第4章 电感式传感器.doc

第4章 电感式传感器（6学时）电感式传感器是利用线圈自感或互感的变化来实现测量的一种装置可以用来测量位移、振动、压力、流量、重量、力矩、应变等多种物理量电感式传感器的核心部分是可变自感或可变互感，在被测量转换成线圈自感或互感的变化时一般要利用磁场作为媒介或利用铁磁体的某些现象这类传感器的主要特征是具有线圈绕组本章主要内容电感式传感器种类很多，一般分为自感式和互感式两大类习惯上讲的电感式传感器通常指自感式传感器，而互感式传感器由于是利用变压器原理，又往往做成差动形式，所以常称为差动变压器式传感器4.1自感式传感器 (变磁阻式传感器）4.2互感式传感器（差动变压器式传感器）4.3 电涡流式传感器 4.4 电感式传感器的应用本章教学目标及重点、难点一. 教学要求1.了解自感式电感传感器的工作原理，2. 掌握变间隙自感式传感器的灵敏度．3.了解差动式变间隙自感式传感器的优点．4.掌握检测线路—交流变压器式电桥的工作原理及其特点6.了解差动变压器的工作原理及其结构；了解零点残余电压的产生和解决方法7. 了解电感式传感器的应用8. 了解电涡流传感器的工作原理，二. 重点及难点重点：变间隙式电感传感器的工作原理，差动式变间隙电感传感器的优点。

差动变压器的原理和应用差动变压器零点残余电压的消除方法难点：电涡流传感器的原理和影响电涡流传感器的因数电涡流传感器的应用—高频反射式和低频透射式9. 掌握影响电涡流传感器的因数以及电涡流传感器测量位移和温度的机理10. 掌握电涡流传感器的应用—高频反射式电涡流传感器和低频透射式电涡流传感器的应用4.1自感式传感器 变磁阻式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成铁芯和衔铁由导磁材料制成在铁芯和衔铁之间有气隙，传感器的运动部分与衔铁相连当衔铁移动时，气隙厚度δ发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向 一. 变气隙厚度的自感式传感器(变磁阻式传感器）1. 基本结构：由线圈、铁芯和衔铁三部分组成，如图4-1所示 图4-1 变气隙厚度的自感式传感器2. 工作原理：把被测量转换成线圈的自感L变化，通过一定的电路转换成电压或电流输出图中A1、A2分别为定铁芯和衔铁(动铁芯)的截面积，δ为气隙厚度，I为通过线圈的电流(单位：A)，W为线圈的匝数在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为δ，传感器的运动部分与衔铁相连当衔铁移动时，气隙厚度δ发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值发生变化。

因此，只要能测出电感线圈电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向线圈自感系数为： Ψ、W—线圈总磁链和匝数；￣I—流过线圈电流；Rm—磁路的总磁阻；由于气隙δ较小，可认为气隙磁场是均匀的，如果忽略磁路损耗，那么总磁阻为： li 、μi、Ai 各段导磁体的长度的长度及对应的磁导率和截面积δ、μ0、A—空气隙的长度及对应的磁导率和截面积μ0=4π×10-7 H/m由于铁芯的磁导率远大于空气隙的磁导率，所以空气磁阻Rm0远大于铁磁物质的磁阻，略去铁芯的磁阻后可得：⑴当衔铁随外力向上移动△δ时，气隙长度减少为δ=δ0–△δ，则自感变为： 则自感变化量为： 当时， （4-1）⑵ 同理，当衔铁随外力向下移动△δ时，气隙长度增大为δ=δ0+△δ，自感变化量为： （4-2）忽略式（4-1）和（4-2）中的高次项，有 3. 灵敏度 4. 输出特性L与δ之间是非线性关系， 特性曲线如图4-2所示从提高灵敏度的角度看，初始空气隙δ0应尽量小其结果是被测量的范围也变小同时，将增大，使灵敏度的非线性也将增加。

