變氣隙式電感傳感器：變氣隙式差動(dòng)變壓器式電感傳感器的誤差研究
在信息采集系統(tǒng)中，傳感器通常處于系統(tǒng)前端，即檢測和控制系統(tǒng)之首，它提供給系統(tǒng)處理和決策所必需的原始信息，因此，傳感器的精度對整個(gè)系統(tǒng)是至關(guān) 重要的。在位移、速度及加速度的測量中，經(jīng)常使用差動(dòng)變壓器式傳感器，原因是其靈敏度高、線性好且有配套集成電路，但傳統(tǒng)的LVDT傳感器對工作電源的穩(wěn) 定性和精度要求太高，且電路板大都由分離元件搭接而成，極易產(chǎn)生松脫和受潮變質(zhì)現(xiàn)象，從而影響傳感器的使用壽命和整體性能。本文介紹一種基于AD598信 號處理芯片的LVDT直線位移傳感器，并通過實(shí)例對其誤差和精度進(jìn)行探討。
1 基本原理
差動(dòng)變壓器式傳感器是利用線圈的自感或者互感的變化來實(shí)現(xiàn)測量的一種裝置，它的核心是可變自感或可變互感。本文采用的變氣隙式差動(dòng)變壓器式電感傳感器是利用互感的變化來工作的。
1.1 基本結(jié)構(gòu)及工作原理
上下2只鐵芯上均有1個(gè)勵(lì)磁線圈和1個(gè)輸出線圈。上下2個(gè)勵(lì)磁線圈串聯(lián)后接交流勵(lì)磁電源電壓Uin，2個(gè)輸出線圈則按電勢反向串聯(lián)。忽略高階無窮小量，當(dāng)ωR(ω為交流勵(lì)磁電源電壓Uin的頻率，R為勵(lì)磁線圈的等效電阻)時(shí)，可推導(dǎo)出
式中：Uin為勵(lì)磁電源電壓(單位V);Uout為輸出電壓(單位V);N1，N2分別為勵(lì)磁線圈和輸出線圈的匝數(shù);△δ為軸偏移平衡位置的距離(單位mm);δ占為軸處于平衡位置時(shí)的氣隙大小(單位mm)。
當(dāng)軸處于中間位置時(shí)，δ1=δ2=δ，勵(lì)磁線圈中產(chǎn)生交變磁通φ1和φ2，在輸出線圈中便產(chǎn)生交流感應(yīng)電勢。由于兩邊氣隙相等，磁阻相等，所 以，φ1=φ2，輸出線圈中感應(yīng)出的電勢E21=E22，由于次級是按電勢反向連接的，輸出電壓Uout=0。當(dāng)軸偏離中間位置時(shí)，兩邊氣隙不等(即 δ1≠δ2)，輸出線圈中感應(yīng)的電勢不再相等(即E21≠E22)，便有電壓Uout輸出。Uout的大小及相位取決于軸的位移大小和方向。
1.2 輸出特性方程
設(shè)差動(dòng)變壓器原邊激勵(lì)電壓為Ep、角頻率為ω、電流為Ip、電感為Lp、等效電阻為Rp。副邊電壓分別為E21、E22，互感為M1、M2。若忽略磁滯渦流及耦合電容的影響，可以得出：
2 傳感器測量電路
AD598是由Analog Device推出的新型LVDT專用信號處理芯片，原理圖如圖2所示。由圖可知，該芯片主要包含兩部分：一部分為正弦波發(fā)生器，它的頻率及幅值均可由少數(shù) 外接元件確定;另一部分為LVDT次級的信號處理部分。通過這一部分產(chǎn)生一個(gè)與鐵芯位移成正比的直流電壓信號。AD598可驅(qū)動(dòng)高達(dá)24 V，頻率范圍為20Hz～20 kHz的LVDT原邊線圈，又可接受最低為100 mV的次級輸入，所以適用于許多不同類型的LVDT。
3 測量系統(tǒng)誤差分析
測量系統(tǒng)的誤差按來源也可分為固定誤差和隨機(jī)誤差兩大類。
3.1 固定誤差
固定誤差指差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)(加工精度)和材料(磁滯渦流)所造成的誤差。這是系統(tǒng)論證時(shí)要結(jié)合測量的精度要求及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)綜合考慮的。系統(tǒng)一旦確定下來這些因素一般是不能改變的。
3.2 隨機(jī)誤差
隨機(jī)誤差按誤差來源可以分為由激勵(lì)源的波動(dòng)引起的誤差和由相敏檢波引起的誤差。由于AD598把振蕩器，LVDT和相敏解調(diào)器封裝在一起，不但提高 了產(chǎn)品的集成度，而且大大減少了外圍元件的個(gè)數(shù)，使傳感器的性能得到大幅提高，因此，在本文中就不對相敏檢波引起的誤差進(jìn)行推導(dǎo)了。
變氣隙式電感傳感器：變氣隙面積S的電感式傳感器.PPT
