变气隙式电感传感器：变气隙式差动变压器式电感传感器的误差研究

在信息采集系统中，传感器通常处于系统前端，即检测和控制系统之首，它提供给系统处理和决策所必需的原始信息，因此，传感器的精度对整个系统是至关 重要的。在位移、速度及加速度的测量中，经常使用差动变压器式传感器，原因是其灵敏度高、线性好且有配套集成电路，但传统的LVDT传感器对工作电源的稳 定性和精度要求太高，且电路板大都由分离元件搭接而成，极易产生松脱和受潮变质现象，从而影响传感器的使用寿命和整体性能。本文介绍一种基于AD598信 号处理芯片的LVDT直线位移传感器，并通过实例对其误差和精度进行探讨。
1 基本原理
差动变压器式传感器是利用线圈的自感或者互感的变化来实现测量的一种装置，它的核心是可变自感或可变互感。本文采用的变气隙式差动变压器式电感传感器是利用互感的变化来工作的。
1.1 基本结构及工作原理
上下2只铁芯上均有1个励磁线圈和1个输出线圈。上下2个励磁线圈串联后接交流励磁电源电压Uin，2个输出线圈则按电势反向串联。忽略高阶无穷小量，当ωR(ω为交流励磁电源电压Uin的频率，R为励磁线圈的等效电阻)时，可推导出
式中：Uin为励磁电源电压(单位V);Uout为输出电压(单位V);N1，N2分别为励磁线圈和输出线圈的匝数;△δ为轴偏移平衡位置的距离(单位mm);δ占为轴处于平衡位置时的气隙大小(单位mm)。
当轴处于中间位置时，δ1=δ2=δ，励磁线圈中产生交变磁通φ1和φ2，在输出线圈中便产生交流感应电势。由于两边气隙相等，磁阻相等，所 以，φ1=φ2，输出线圈中感应出的电势E21=E22，由于次级是按电势反向连接的，输出电压Uout=0。当轴偏离中间位置时，两边气隙不等(即 δ1≠δ2)，输出线圈中感应的电势不再相等(即E21≠E22)，便有电压Uout输出。Uout的大小及相位取决于轴的位移大小和方向。
1.2 输出特性方程
设差动变压器原边激励电压为Ep、角频率为ω、电流为Ip、电感为Lp、等效电阻为Rp。副边电压分别为E21、E22，互感为M1、M2。若忽略磁滞涡流及耦合电容的影响，可以得出：

2 传感器测量电路
AD598是由Analog Device推出的新型LVDT专用信号处理芯片，原理图如图2所示。由图可知，该芯片主要包含两部分：一部分为正弦波发生器，它的频率及幅值均可由少数 外接元件确定;另一部分为LVDT次级的信号处理部分。通过这一部分产生一个与铁芯位移成正比的直流电压信号。AD598可驱动高达24 V，频率范围为20Hz～20 kHz的LVDT原边线圈，又可接受最低为100 mV的次级输入，所以适用于许多不同类型的LVDT。
3 测量系统误差分析
测量系统的误差按来源也可分为固定误差和随机误差两大类。
3.1 固定误差
固定误差指差动变压器结构(加工精度)和材料(磁滞涡流)所造成的误差。这是系统论证时要结合测量的精度要求及经济指标综合考虑的。系统一旦确定下来这些因素一般是不能改变的。
3.2 随机误差
随机误差按误差来源可以分为由激励源的波动引起的误差和由相敏检波引起的误差。由于AD598把振荡器，LVDT和相敏解调器封装在一起，不但提高 了产品的集成度，而且大大减少了外围元件的个数，使传感器的性能得到大幅提高，因此，在本文中就不对相敏检波引起的误差进行推导了。

变气隙式电感传感器：变气隙面积S的电感式传感器.PPT

第3章 电感式传感器 Inductive Sensors 电感式传感器就是利用线圈自感或互感随被测量变化来实现测量的一种装置。 传感器的结构特征：具有线圈绕组          自感式传感器（变自感L） 类型： 差动变压器（变互感M）          电涡流式传感器（变自感L） 特点：灵敏度高、输出功率大、测量范围宽。但存在交流零位信号，不宜于高频动态测量。             （3）当铁芯向上移动同样大小的距离时，Z2=Z-ΔZ, Z1=Z+ΔZ，得：    输出电压的频率特性如图3-22(a)所示，若激磁频率为 fo，那么选fi<f0

