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3.5.1自感式傳感器3.5.2互感式差動傳感器3.5電感式壓力計電感式壓力計采用的敏感元件是電感式壓力傳感器，利用電磁感應原理，把被測壓力轉換成自感或互感系數(shù)的變化，再由測量電路轉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構原理如圖所示。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。由電工學可知，線圈中的電感可以表示為式中l(wèi)——導磁體的長度；μ

2、——導磁體的導磁率μ0——空氣的導磁率；A1——導磁體的截面積A——氣隙的截面積；δ——氣隙的厚度。式中N——線圈匝數(shù)；RM——磁路總磁阻。當空氣隙厚度δ較小時，可以忽略磁路的鐵損，總磁阻可以表示為1線圈2鐵心3銜鐵電磁感應原理一般導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，當線圈匝數(shù)N確定之后，只要改變δ和A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。設銜鐵處于起始位置時，初始氣隙厚度為δ0，對應的初始電感為：當銜鐵上移Δδ時，傳感

3、器的氣隙減小δ=δ0-Δδ，對應的電感量為電感的變化量為電感的相對變化量為若Δδ/δ越小，非線性誤差越小，但這樣又會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Δδ/δ0<<1時，上式可展開成級數(shù)形式同理，當銜鐵下移Δδ時，傳感器的氣隙增大，δ=δ0+Δδ，電感的變化量為同樣ΔL/L0可展開成級數(shù)由上式可知ΔL/L0與Δδ/δ0為非線性特性。但當Δδ/δ0<<1，若忽略二次項以上的高次項，則有差動式自感壓力傳感器流電橋的相鄰橋臂，與另外兩個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、動范圍的方法，構成如圖所示的差動結構。起始位置時，銜鐵處于中間位置，上、下兩側氣隙相同，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)。它的特點是上、下兩個完全對稱的自感傳感器合用一個活動銜鐵，傳感器的兩只電感線圈作為交當銜鐵偏離中間位置，向上或者向下移動時，使兩只電感線圈的電感量一個增一個減，δ1≠δ2。此時傳感器的電感變化量為：式中L0為銜鐵在中間位置時，單個線圈的初始電感量。由于不存在偶數(shù)項，顯然其非線性遠小于單個電感傳感器。同時，它比單個傳感器的靈敏度提高了1倍。當電橋失去平衡，橋路輸出U0的大小與銜鐵移動的大小成比例，其相位則與銜鐵移動的方向有關。

5、對于高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——激勵電壓的角頻率；Z0——單個電感線圈阻抗；R0——單個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，相位則與銜鐵移動方向有關。輸出近似線性相位與銜鐵方向有關電感信號的測量電路——變壓器式交流電橋變壓器式交流電橋結構如右圖所示。圖中相鄰兩工作臂為Z1、Z2，是差動電感傳感器的兩個線圈的阻抗；另兩臂為變壓器次級線圈的兩半(每臂電壓為U/2)，輸出電壓取自A、B兩點。假定0點為零電位，且傳感器線圈為高Q值，其線圈電阻遠遠小于其感抗，

6、即r<<ωL，則可以推導其輸出特性公式為在初始位置，即銜鐵位于差動電感傳感器中間時，由于兩線圈完全對稱，因此Z1=Z2=Z0，此時橋路平衡，即。當銜鐵上移時，上線圈阻抗增加，即Z2=Z+ΔZ，而下線圈阻抗減少，為Z1=Z-ΔZ，此時輸出電壓為因為在Q值很高時，線圈內(nèi)阻可以忽略，所以同理銜鐵下移時，可推導出由此可見，銜鐵上移和下移時，輸出電壓相位相反，且隨ΔL的變化輸出電壓也相應地改變。據(jù)此，經(jīng)適當電路處理可判別位移的大小及方向。電感信號的測量電路——調(diào)幅電路右圖（a）為將感抗變化轉換為交流信號幅值的調(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的關系曲線，其中L0為諧振點的電感值。實際應用時，可以使用特性曲線一側接近線性的一段。這種電路的靈敏度很高，但線性度差，適用于對線性度要求不高的場合。(a)(b)電感信號的測量電路——調(diào)頻電路右圖（a）為將感抗變化轉換為交流信號幅值的調(diào)頻電路。把傳感器電感L和一個固定電容C接入一個振蕩回路中，其振蕩頻率為當L變化時，振蕩頻率隨之變