差动自感式变磁阻位移传感器

1.差动自感式位移传感器的结构和原理

差动变压器式传感器实质利用是变压器线圈的互感原理来工作的。若将差动变压器式传感器中的一次线圈取消，只保留一次线圈两边的二次线圈，则就变成了差动自感式位移传感器。差动自感式位移传感器是变磁阻式传感器。

图11-27是变磁阻式传感器的结构图，它是由线圈、铁心和衔铁所组成。铁心和衔铁均由导磁材料如硅钢片和铁镍合金制成。在铁心和衔铁之间有气隙，其厚度为δ。传感器运动部分与衔铁相连，当运动部分产生位移时，气隙厚度δ变化，导致线圈电感值的变化，从而判断被测位移量的大小。

线圈的电感值可按（11-27）式计算

式中 N——线圈匝数；

R_M——为总磁阻

式中 L_i——各段导磁体的磁路长度；

μ_i——各段导磁体的磁导率；

A_i——各段导磁体的截面积；

δ——空气隙厚度；

μ₀——空气隙磁导率；

A₂——气隙截面积；

根据上式，自感式传感器可分为3种基本类型：

①变气隙厚度的自感传感器。

②变气隙截面积的自感传感器。

③螺管式自感传感器（如图11-28所示）。

图11-27 变磁阻式自感传感器

1—线圈 2—铁心 3—衔铁

图11-28 螺管式自感传感器

以上三种自感传感器结构简单，但存在严重的非线性，故在实际中应用较少，而是利用两个完全对称的单个自感传感器合用一个活动衔铁构成差动式螺管自感传感器。差动式螺管自感传感器如图11-29所示。其结构特点是：两个磁体的几何尺寸、材料、电气系数完全一致，传感器的两个电感线圈接成交流电桥的相邻桥臂。在初始位置时活动衔铁位于中间位置，两个电感线圈的电感相同，极性相反，电桥输出为0。当衔铁偏离中间位置，则两个电感线圈的电感是一个增加一个减小，电桥不平衡。电桥输出电压的大小与衔铁移动的大小成正比，其相位与移动的方向有关。

2.差动（螺管式）自感位移传感器的测量电路(www.xing528.com)

差动螺管式自感位移传感器通常采用电桥电路。图11-30为差动式自感位移传感器的电桥电路。电桥由交流电源E供电，电源频率约为位移变化频率的10倍。这样能满足对传感器动态响应频率的要求。电桥电源频率高一些，还可减少传感器受温度变化的影响，并可提高传感器输出灵敏度，但也增加了由于铁心损耗和寄生电容带来的影响。

图11-29 差动自感传感器的结构

图11-30 差动式自感位移传感器的电桥电路

电桥的两臂Z₁和Z₂为传感器线圈的阻抗（电感L和损耗电阻R_S的串联）。另两臂为电源变压器二次线圈的一半（每半边的电势为E/2）。电桥对角线上A、B两点的电位差为输出电压U₀。由于A点的电位为

B点的电位为

则A、B两点的电位差，即输出电压为

当传感器的铁心处于中间位置时，即Z₁=Z₂=Z（Z为铁心处于中间位置时一个线圈的阻抗），这时，U₀=0，电桥平衡。

当铁心向下移动时，上面线圈的阻抗增加，即Z₁=Z+ΔZ，而下面线圈的阻抗减小，即Z₂=Z-ΔZ，于是由式（11-29）得

由（11-30）式可写成

式中 ω——电源角频率。

反之，当铁心向上移动同样大小的距离时

Z₁=Z-ΔZZ₂=Z+ΔZ

代入式（11-29）得

（11-32）式可写成

比较式（11-31）和式（11-33）可看出两者输出电压大小相等，方向相反。由于E是交流电压，所以输出电压U在输入到指示器前必须先进行整流、滤波，当使用无相位鉴别的整流器（半波或全波）时，输出电压的极性不随位移方向的不同而改变，因此采用相敏整流器可使输出电压的极性随位移方向而发生变化。