第7周大课 电感式传感器1

1、第7周大课 电感式传感器1第1页，共37页，2022年，5月20日，13点16分，星期六脉冲宽度调制电路特点对于差动脉冲调制电路，不论是改变平板电容的极板面积还是极板距离，其变化量与输出量都呈线性关系。 不需要解调器就能获得直流输出；输出信号一般为100kHz1MHz的矩形波，所以效率高，直流输出只需要经低通滤波器简单的引出。由于低通滤波器的作用，对输出波形的纯度要求不高，只需要电压稳定度较高的直流电源。调宽频率的变化，对输出无影响。对元件无线性要求。回顾第2页，共37页，2022年，5月20日，13点16分，星期六回顾 电容式传感器不但应用于位移、振动、角度、加速度及荷重等机械量的精密测量，

2、还广泛应用于压力、差压力、液位、料位、湿度、成分含量等参数的测量。电容式传感器的应用第3页，共37页，2022年，5月20日，13点16分，星期六 电感式传感器的基本原理 变气隙型电感式传感器 螺线管电感式传感器 电涡流传感器 电感式传感器的测量电路电地暖 第4章 教学内容第4页，共37页，2022年，5月20日，13点16分，星期六 本次课教学内容电感式传感器的基本原理变气隙型电感式传感器第5页，共37页，2022年，5月20日，13点16分，星期六 教学要求 掌握电感式传感器的基本原理，了解电感式传感器的主要特征。 了解变气隙电感式传感器的特征分析，掌握恒流源激励和恒压源激励的简单变气隙电

3、感式传感器的输入与输出的线性度以及灵敏度指标。第6页，共37页，2022年，5月20日，13点16分，星期六电感式传感器 利用电磁感应原理，将被测的机械性的非电量变化转换成线圈电感(或互感)的变化，这种机电转换装置称为电感式传感器。电感式传感器具有结构简单、工作可靠、测量精度高、零点稳定、无需外电源和输出功率较大等一系列优点。第7页，共37页，2022年，5月20日，13点16分，星期六电感式传感器 电感式传感器的主要缺点是灵敏度、线性度和测量范围相互制约，传感器自身频率响应低，不适用于快速动态测量；对传感器线圈供电电源的频率和振幅稳定度均要求较高。 电感式传感器按转换原理的不同可分为自感式(

4、电感式)和互感式(差动变压器式)两大类。第8页，共37页，2022年，5月20日，13点16分，星期六电感式传感器 电感式传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制，在工业自动控制系统中被广泛采用。 在工业自动化中，电感式传感器也广泛应用于位移、压力、流量等方面的测量。第9页，共37页，2022年，5月20日，13点16分，星期六电感式传感器的基本原理 根据法拉第电磁定律，当穿过闭合电路的磁通量发生变化时，就会产生感应电动势，这种现象称为电磁感应。利用这种现象可以构成各种各样的传感器。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，它的核心是可变自感或可变互感。第10页，共37

5、页，2022年，5月20日，13点16分，星期六电感式传感器的基本原理电感式传感器用于将机械线位移或角位移转换为感应电动势，图4-1即为这种转换的示意图。激励线圈1由交变电源激励，在铁心3中产生交变磁场。图 4-1 原理示意图1激励线圈 2二次线圈 3铁心第11页，共37页，2022年，5月20日，13点16分，星期六假设动铁心处于无穷远处，在线圈2中的感应电动势为零。随着动铁心的移动，气隙逐步减小，在线圈2中的感应电动势也逐步增大，直到两铁心形成完全闭合的磁路时，感应电动势达到最大。由此可见，感应电动势的大小与气隙的大小有着一一对应的关系。电感式传感器的基本原理第12页，共37页，2022年

6、，5月20日，13点16分，星期六可将电感式传感器的能量变化关系，用图4-2来表示。由图可见，传感器的核心是将机械能转换为磁场能的部分。机械变化激励以形成一个磁场信号，被测对象以机械能的方式调制磁场能，而磁场能则通过测量电路（检测线圈）检出，转换为相应的电信号。 图4-2 电感式传感器的能量变换电感式传感器的基本原理第13页，共37页，2022年，5月20日，13点16分，星期六电感与基于电磁参量的关系（1）电流在线圈中产生的总交链磁通 =LI （4-1）式中，L为线圈电感；I为激励电流。（2）磁场能量 （4-2）第14页，共37页，2022年，5月20日，13点16分，星期六电感与基于电磁参

7、量的关系（3）与磁场的几何形状有关的结构参数或 （4-3） 式中， N为线圈匝数；RM为与磁场几何形状有关的磁阻。 为穿过线圈的磁通。第15页，共37页，2022年，5月20日，13点16分，星期六（4）对被测对象的作用力被测对象为克服电阻力所作的功，等于磁场能量的变化，即Fx =WF= -故在电流不变时的电磁力为 FM = - = - （4-4） 取负号表示电磁力与外作用力方向相反 电感与基于电磁参量的关系第16页，共37页，2022年，5月20日，13点16分，星期六（5）电流在线圈中产生的自感及互感（M）电动势（4-5） （4-6）电感与基于电磁参量的关系第17页，共37页，2022年，