如采用增大空气隙等效截面积和增加线圈匝数的方法来提高灵敏度，则必将增大传感器的几何尺寸和重量这些矛盾在设计传感器时应适当考虑与截面型自感传感器相比，气隙型的灵敏度较高但其非线性严重，自由行程小，制造装配困难因此近年来这种类型的使用逐渐减少差动式传感器其灵敏度与单极式比较其灵敏度提高一倍，非线性大大减小为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变隙式电感传感器 二．差动变隙式电感传感器1. 基本结构及工作原理为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变隙式电感传感器，如图4-2所示 图4-2 差动变隙式电感传感器衔铁上下移动Δδ：两个线圈的电感变化量ΔL1、ΔL2分别由式（4-10）及式（4-12）表示， 差动传感器电感的总变化量ΔL=ΔL1+ΔL2, 具体表达式为 2. 灵敏度 由此可知：① 差动式变间隙电感传感器的灵敏度是单线圈式的两倍② 差动式的非线性项(忽略高次项)：单线圈的非线性项（忽略高次项)：由于Δδ/δ0<<1，因此，差动式的线性度得到明显改善三. 变气隙截面积的自感式传感器(变磁阻式传感器）1. 基本结构：由线圈、铁芯和衔铁三部分组成，如图4-3所示2. 工作原理：气隙的长度δ保持不变，铁芯与衔铁之间的相对覆盖面积（即磁通截面）随被测量改变而改变，从而引起线圈自感量的变化。

设初始磁通截面（即铁芯截面）的面积为A=a b（a、b分别为铁芯截面的长度和宽度），当衔铁随外力上下移动△x时，自感L为：图4-3 变气隙截面积的自感式传感器3. 灵敏度 变气隙截面积的自感式传感器在忽略气隙磁通边缘效应的条件下，灵敏度为一常数，输出呈线性关系，因此线性范围和量程较大四. 单线圈螺管式自感传感器 1. 基本结构：由单个螺管线圈和一根圆柱形衔铁组成，如图4-4所示图4-4螺管式自感传感器2. 工作原理：线圈中圆柱形衔铁作上下移动时，螺管线圈的自感L将发生相应变化，这就构成了螺管式自感传感器若使用恒流源作为激励，则线圈的输出电压与衔铁位移量有关 单线圈螺管式自感传感器的自感变化量可近似表示为式中，----衔铁的长度、半径和位移量；-----线圈的长度、半径（通常要求）导磁体相对导磁率自感变化量与衔铁的位移量成正比，但由于螺管线圈内的磁场分布不均匀，所以输出与输入之间并非为线性关系中间磁场分布强，两头弱为提高灵敏度和线性度，多采用差动螺管式自感传感器五. 差动螺管式自感传感器1. 基本结构：差动螺管式(自感式)传感器的结构如图4-5所示，它是由两个完全相同的螺线管组成，活动铁芯的初始位置处于线圈的对称位置，两侧螺线管Ⅰ、Ⅱ(匝数分别为W1、W2)的初始电感量相等。

图4-5 差动螺管式(自感式)传感器的结构 2. 工作原理两个螺线管的初始电感量为： (4-63)式中----线圈Ⅰ，Ⅱ的初始电感值当铁芯移动Δ l(如左移)后，使左边电感值增加，右边电感值减小，即 两个线圈自感变化量大小相等，符号相反,总的自感变化量每只线圈的灵敏度为：从式(4-63)可以看出，为了得到较大的L0 值，lc和rc值必须取得大些，但是为了得到较高的灵敏度，lc值却不宜取得太大，通常取lc≤1/2铁芯材料的选取取决于激励电源的频率一般情况下，当激励电源的频率在500Hz以下时，铁芯材料多用合金钢；当激励电源的频率在500Hz以上时，铁芯材料可用坡莫合金；当激励电源的频率在更高频率下使用时，可以选用铁氧体六．自感式传感器测量电路1. 自感式传感器等效电路图4-6 自感式传感器的等效电路自感式传感器的线圈并非是纯电感，有功分量包括：线圈线绕电阻和涡流损耗电阻及磁滞损耗电阻，这些都可折合成为有功电阻，其总电阻可用R来表示；无功分量包含：线圈的自感L, 绕线间分布电容C自感式传感器的等效电路如图4-6所示等效线圈阻抗为 一般情况下Q值很大，当Q>>ω2LC时，上式可近似为： 等效损耗电阻等效电感2. 测量电路电感式传感器的测量电路有交流电桥式、 变压器式交流电桥以及谐振式等。

