發布日期：2022-10-09 點擊率：200
在信息采集系統中，傳感器通常處于系統前端，即檢測和控制系統之首，它提供給系統處理和決策所必需的原始信息，因此，傳感器的精度對整個系統是至關 重要的。在位移、速度及加速度的測量中，經常使用差動變壓器式傳感器，原因是其靈敏度高、線性好且有配套集成電路，但傳統的LVDT傳感器對工作電源的穩 定性和精度要求太高，且電路板大都由分離元件搭接而成，極易產生松脫和受潮變質現象，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，并通過實例對其誤差和精度進行探討。
1 基本原理
差動變壓器式傳感器是利用線圈的自感或者互感的變化來實現測量的一種裝置，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 基本結構及工作原理
上下2只鐵芯上均有1個勵磁線圈和1個輸出線圈。上下2個勵磁線圈串聯后接交流勵磁電源電壓Uin，2個輸出線圈則按電勢反向串聯。忽略高階無窮小量，當ωR(ω為交流勵磁電源電壓Uin的頻率，R為勵磁線圈的等效電阻)時，可推導出
式中：Uin為勵磁電源電壓(單位V);Uout為輸出電壓(單位V);N1，N2分別為勵磁線圈和輸出線圈的匝數;△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的氣隙大小(單位mm)。
當軸處于中間位置時，δ1=δ2=δ，勵磁線圈中產生交變磁通φ1和φ2，在輸出線圈中便產生交流感應電勢。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。當軸偏離中間位置時，兩邊氣隙不等(即 δ1≠δ2)，輸出線圈中感應的電勢不再相等(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
設差動變壓器原邊激勵電壓為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：一部分為正弦波發生器，它的頻率及幅值均可由少數 外接元件確定;另一部分為LVDT次級的信號處理部分。通過這一部分產生一個與鐵芯位移成正比的直流電壓信號。AD598可驅動高達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 測量系統誤差分析
測量系統的誤差按來源也可分為固定誤差和隨機誤差兩大類。
3.1 固定誤差
固定誤差指差動變壓器結構(加工精度)和材料(磁滯渦流)所造成的誤差。這是系統論證時要結合測量的精度要求及經濟指標綜合考慮的。系統一旦確定下來這些因素一般是不能改變的。
3.2 隨機誤差
隨機誤差按誤差來源可以分為由激勵源的波動引起的誤差和由相敏檢波引起的誤差。由于AD598把振蕩器，LVDT和相敏解調器封裝在一起，不但提高 了產品的集成度，而且大大減少了外圍元件的個數，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行推導了。
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現測量的一種裝置。 傳感器的結構特征：具有線圈繞組 自感式傳感器（變自感L） 類型： 差動變壓器（變互感M） 電渦流式傳感器（變自感L） 特點：靈敏度高、輸出功率大、測量范圍寬。但存在交流零位信號，不宜于高頻動態測量。 （3）當鐵芯向上移動同樣大小的距離時，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
電感式傳感器的工作原理是電磁感應，利用線圈自感或互感系數的變化來實現非電量電測，把被測量如位移、壓力、振動、應變、流量等參數轉換為電感量變化。 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，線性度也很好。 3、同時改變氣隙厚度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時改變了線圈的電感量。
擴展資料
電感式傳感器的優缺點
一、電感式傳感器優點 1、結構簡單，可靠。 2、靈敏度高，最高分辨力達0.1μm。 3、測量精確度高，輸出線性度可達±0.1% 。 4、輸出功率較大，在某些情況下可不經放大，直接接二次儀表。
二、電感式傳感器缺點 1、傳感器本身的頻率響應不高，不適于快速動態測量。 2、對激磁電源的頻率和幅度的穩定度要求較高。 3、傳感器分辨力與測量范圍有關，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
電感式傳感器是利用金屬導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生高頻磁場，當金屬物體接近該磁場，金屬物體內部產生渦電流，導致磁場能量衰減，當金屬物體不斷靠近傳感器感應面，能量的被吸收而導致衰減，當衰減達到一定程度時，觸發傳感器開關輸出信號，從而達到非接觸式之檢測目的。
有關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，傳感器的運動部分與銜鐵相連，運動部分產生位移時，空氣隙厚度δ產生變化，電感值發生變化。
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空氣隙，空氣隙厚度為δ。傳感器的運動部分與銜鐵相連，運動部分產生位移時，空氣隙厚度δ產生變化，從而使電感值發生變化。
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1、電感式傳感器
由電工學可知，線圈的電感值可按下式計算：L=N2/ Rm
式中，N為線圈的匝數;Rm為磁路的總磁阻。如不考慮鐵損，且氣隙δ較小時，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為鐵心和銜鐵的導磁率;S為鐵心和銜鐵的橫截面積;S0為空氣隙的導磁橫截面積;δ為氣隙長度; μ為空氣隙的導磁率。
當鐵心材料和線圈匝數確定后，電感L與導磁橫截面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，則可實現位移與電感間的轉換，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，其銜鐵行程受到的限制小，故測量范圍較大。又因銜鐵易做成轉動式，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。由實驗可知，其輸出特性為非線性關系，且靈敏度較前兩種形式低，但測量范圍廣，且結構簡單，裝配容易，又因螺管可以做得較長，故宜于測量較大的位移。
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變氣隙式傳感器的電感量與氣隙厚度的關系成正比的。（)
Y、是
N、否
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B、減小
C、不變
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差動電感式傳感器結構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。
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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
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D、渦電流式傳感器
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