关系为

式中ω--电源角频率

图调相电路

5、零点残余电压

它表现在电桥预平衡时，无法实现平衡，最后总要存在着某个输出值ΔU0，这称为零点残余电压，如图所示。

图U0-l特性

6、自感式传感器的特点以及应用

自感式传感器有如下几个特点：

①灵敏度比较好，目前可测0．1μm的直线位移，输出信号比较大、信噪比较好；

②测量范围比较小，适用于测量较小位移；

③存在非线性；

④消耗功率较大，尤其是单极式电感传感器，这是由于它有较大的电磁吸力的缘故；

⑤工艺要求不高，加工容易。