化工測量及儀表第3章壓力11

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1、3.5電感式壓力計(jì)3.5.1自感式傳感器3.5.2互感式差動(dòng)傳感器3.5電感式壓力計(jì)電感式壓力計(jì)采用的敏感元件是電感式壓力傳感器，利用電磁感應(yīng)原理，把被測壓力轉(zhuǎn)換成自感或互感系數(shù)的變化，再由測量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出。它的種類很多，以下介紹常用的自感或互感式兩種傳感器。3.5.1自感式傳感器工作原理簡單的自感式傳感器結(jié)構(gòu)原理如圖所示。它由線圈、鐵心和銜鐵三部分組成。鐵心和銜鐵均由導(dǎo)磁材料制成。在鐵心與銜鐵之間為空氣隙，氣隙厚度為δ。壓力傳感元件與銜鐵相連，傳感元件的位移會(huì)引起空氣隙變化，從而改變磁路的磁阻，使線圈電感值發(fā)生變化。由電工學(xué)可知，線圈中的電感可以表示為式中l(wèi)——導(dǎo)磁體的長度；μ

2、——導(dǎo)磁體的導(dǎo)磁率μ0——空氣的導(dǎo)磁率；A1——導(dǎo)磁體的截面積A——?dú)庀兜慕孛娣e；δ——?dú)庀兜暮穸?。式中N——線圈匝數(shù)；RM——磁路總磁阻。當(dāng)空氣隙厚度δ較小時(shí)，可以忽略磁路的鐵損，總磁阻可以表示為1線圈2鐵心3銜鐵電磁感應(yīng)原理一般導(dǎo)磁體的磁阻與空氣隙的磁阻相比要小的多，所以線圈的磁路總磁阻可以近似表示為由上式可知，當(dāng)線圈匝數(shù)N確定之后，只要改變?chǔ)暮虯均可以引起電感L的變化，因此自感式傳感器可分為改變氣隙厚度δ和改變氣隙面積兩種，改變氣隙厚度使用較廣泛。而線圈的電感可表示為下面分析變氣隙式電感傳感器的輸出特性。設(shè)銜鐵處于起始位置時(shí)，初始?xì)庀逗穸葹棣?，對(duì)應(yīng)的初始電感為：當(dāng)銜鐵上移Δδ時(shí)，傳感

3、器的氣隙減小δ=δ0-Δδ，對(duì)應(yīng)的電感量為電感的變化量為電感的相對(duì)變化量為若Δδ/δ越小，非線性誤差越小，但這樣又會(huì)使得傳感器的測量范圍減小。自感式傳感器一般取Δδ/δ=0.1~0.2。當(dāng)Δδ/δ0<<1時(shí)，上式可展開成級(jí)數(shù)形式同理，當(dāng)銜鐵下移Δδ時(shí)，傳感器的氣隙增大，δ=δ0+Δδ，電感的變化量為同樣ΔL/L0可展開成級(jí)數(shù)由上式可知ΔL/L0與Δδ/δ0為非線性特性。但當(dāng)Δδ/δ0<<1，若忽略二次項(xiàng)以上的高次項(xiàng)，則有差動(dòng)式自感壓力傳感器流電橋的相鄰橋臂，與另外兩個(gè)固定電阻組成交流電橋。U為橋路交流電源，U0為橋路交流輸出。為了減少變氣隙式傳感器的非線性誤差，常采用限制測量范圍即減小銜鐵移