自感式传感器实现了把被测量的变化转变为电感量的变化为了测出电感量的变化，同时也为了送入下级电路进行放大和处理就要用转换电路把电感变化转换成电压(或电流)变化把传感器电感接入不同的转换电路后，原则上可将电感变化转换成电压(或电流)的幅值、频率、相位的变化，它们分别称为调幅、调频、调相电路1) 调幅电路：调幅电路的一种主要形式是交流电桥l 变压器式交流电桥电路结构：变压器式交流电桥测量电路如图4-7所示，电桥两臂Z1、Z2为传感器线圈阻抗，另外两桥臂为交流变压器次级线圈的1/2阻抗 当负载阻抗为无穷大时，桥路输出电压为： 工作原理：图图4-7 变压器式交流电桥当传感器的衔铁处于中间位置，即Z1=Z2=Z0 ，此时有 ，电桥平衡当传感器衔铁上移：如Z1= Z0+ΔZ，Z2= Z0－ΔZ， 当传感器衔铁下移：如Z1= Z0-ΔZ，Z2= Z0+ΔZ， 此时 由此可知：衔铁上下移动相同距离时，输出电压大小相等、相位相反，电压大小随衔铁的位移而变化由于是交流电压，输出指示无法判断位移方向当衔铁在中间位置时输出电压并不为零，此电压称为零点残余电压，如图4-8所示图4-8 变压器式交流电桥输出特性曲线为了消除零点残余电压的影响，并判别衔铁位移方向，必须配合相敏检波电路来解决。

l 相敏检波电路如图4-9(a)所示是一种相敏整流电桥电路，电桥由差动式自感传感器Z1、Z2和平衡电阻R1、R2（R1=R2）组成，VD1～VD2构成相敏整流器电桥的一个对角线接交流电源，另一个对角线接电压表PV，当衔铁处于中间位置时，Z1=Z2=Z0，输出电压，消除了零点残余电压的影响，其输出特性曲线如图4-9（b）所示图4-9(a) 相敏整流电桥电路 图4-9（b）输出特性曲线 当衔铁偏离中间位置而使Z1=Z0+△Z，Z2=Z0-△Z时若电源电压上端为正，下端为负，VD1和VD4导通，VD2和VD3关断，电阻R2上的压降大于R1上的压降；若电源电压下端为正，上端为负，VD1和VD4关断，VD2和VD3导通，电阻R1上的压降大于R2上的压降，则输出电压下端为正，上端为负当衔铁偏离中间位置而使Z1=Z0-△Z，Z2=Z0+△Z时，输出电压与上述情况相反，即下端为负，上端为正比较两种情况，相敏整流电桥输出电压的大小相等、极性相反输出电压的大小表示衔铁位置移量x的大小，而极性反映了衔铁移动的方向2) 调频电路：调频电路的基本原理是传感器电感L的变化将引起输出电压频率的变化通常把传感器电感L和电容C接入一个振荡回路中，其振荡频率，如图4-10（a）所示。

当L变化时，振荡频率随之变化，根据f的大小即可测出被测量的值当L有了微小变化ΔL后，频率变化Δf为图4-10（b）表示f与L的关系曲线，它具有严重的非线性关系 图4-10 谐振式调频电路 图4-8 谐振式调频电路 (3)调相电路调相电路的基本原理是传感器电。