模拟式传感器测量位移的原理

由于电容式、电感式传感器在原理上有相似之处，以电感式传感器为例来介绍模拟式传感器测量位移的原理。

电感式传感器是基于电磁感应原理，将被测非电量转换为电感量变化的一种结构型传感器。按其转换方式的不同，可分为自感型和互感型两种，自感型电感传感器又分为可变磁阻式和涡流式。互感型又称为差动变压器式。

1、可变磁阻式电感传感器

典型的可变磁阻式电感传感器的结构如图1所示，主要由线圈、铁心和活动衔铁所组成。在铁心和活动衔铁之间保持一定的空气隙，被测位移构件与活动衔铁相连，当被测构件产生位移时，活动衔铁随着移动，空气隙发生变化，引起磁阻变化，从而使线圈的电感值发生变化

图1　可变磁阻式电感传感器

当线圈通以激磁电流时，其自感L与磁路的总磁阻有关，即

　　　　（1）

式中　W——线圈匝数；

——总磁阻。

如果空气隙较小，而且不考虑磁路的损失，则总磁阻为

　　　　（2）

式中　L--铁心导磁长度（m）；

--铁心导磁率（H/m）；

A--铁心导磁截面积（m2）；

--空气磁导率（H／m），

--空气隙导磁截面积（）。

由于铁心的磁阻与空气隙的磁阻相比是很小的，计算时铁心的磁阻可以忽略不计，故

　　　　（3）

将式（3）代入式（1），得

　　　　（4）

式（4）表明，自感L与空气隙的大小成反比，与空气隙导磁截面积成正比。当固定不变，改变时，L与成非线性关系，此时传感器的灵敏度

　　　　（5）

由式（5）得知，传感器的灵敏度与空气隙的平方成反比，愈小，灵敏度愈高。由于S不是常数，故会出现非线性误差，同变极距型电容式传感器类似。为了减小非线性误差，通常规定传感器应在较小间隙的变化范围内工作。在实际应用中，可取。这种传感器适用于较小位移的测量，一般为0.001～1mm。此外，这类传感器还常采用差动式接法。图2为差动型磁阻式传感器，它由两个相同的线圈、铁心及活动衔铁组成。当活动衔铁接于中间位置（位移为零）时，两线圈的自感L相等，输出为零。当衔铁有位移时，两个线圈的间隙为，这表明一个线圈自感增加，而另一个线圈自感减小，将两个线圈接入电桥的相邻臂时，其输出的灵敏度可提高一倍，并改善了线性特性，消除了外界干扰。

可变磁阻式传感器还可做成如图3所示改变空气隙导磁截面积的形式，当固定，改变空气隙导磁截面积时，自感L与呈线性关系。

图2　可变磁阻差动式传感器　　　　　　　　图3　可变磁阻面积型电感传感器

如图3所示，在可变磁阻螺管线圈中插入一个活动衔铁，当活动衔铁在线圈中运动时，磁阻将变化，导致自感L的变化。这种传感器结构简单，制造容易，但是其灵敏度较低，适合于测量比较大的位移量。

2、涡流式传感器

涡流式传感器的变换原理，是利用金属导体在交流磁场中的涡电流效应。如图4所示，金属板置于一只线圈的附近，它们之间相互的间距为。当线圈输入一交变电流i0时，便产生交变磁通量。金属板在此交变磁场中会产生感应电流i，这种电流在金属体内是闭合的，所以称之为“涡电流”或“涡流”。涡流的大小与金属板的电阻率、磁导率、厚度h、金属板与线圈的距离、激励电流角频率等参数有关。若改变其中某一参数，而固定其他参数不变，就可根据涡流的变化测量该参数。

