传感器原理及应用-变磁阻式电感传感器

1、 第4章 电感式传感器 第4章 电感式传感器 第4章 电感式传感器 4.1 4.1 变磁阻式电感传感器变磁阻式电感传感器 4.2 4.2 差动变压器式电感传感器差动变压器式电感传感器 4.3 4.3 电涡流式传感器电涡流式传感器 4.4 4.4 电感式传感器的应用电感式传感器的应用 一、变磁阻式传感器工作原理一、变磁阻式传感器工作原理 二、变磁阻式传感器基本类型二、变磁阻式传感器基本类型 三、变截面式自感传感器输出特性三、变截面式自感传感器输出特性 四、变间隙式自感传感器输出特性四、变间隙式自感传感器输出特性 五、差动式自感传感器五、差动式自感传感器 六、自感式传感器的等效电路六、自感式传感器

2、的等效电路 七、自感式传感器的测量电路七、自感式传感器的测量电路 4.1 变磁阻式电感传感器 变磁阻式传感器即自感式电感传感器：变磁阻式传感器即自感式电感传感器： 利用线圈自感量的变化来实现测量的。利用线圈自感量的变化来实现测量的。 传感器结构：线圈、铁芯和衔铁三部传感器结构：线圈、铁芯和衔铁三部 分组成。分组成。 一、变磁阻式传感器工作原理一、变磁阻式传感器工作原理 4.1 变磁阻式电感传感器 线圈中电感量：线圈中电感量： M N L I IN R 线圈线圈 铁芯铁芯 衔铁衔铁 工作原理：铁芯和衔铁由导磁材料如工作原理：铁芯和衔铁由导磁材料如 硅钢片或坡莫合金制成，在铁芯和衔铁之间硅钢片或坡

3、莫合金制成，在铁芯和衔铁之间 有气隙，气隙厚度为有气隙，气隙厚度为 ，传感器的运动部分，传感器的运动部分 与衔铁相连。当被与衔铁相连。当被测量变化测量变化时，使衔铁产生时，使衔铁产生 位移位移，引起磁路中，引起磁路中磁阻变化磁阻变化，从而导致电感，从而导致电感 线圈的线圈的电感量变化电感量变化。 因此只要能测出这种电感量的变化，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。就能确定衔铁位移量的大小和方向。 一、变磁阻式传感器工作原理一、变磁阻式传感器工作原理 4.1 变磁阻式电感传感器 2 M N L R RR F 2 2 0 2 AN R N L A R 0 2 22 2

4、 11 1 A l A l RF RRR FM A RR m 0 2 线圈线圈 铁芯铁芯 衔铁衔铁 一、变磁阻式传感器工作原理一、变磁阻式传感器工作原理 二、变磁阻式传感器基本类型二、变磁阻式传感器基本类型 三、变截面式自感传感器输出特性三、变截面式自感传感器输出特性 四、变间隙式自感传感器输出特性四、变间隙式自感传感器输出特性 五、差动式自感传感器五、差动式自感传感器 六、自感式传感器的等效电路六、自感式传感器的等效电路 七、自感式传感器的测量电路七、自感式传感器的测量电路 4.1 变磁阻式电感传感器 变磁阻式传感器即自感式电感传感器的基本类型：变磁阻式传感器即自感式电感传感器的基本类型：

5、二、变磁阻式传感器基本类型二、变磁阻式传感器基本类型 4.1 变磁阻式电感传感器 线圈线圈 铁芯铁芯 衔铁衔铁 （1 1）变气隙厚度式）变气隙厚度式 （2 2）变气隙面积式）变气隙面积式 变截面式和螺管式变截面式和螺管式 线圈线圈 铁芯铁芯 衔铁衔铁 衔铁移动方向衔铁移动方向 一、变磁阻式传感器工作原理一、变磁阻式传感器工作原理 二、变磁阻式传感器基本类型二、变磁阻式传感器基本类型 三、变截面式自感传感器输出特性三、变截面式自感传感器输出特性 四、变间隙式自感传感器输出特性四、变间隙式自感传感器输出特性 五、差动式自感传感器五、差动式自感传感器 六、自感式传感器的等效电路六、自感式传感器的等效

6、电路 七、自感式传感器的测量电路七、自感式传感器的测量电路 4.1 变磁阻式电感传感器 三、变截面式自感传感器输出特性三、变截面式自感传感器输出特性 4.1 变磁阻式电感传感器 2 00 2 0 AN L 2 )( 00 2 0 AAN LLL 线圈线圈 铁芯铁芯 衔铁衔铁 衔铁移动方向衔铁移动方向 2 0 2 AN L 00 A A L L 因此，输出电感的变化与截面面积因此，输出电感的变化与截面面积 的变化成线性关系。的变化成线性关系。 三、变截面式自感传感器输出特性三、变截面式自感传感器输出特性 4.1 变磁阻式电感传感器 线圈线圈 铁芯铁芯 衔铁衔铁 衔铁移动方向衔铁移动方向 00 0