第3章 電感式傳感器 Inductive Sensors 電感式傳感器就是利用線圈自感或互感隨被測量變化來實(shí)現(xiàn)測量的一種裝置。 傳感器的結(jié)構(gòu)特征：具有線圈繞組 自感式傳感器（變自感L） 類型： 差動(dòng)變壓器（變互感M） 電渦流式傳感器（變自感L） 特點(diǎn)：靈敏度高、輸出功率大、測量范圍寬。但存在交流零位信號，不宜于高頻動(dòng)態(tài)測量。 （3）當(dāng)鐵芯向上移動(dòng)同樣大小的距離時(shí)，Z2=Z-ΔZ, Z1=Z+ΔZ，得： 輸出電壓的頻率特性如圖3-22(a)所示，若激磁頻率為 fo，那么選fi<f0
變氣隙式電感傳感器：電感傳感器工作原理
電感式傳感器的工作原理是電磁感應(yīng)，利用線圈自感或互感系數(shù)的變化來實(shí)現(xiàn)非電量電測，把被測量如位移、壓力、振動(dòng)、應(yīng)變、流量等參數(shù)轉(zhuǎn)換為電感量變化。 電感式傳感器分為3種類型： 1、改變氣隙厚度δ的自感傳感器，即變間隙式電感傳感，傳感器的氣隙δ隨被測量的變化而改變，從而改變磁阻。它的靈敏度和非線性都隨氣隙的增大而減小。 2、改變氣隙截面S的自感傳感器，即變截面式電感傳感器，傳感器的鐵芯和銜鐵之間的相對覆蓋面積( 即磁通截面) 隨被測量的變化而改變，從而改變磁阻，它的靈敏度為常數(shù)，線性度也很好。 3、同時(shí)改變氣隙厚度δ和氣隙截面S的自感傳感器，即螺管式電感傳感器。它是由螺管線圈和與被測物體相連的柱型銜鐵構(gòu)成，工作原理基于線圈磁力線泄漏路徑上磁阻的變化，銜鐵隨被測物體移動(dòng)時(shí)改變了線圈的電感量。
擴(kuò)展資料
電感式傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)
一、電感式傳感器優(yōu)點(diǎn) 1、結(jié)構(gòu)簡單，可靠。 2、靈敏度高，最高分辨力達(dá)0.1μm。 3、測量精確度高，輸出線性度可達(dá)±0.1% 。 4、輸出功率較大，在某些情況下可不經(jīng)放大，直接接二次儀表。
二、電感式傳感器缺點(diǎn) 1、傳感器本身的頻率響應(yīng)不高，不適于快速動(dòng)態(tài)測量。 2、對激磁電源的頻率和幅度的穩(wěn)定度要求較高。 3、傳感器分辨力與測量范圍有關(guān)，測量范圍大，分辨力低，反之則高。 參考資料來源：搜狗百科—電感式傳感器。
參考文獻(xiàn)
電感式傳感器是利用金屬導(dǎo)體和交變電磁場的互感原理。位于傳感器前端的檢測線圈產(chǎn)生高頻磁場，當(dāng)金屬物體接近該磁場，金屬物體內(nèi)部產(chǎn)生渦電流，導(dǎo)致磁場能量衰減，當(dāng)金屬物體不斷靠近傳感器感應(yīng)面，能量的被吸收而導(dǎo)致衰減，當(dāng)衰減達(dá)到一定程度時(shí)，觸發(fā)傳感器開關(guān)輸出信號，從而達(dá)到非接觸式之檢測目的。
有關(guān)電感式傳感器的工作原理，電感式傳感器又稱自感式傳感器或可變磁阻式傳感器，它是由鐵心1、線圈2和銜鐵3所組成，傳感器的運(yùn)動(dòng)部分與銜鐵相連，運(yùn)動(dòng)部分產(chǎn)生位移時(shí)，空氣隙厚度δ產(chǎn)生變化，電感值發(fā)生變化。
電感式傳感器的工作原理
電感式傳感器也稱為自感式傳感器或可變磁阻式傳感器。
圖6‐1為自感式傳感器原理圖，它是由鐵心1、線圈2和銜鐵3所組成。線圈是套在鐵心上的。在鐵心和銜鐵之間有一個(gè)空氣隙，空氣隙厚度為δ。傳感器的運(yùn)動(dòng)部分與銜鐵相連，運(yùn)動(dòng)部分產(chǎn)生位移時(shí)，空氣隙厚度δ產(chǎn)生變化，從而使電感值發(fā)生變化。
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1、電感式傳感器
由電工學(xué)可知，線圈的電感值可按下式計(jì)算：L=N2/ Rm
式中，N為線圈的匝數(shù);Rm為磁路的總磁阻。如不考慮鐵損，且氣隙δ較小時(shí)，其總磁阻由鐵心與銜鐵的磁阻Rc和空氣隙的磁阻Rδ兩部分組成，即Rm=Rc+Rδ=l/μS+2δ/μSo
式中，l為鐵心和銜鐵的磁路長度; μ為鐵心和銜鐵的導(dǎo)磁率;S為鐵心和銜鐵的橫截面積;S0為空氣隙的導(dǎo)磁橫截面積;δ為氣隙長度; μ為空氣隙的導(dǎo)磁率。