涡流式传感器可分为高频反射式和低频透射式两种。

（1）高频反射式涡流传感器　 如图5所示，高频（>1MHz）激励电流产生的高频磁场作用于金属板的表面，由于集肤效应，在金属板表面将形成涡电流。与此同时，该涡流产生的交变磁场又反作用于线圈，引起线圈自感L或阻抗的变化，其变化与距离、金属板的电阻率、磁导率、激励电流i及角频率等有关，若只改变距离而保持其他系数不变，则可将位移的变化转换为线圈自感的变化，通过测量电路转换为电压输出。高频反射式涡流传感器多用于位移测量。

图4　可变磁阻螺管型传感器　　　　　　　　　图5　高频反射式涡流传感器

（2）低频透射式涡流传感器　低频透射式涡流传感器的工作原理如图6所示，发射线圈和接收线圈分别置于被测金属板材料G的上、下方。由于低频磁场集肤效应小，渗透深，当低频（音频范围）电压加到线圈的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板材料G，使线圈产生电感应电动势。但由于涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势减少，当金属板材料G越厚时，损耗的能量越大，输出电动势越小。因此，的大小与G的厚度及材料的性质有关。试验表明，随材料厚度入的增加按负指数规律减少，如图6（b）所示，因此，若金属板材料的性质一定，则利用的变化即可测量其厚度。

3、互感型差动变压器式电感传感器

互感型电感传感器是利用互感M的变化来反映被测量的变化。这种传感器实质是一个输出电压的变压器。当变压器初级线圈输入稳定交流电压后，次级线圈便产生感应电压输出，该电压随被测量的变化而变化。

差动变压器式电感传感器是常用的互感型传感器，其结构形式有多种，以螺管形应用较为普遍，其结构及工作原理如图7（a）、（b）所示。传感器主要由线圈、铁心和活动衔铁三个部分组成。线圈包括一个初级线圈和两个反接的次级线圈，当初级线圈输入交流激励电压时，次级线圈将产生感应电动势和。由于两个次级线圈极性反接，因此传感器的输出电压为两者之差，即=－。活动衔铁能改变线圈之间的耦合程度。输出的大小随活动衔铁的位置而变。当活动衔铁的位置居中时，即=，=0；当活动衔铁向上移时，即>，>0；当活动衔铁向下移时，即<，<0。活动衔铁的位置往复变化，其输出电压，也随之变化，输出特性如图7（c）所示。

图6　低频投射式涡流传感器

（a）原理图；（b）曲线图

图7　差动变压器式电感传感器

（a）、（b）工作原理 （c）输出特性

图8 查动相敏检波电路的工作原理

值得注意的是：首先，差动变压器式传感器输出的电压是交流电压，如用交流电压表指示，则输出值只能反应铁心位移的大小，而不能反应移动的极性；其次，交流电压输出存在一定的零点残余电压，零点残余电压是由于两个次级线圈的结构不对称，以及初级线圈铜损电阻、铁磁材质不均匀、线圈间分布电容等原因所形成。所以，即使活动衔铁位于中间位置时，输出也不为零。鉴于这些原因，差动变压器的后接电路应采用既能反应铁心位移极性，又能补偿零点残余电压的差动直流输出电路。

图8是用于小位移的差动相敏检波电路的工作原理。当没有信号输入时，铁心处于中间位置，调节电阻R，使零点残余电压减小；当有信号输入时，铁心移上或移下，其输出电压经交流放大、相敏检波、滤波后得到直流输出。由表头指示输入位移量的大小和方向。

差动变压器传感器具有精度高（达0.1um量级），线圈变化范围大（可扩大到±l00mm，视结构而定），结构简单，稳定性好等优点，被广泛应用于直线位移及其它压力、振动等参量的测量。图9是电感测微仪所用的差动型位移传感器的结构图。

图9螺旋差动型 传感器结构图

对于电容式传感器是依据电容的大小与组成电容的两极板的面积或介质的介电常数成正比，与极板间的距离成反比的原理设计的。位移测试时，通过一定的结构使位移变化引起面积或极板间距离的变化就可以改变电容的大小，反之，检测电容的值也就可以测算出位移的变化。