4、動(dòng)范圍的方法，構(gòu)成如圖所示的差動(dòng)結(jié)構(gòu)。起始位置時(shí)，銜鐵處于中間位置，上、下兩側(cè)氣隙相同，即δ1=δ2=δ0，則Z1=Z2=Z0，故橋路輸出電壓Uo=0，電橋處于平衡狀態(tài)。它的特點(diǎn)是上、下兩個(gè)完全對(duì)稱的自感傳感器合用一個(gè)活動(dòng)銜鐵，傳感器的兩只電感線圈作為交當(dāng)銜鐵偏離中間位置，向上或者向下移動(dòng)時(shí)，使兩只電感線圈的電感量一個(gè)增一個(gè)減，δ1≠δ2。此時(shí)傳感器的電感變化量為：式中L0為銜鐵在中間位置時(shí)，單個(gè)線圈的初始電感量。由于不存在偶數(shù)項(xiàng)，顯然其非線性遠(yuǎn)小于單個(gè)電感傳感器。同時(shí)，它比單個(gè)傳感器的靈敏度提高了1倍。當(dāng)電橋失去平衡，橋路輸出U0的大小與銜鐵移動(dòng)的大小成比例，其相位則與銜鐵移動(dòng)的方向有關(guān)。

5、對(duì)于高Q值(Q=ωL0/R0，它是自感傳感器的品質(zhì)因數(shù)，Q值大表明線圈制造質(zhì)量好)的差動(dòng)式傳感器，橋路輸出可近似表示為：橋路輸出電壓可表示為：式中ω——激勵(lì)電壓的角頻率；Z0——單個(gè)電感線圈阻抗；R0——單個(gè)電感線圈電阻上式表明橋路輸出電壓幅值與銜鐵位移量Δδ成正比，相位則與銜鐵移動(dòng)方向有關(guān)。輸出近似線性相位與銜鐵方向有關(guān)電感信號(hào)的測量電路——變壓器式交流電橋變壓器式交流電橋結(jié)構(gòu)如右圖所示。圖中相鄰兩工作臂為Z1、Z2，是差動(dòng)電感傳感器的兩個(gè)線圈的阻抗；另兩臂為變壓器次級(jí)線圈的兩半(每臂電壓為U/2)，輸出電壓取自A、B兩點(diǎn)。假定0點(diǎn)為零電位，且傳感器線圈為高Q值，其線圈電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其感抗，

6、即r<<ωL，則可以推導(dǎo)其輸出特性公式為在初始位置，即銜鐵位于差動(dòng)電感傳感器中間時(shí)，由于兩線圈完全對(duì)稱，因此Z1=Z2=Z0，此時(shí)橋路平衡，即。當(dāng)銜鐵上移時(shí)，上線圈阻抗增加，即Z2=Z+ΔZ，而下線圈阻抗減少，為Z1=Z-ΔZ，此時(shí)輸出電壓為因?yàn)樵赒值很高時(shí)，線圈內(nèi)阻可以忽略，所以同理銜鐵下移時(shí)，可推導(dǎo)出由此可見，銜鐵上移和下移時(shí)，輸出電壓相位相反，且隨ΔL的變化輸出電壓也相應(yīng)地改變。據(jù)此，經(jīng)適當(dāng)電路處理可判別位移的大小及方向。電感信號(hào)的測量電路——調(diào)幅電路右圖（a）為將感抗變化轉(zhuǎn)換為交流信號(hào)幅值的調(diào)幅電路。傳感器L與固定電容C、變壓器T串聯(lián)在一起，接入外接電源u后，變壓器的次級(jí)將有電壓u0

7、輸出。輸出電壓的頻率與電源頻率相同，幅值隨L變化。圖(b)所示為輸出電壓與電感L的關(guān)系曲線，其中L0為諧振點(diǎn)的電感值。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可以使用特性曲線一側(cè)接近線性的一段。這種電路的靈敏度很高，但線性度差，適用于對(duì)線性度要求不高的場合。(a)(b)電感信號(hào)的測量電路——調(diào)頻電路右圖（a）為將感抗變化轉(zhuǎn)換為交流信號(hào)幅值的調(diào)頻電路。把傳感器電感L和一個(gè)固定電容C接入一個(gè)振蕩回路中，其振蕩頻率為當(dāng)L變化時(shí)，振蕩頻率隨之變