8、5月20日，13点16分，星期六电感式传感器的分类 1）具有气隙的电感式传感器。这类传感器利用铁磁体构成集中的磁路，其磁阻主要在气隙中形成。依据改变气隙磁阻的方法，又可分为变气隙型和变截面型。同时，还可以依据是否有独立的检测磁场线圈分为自感型和互感型（变压器型）。 2）具有螺线管的电感式传感器。这类传感器具有较长的空气磁路，利用铁心改变空气磁路的磁阻。同样，在这类传感器中，也有自感型和互感型之分。第18页，共37页，2022年，5月20日，13点16分，星期六3）电涡流传感器。这类传感器没有明确的磁场边界，属于分布参数磁场，利用主磁场和涡流磁场的互感耦合来改变电感。这类传感器可以看作互感型传感

9、器的一种特殊情况。4）利用铁磁体物理性质的传感器。这类传感器的特点是做成完全闭合的磁路，而铁磁体的磁导率随着应力而变化，由此引起磁阻及电感的变化。电感式传感器的分类第19页，共37页，2022年，5月20日，13点16分，星期六变气隙型电感式传感器 根据法拉第电磁定律和磁路的欧姆定律，当磁路的磁阻和感应电动势发生变化时，就能相应的测量出电压和电流等物理量，据此，可以制造和设计各类电感式传感器。第20页，共37页，2022年，5月20日，13点16分，星期六 图4-3 简单的变气隙型电感式传感器简单的变气隙型电感式传感器第21页，共37页，2022年，5月20日，13点16分，星期六图4-3所示

10、的结构，为了简化分析，做以下假设：1）铁心磁路中的磁滞及涡流损耗不计。2）不考虑集肤效应及边缘效应，认为在铁心中的磁场是均匀分布的。同时，忽略激励线圈的漏磁。3）铁心的相对磁导率远大于空气的相对磁导率。简单的变气隙型电感式传感器第22页，共37页，2022年，5月20日，13点16分，星期六式中，为每段气隙长度； 为铁心总长度；A为气隙有效截面面积；0为真空磁导率，因为空气的相对磁导率近似为1，所以0也为空气磁导率；r为铁心的相对磁导率。根据磁路基本知识可知，磁路的总磁阻为铁心及气隙磁阻之和。对于小气隙电感式传感器，有两段空气工作磁阻和两段铁心磁阻。故有（4-7） 简单的变气隙型电感式传感器第

11、23页，共37页，2022年，5月20日，13点16分，星期六（4-8） 由式（4-8）可以看出，L与被测量的关系和变气隙式电容特性十分类似，用此，可以通过选择激励源的方式来线性化。简单的变气隙型电感式传感器将式（4-7）代入式（4-3）中，可得第24页，共37页，2022年，5月20日，13点16分，星期六1）当采用频率为的恒流源激励时，激励线圈中电流保持不变，而线圈电压将随L的变化而变化。若线圈直流电阻远小于其感抗，则（4-9） 简单的变气隙型电感式传感器由此得电感线圈的电压灵敏度为第25页，共37页，2022年，5月20日，13点16分，星期六简单的变气隙型电感式传感器K为铁心磁阻对灵敏

12、度及非线性的影响系数第26页，共37页，2022年，5月20日，13点16分，星期六简单的变气隙型电感式传感器L0为不计入铁心磁阻时线圈的电感 当 可忽略时， 第27页，共37页，2022年，5月20日，13点16分，星期六由此得电感线圈的电压灵敏度为简单的变气隙型电感式传感器根据级数展开公式：第28页，共37页，2022年，5月20日，13点16分，星期六 作线性化处理，忽略高次项后，得电感线圈的电压灵敏度为：简单的变气隙型电感式传感器第29页，共37页，2022年，5月20日，13点16分，星期六 恒流源激励的变气隙型电感式传感器，具有非线性的静态特征。 减小铁心磁路磁阻，即选择高的铁磁材

13、料和缩短铁心磁路长度，可以提高灵敏度。 极限情况下，K0，此时，灵敏度最大。 利用减小K以增大灵敏度，同时非线性系数也在增大。简单的变气隙型电感式传感器第30页，共37页，2022年，5月20日，13点16分，星期六2）当采用恒压源激励时，线圈电压保持不变，而电流则随L的变化而变化，此时（4-11） 简单的变气隙型电感式传感器同样可得，线圈中电流的灵敏度为（4-12） 其中第31页，共37页，2022年，5月20日，13点16分，星期六 恒压源激励的变气隙型电感式传感器，输入输出呈线性关系。 K越小，灵敏度越大。 变气隙型电感式传感器易于采用恒压源激励。简单的变气隙型电感式传感器第32页，共3

14、7页，2022年，5月20日，13点16分，星期六 主要优点： 易于制作和调整，在适当的激励条件下，也可以得到近似地线性关系。 主要缺点： 机械零点与电气零点不一致，当输入位移为零时，输出信号不为零。 在输入为零时，磁场作用在被测物体上的作用力并不为零。简单的变气隙型电感式传感器的特点第33页，共37页，2022年，5月20日，13点16分，星期六电感式传感器的基本原理总结 根据法拉第电磁定律，当穿过闭合电路的磁通量发生变化时，就会产生感应电动势，这种现象称为电磁感应。利用这种现象可以构成各种各样的传感器。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，它的核心是可变自感或可变互感。第34页，共37页，2022年，5月20日，13点16分，星期六总结恒流源激励简单的电感式传感器 具有非线性的静态特征。利用减小K以增大灵敏度，同时非线性系数也在增大。恒压源激励简单的电