电感式传感器课件

第3.3节电感式传感器,机电工程系刘彦彦,1、测量原理：即利用电磁感应原理将被测非电量变化转换成线圈自感L或自感M的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出。2、测量范围：位移、压力、流量、振动等,3、种类：分为自感式（变磁阻式）、变压器式、涡流式等4、特点：工作可靠、寿命长灵敏度高，分辨力高精度高、线性好性能稳定、重复性好,灵敏度、线性度相互制约,缺点：,把被测量转换为线圈自感L的变化。,把被测量转换为线圈互感M的变化。传感器本身是一个变压器。,把被测量转换为线圈的阻抗变化。,3.3.1自感式传感器,一、自感式传感器的工作原理二、灵敏度与非线性三、零点残余电压四、自感式传感器的应用,自感式传感器的工作原理,F,220V,准备工作,电感传感器的基本工作原理演示,自感式传感器的工作原理,气隙变小，电感变大，电流变小,F,一、自感式传感器的工作原理自感式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料（硅钢片或坡莫合金）制成。,图3-1自感式传感器原理结构图,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。,与传感器相连,自感式传感器原理结构图,工作原理分析,气隙很小，可以认为气隙中的磁场是均匀的。若忽略磁路磁损，则磁路总磁阻为,自感式传感器原理结构图,（3-3）,通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻，即,（3-4）,则式（3-3）可写为,（3-5）,联立式（3-1）、式（3-2）及式（3-5），可得,（3-6）,上式表明：当线圈匝数为常数时，电感L仅仅是磁路中磁阻Rm的函数，改变或A0均可导致电感变化，因此变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度的传感器和变气隙面积A0的传感器。目前使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器。,二、灵敏度与非线性L与之间是非线性关系，特性曲线如图3-2所示。,图3-2自感式电压传感器的L-特性,分析：当衔铁处于初始位置时，初始电感量为,（3-7）,当衔铁上移时，传感器气隙减小，即=0，则此时输出电感为,（3-8）,气隙型传感器灵敏度分析,当/01时（泰勒级数）：,（3-9）,可求得电感增量L和相对增量L/L0的表达式，即,(3-10),(3-11),同理，当衔铁随被测体的初始位置向下移动时，有,（3-12）,（3-13）,对式（3-11）、（3-13）作线性处理，即忽略高次项后，可得,（3-14）,灵敏度定义为单位气隙厚度变化引起的电感量的变化。,可见：气隙型电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾，因此气隙型电感式传感器适用于测量微小位移的场合。,（3-15）,线性处理后得出的近似结果,由表示,与,衔铁上移切线斜率变大,衔铁下移切线斜率变小,与线性度,衔铁上移：,衔铁下移：,无论上移或下移，非线性都将增大。,差动变隙式电感传感器,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。,差动变隙式电感传感器,1-铁芯；2-线圈；3-衔铁,衔铁上移：两个线圈的电感变化量L1、L2分别由式（3-10）及式（3-12）表示，差动传感器电感的总变化量L=L1+L2,具体表达式为,对上式进行线性处理,即忽略高次项得,一边气隙增大，一边减小,灵敏度K0为,比较单线圈式和差动式：差动式变间隙电感传感器的灵敏度是单线圈式的两倍。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/01，因此，差动式的线性度得到明显改善。,在实际应用中大量采用差动自感传感器。,四、零点残余电压U0,当差动自感传感器的衔铁处于中间位置时，理想条件下其输出电压为零。但实际上，当使用桥式电路时，在零点仍有一个微小的电压值(从零点几mV到数十mV)存在，称为零点残余电压。,产生的原因：两电感线圈的等效参数（电感、电阻）不对称；铁芯磁路存在非线性，产生高次谐波不同，不能互相抵消。,零残电压过大带来的影响：灵敏度下降、非线性误差增大测量有用的信号被淹没，不再反映被测量变化造成放大电路后级饱和，仪器不能正常工作。,五、自感式传感器的应用,五、自感式传感器的应用,该圆度计采用旁向式电感测微头,电感式不圆度计原理,五、自感式传感器的应用压力测量,变隙电感式压力传感器结构图,当压力进入膜盒时，膜盒的顶端在压力P的作用下产生与压力P大小成正比的位移，于是衔铁也发生移动，从而使气隙发生变化，流过线圈的电流也发生相应的变化，电流表A的指示值就反映了被测压力的大小。,当被测压力进入C形弹簧管时，C形弹簧管产生变形，其自由端发生位移，带动与自由端连接成一体的衔铁运动，使线圈1和线圈2中的电感发生大小相等、符号相反的变化。即一个电感量增大，另一个电感量减小。电感的这种变化通过电