变气隙式电感传感器：电感传感器工作原理

电感式传感器的工作原理是电磁感应，利用线圈自感或互感系数的变化来实现非电量电测，把被测量如位移、压力、振动、应变、流量等参数转换为电感量变化。 电感式传感器分为3种类型： 1、改变气隙厚度δ的自感传感器，即变间隙式电感传感，传感器的气隙δ随被测量的变化而改变，从而改变磁阻。它的灵敏度和非线性都随气隙的增大而减小。 2、改变气隙截面S的自感传感器，即变截面式电感传感器，传感器的铁芯和衔铁之间的相对覆盖面积( 即磁通截面) 随被测量的变化而改变，从而改变磁阻，它的灵敏度为常数，线性度也很好。 3、同时改变气隙厚度δ和气隙截面S的自感传感器，即螺管式电感传感器。它是由螺管线圈和与被测物体相连的柱型衔铁构成，工作原理基于线圈磁力线泄漏路径上磁阻的变化，衔铁随被测物体移动时改变了线圈的电感量。
扩展资料
电感式传感器的优缺点
一、电感式传感器优点 1、结构简单，可靠。 2、灵敏度高，最高分辨力达0.1μm。 3、测量精确度高，输出线性度可达±0.1% 。 4、输出功率较大，在某些情况下可不经放大，直接接二次仪表。
二、电感式传感器缺点 1、传感器本身的频率响应不高，不适于快速动态测量。 2、对激磁电源的频率和幅度的稳定度要求较高。 3、传感器分辨力与测量范围有关，测量范围大，分辨力低，反之则高。 参考资料来源：搜狗百科—电感式传感器。
参考文献
电感式传感器是利用金属导体和交变电磁场的互感原理。位于传感器前端的检测线圈产生高频磁场，当金属物体接近该磁场，金属物体内部产生涡电流，导致磁场能量衰减，当金属物体不断靠近传感器感应面，能量的被吸收而导致衰减，当衰减达到一定程度时，触发传感器开关输出信号，从而达到非接触式之检测目的。

有关电感式传感器的工作原理，电感式传感器又称自感式传感器或可变磁阻式传感器，它是由铁心1、线圈2和衔铁3所组成，传感器的运动部分与衔铁相连，运动部分产生位移时，空气隙厚度δ产生变化，电感值发生变化。
电感式传感器的工作原理
电感式传感器也称为自感式传感器或可变磁阻式传感器。
图6‐1为自感式传感器原理图，它是由铁心1、线圈2和衔铁3所组成。线圈是套在铁心上的。在铁心和衔铁之间有一个空气隙，空气隙厚度为δ。传感器的运动部分与衔铁相连，运动部分产生位移时，空气隙厚度δ产生变化，从而使电感值发生变化。
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1、电感式传感器
由电工学可知，线圈的电感值可按下式计算：L=N2/ Rm
式中，N为线圈的匝数;Rm为磁路的总磁阻。如不考虑铁损，且气隙δ较小时，其总磁阻由铁心与衔铁的磁阻Rc和空气隙的磁阻Rδ两部分组成，即Rm=Rc+Rδ=l/μS+2δ/μSo
式中，l为铁心和衔铁的磁路长度; μ为铁心和衔铁的导磁率;S为铁心和衔铁的横截面积;S0为空气隙的导磁横截面积;δ为气隙长度; μ为空气隙的导磁率。
当铁心材料和线圈匝数确定后，电感L与导磁横截面S0成正比，与气隙长度δ成反比。如果通过被测量改变S0和δ，则可实现位移与电感间的转换，这就是电感传感器的工作原理。
电感式传感器分为3种类型：改变气隙厚度δ的自感传感器，即变间隙式电感传感器;改变气隙截面S的自感传感器，即变截面式电感传感器;同时改变气隙厚度δ和气隙截面S的自感传感器，即螺管式电感传感器。
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改变气隙δ的自感传感器的输出特性如图6‐所示，其L和δ呈双曲线关系，其灵敏度为
由上式可知，在δ小的情况下，具有很高的灵敏度，故传感器的初始间隙δ0之值不能过大，通常δ0=0.1～0.5mm。为了使传感器有较好的线性输出特性，必须限制测量范围，衔铁的位移一般不能超过(0.1～0.2)δ0，这种传感器多用于微小位移测量。由式(6‐)可知，改变气隙截面积S的自感传感器的输出特性如图6‐所示，其L和S0呈线性关系，其灵敏度为
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2、电感式传感器
这种传感器在改变截面时，其衔铁行程受到的限制小，故测量范围较大。又因衔铁易做成转动式，故多用于角位移测量。
螺管式电感传感器，由于磁场分布不均匀，故从理论上来分析较困难。由实验可知，其输出特性为非线性关系，且灵敏度较前两种形式低，但测量范围广，且结构简单，装配容易，又因螺管可以做得较长，故宜于测量较大的位移。

变气隙式电感传感器：试分析变气隙厚度变磁阻式电感传感器的工作原理。请帮忙给出正确答案和分析，谢谢！

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