當(dāng)鐵心材料和線圈匝數(shù)確定后，電感L與導(dǎo)磁橫截面S0成正比，與氣隙長度δ成反比。如果通過被測量改變S0和δ，則可實(shí)現(xiàn)位移與電感間的轉(zhuǎn)換，這就是電感傳感器的工作原理。
電感式傳感器分為3種類型：改變氣隙厚度δ的自感傳感器，即變間隙式電感傳感器;改變氣隙截面S的自感傳感器，即變截面式電感傳感器;同時(shí)改變氣隙厚度δ和氣隙截面S的自感傳感器，即螺管式電感傳感器。
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改變氣隙δ的自感傳感器的輸出特性如圖6‐所示，其L和δ呈雙曲線關(guān)系，其靈敏度為
由上式可知，在δ小的情況下，具有很高的靈敏度，故傳感器的初始間隙δ0之值不能過大，通常δ0=0.1～0.5mm。為了使傳感器有較好的線性輸出特性，必須限制測量范圍，銜鐵的位移一般不能超過(0.1～0.2)δ0，這種傳感器多用于微小位移測量。由式(6‐)可知，改變氣隙截面積S的自感傳感器的輸出特性如圖6‐所示，其L和S0呈線性關(guān)系，其靈敏度為
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2、電感式傳感器
這種傳感器在改變截面時(shí)，其銜鐵行程受到的限制小，故測量范圍較大。又因銜鐵易做成轉(zhuǎn)動(dòng)式，故多用于角位移測量。
螺管式電感傳感器，由于磁場分布不均勻，故從理論上來分析較困難。由實(shí)驗(yàn)可知，其輸出特性為非線性關(guān)系，且靈敏度較前兩種形式低，但測量范圍廣，且結(jié)構(gòu)簡單，裝配容易，又因螺管可以做得較長，故宜于測量較大的位移。
變氣隙式電感傳感器：試分析變氣隙厚度變磁阻式電感傳感器的工作原理。請幫忙給出正確答案和分析，謝謝！
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變氣隙式傳感器的電感量與氣隙厚度的關(guān)系成正比的。（)
Y、是
N、否
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舉例說明變磁阻式傳感器、變壓器式傳感器、螺線管式傳感器和電渦流式傳感器的應(yīng)用，并分析其工作原理。
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已知變氣隙厚度電感傳感器的鐵芯截面積A=1.5cm 2，磁路長度L=20cm,相對磁導(dǎo)率 線圈匝數(shù)W=3000，求單線圈式傳感器的靈敏度△L/△δ。若將其做成差動(dòng)結(jié)構(gòu)，靈敏度將如何變化？
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變氣隙式自感傳感器當(dāng)街鐵移動(dòng)靠近鐵芯時(shí)鐵芯上的線圈電感量()。
A、增加
B、減小
C、不變
D、不確定
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差動(dòng)電感式傳感器結(jié)構(gòu)形式主要有變氣隙式、()兩種。
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自感式傳感器分為()兩種。
A.變隙式和變面積式
B.變介質(zhì)和變面積式
C.變隙式和變介質(zhì)式
D.變面積式和變極距式
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下列屬于自感式傳感器的是（)。
A、變磁阻式傳感器
B、單螺管線圈型電感傳感器
C、差動(dòng)變壓器式互感器
D、渦電流式傳感器
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論述與簡單單線圈變間隙電感傳感器相比較差動(dòng)變間隙電感傳感器的優(yōu)點(diǎn)，并推導(dǎo)單線圈變間隙電感傳感器的靈敏度表達(dá)式。設(shè)變間隙電感傳感器銜鐵與鐵心的起始間距為δ0，銜鐵移動(dòng)量Δδ，初始電感量L0，氣隙截面積S0，空氣導(dǎo)磁率μ0，線圈匝數(shù)W。
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變磁阻式傳感器由線圈、()和銜鐵3部分組成。
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