7、 1 / A A L L K 00 A A L L 输出电感灵敏度与初始截面面积的输出电感灵敏度与初始截面面积的 成反比关系。成反比关系。 00 A A L L 因此既可确定衔铁位移量的大小又因此既可确定衔铁位移量的大小又 可确定方向。可确定方向。 输出电感灵敏度输出电感灵敏度 三、变截面式自感传感器的输出特性三、变截面式自感传感器的输出特性 4.1 变磁阻式电感传感器 一、变磁阻式传感器工作原理一、变磁阻式传感器工作原理 二、变磁阻式传感器基本类型二、变磁阻式传感器基本类型 三、变截面式自感传感器输出特性三、变截面式自感传感器输出特性 四、变间隙式自感传感器输出特性四、变间隙式自感传感器输出

8、特性 五、差动式自感传感器五、差动式自感传感器 六、自感式传感器的等效电路六、自感式传感器的等效电路 七、自感式传感器的测量电路七、自感式传感器的测量电路 4.1 变磁阻式电感传感器 四、变间隙式自感传感器输出特性四、变间隙式自感传感器输出特性 4.1 变磁阻式电感传感器 线圈线圈 铁芯铁芯 衔铁衔铁 0 0 2 2 0 AN L 0 0 0 0 2 0 1 )(2 LAN LLL 四、变间隙式自感传感器输出特性四、变间隙式自感传感器输出特性 4.1 变磁阻式电感传感器 线圈线圈 铁芯铁芯 衔铁衔铁 0 0 0 1 L LLL 3 0 2 00 00 1 LLLL 2 0000 1 L L 四

9、、变间隙式自感传感器输出特性四、变间隙式自感传感器输出特性 4.1 变磁阻式电感传感器 线圈线圈 铁芯铁芯 衔铁衔铁 3 0 2 0000 1 L L 2 0000 1 L L 00 L L 因此既可确定衔铁位移量的大小又可因此既可确定衔铁位移量的大小又可 确定方向。确定方向。 忽略高次项忽略高次项 线性处理线性处理 四、变间隙式自感传感器输出特性四、变间隙式自感传感器输出特性 4.1 变磁阻式电感传感器 线圈线圈 铁芯铁芯 衔铁衔铁 电感灵敏度电感灵敏度 0 0 0 1 L L K 00 L L 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为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差

10、动变隙式电感传感 器。器。 一、变磁阻式传感器工作原理一、变磁阻式传感器工作原理 二、变磁阻式传感器基本类型二、变磁阻式传感器基本类型 三、变截面式自感传感器输出特性三、变截面式自感传感器输出特性 四、变间隙式自感传感器输出特性四、变间隙式自感传感器输出特性 五、差动式自感传感器五、差动式自感传感器 六、自感式传感器的等效电路六、自感式传感器的等效电路 七、自感式传感器的测量电路七、自感式传感器的测量电路 4.1 变磁阻式电感传感器 五、差动式自感传感器五、差动式自感传感器 4.1 变磁阻式电感传感器 在实际使用中，常采用两个相同的传感线在实际使用中，常采用两个相同的传感线 圈共用一个衔铁，构

11、成差动式自感传感器。圈共用一个衔铁，构成差动式自感传感器。 差动结构的特点：差动结构的特点： （1 1）改善线性、提高灵敏度外；）改善线性、提高灵敏度外； （2 2）补偿温度变化、电源频率变化等的影）补偿温度变化、电源频率变化等的影 响，从而减少了外界影响造成的误差。响，从而减少了外界影响造成的误差。 差动变间隙式传感器差动变间隙式传感器 1- 1-线圈线圈 2- 2-铁芯铁芯 3- 3-衔铁衔铁 4- 4-导杆导杆 1 2 34 4 4 3 2 1 3 1 4 三种基本类型：三种基本类型： 一、变磁阻式传感器工作原理一、变磁阻式传感器工作原理 二、变磁阻式传感器基本类型二、变磁阻式传感器基本

12、类型 三、变截面式自感传感器输出特性三、变截面式自感传感器输出特性 四、变间隙式自感传感器输出特性四、变间隙式自感传感器输出特性 五、差动式自感传感器五、差动式自感传感器 六、自感式传感器的等效电路六、自感式传感器的等效电路 七、自感式传感器的测量电路七、自感式传感器的测量电路 4.1 变磁阻式电感传感器 六、自感式传感器的等效电路六、自感式传感器的等效电路 4.1 变磁阻式电感传感器 等效线圈阻抗为等效线圈阻抗为 电感式传感器的线圈并非是纯电感式传感器的线圈并非是纯 电感，该电感由有功分量和无功分电感，该电感由有功分量和无功分 量两部分组成。量两部分组成。 有功分量包括：线圈线绕电阻有功分量

13、包括：线圈线绕电阻 和涡流损耗电阻及磁滞损耗电阻，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，其总这些都可折合成为有功电阻，其总 电阻可用电阻可用R R来表示；来表示； 无功分量包含：线圈的自感无功分量包含：线圈的自感L, L, 绕线间分布电容，为简便起见可视绕线间分布电容，为简便起见可视 为集中参数，用为集中参数，用C C来表示。来表示。 电感式传感器的等效电路电感式传感器的等效电路 C j LjR C j LjR Z )( 一、变磁阻式传感器工作原理一、变磁阻式传感器工作原理 二、变磁阻式传感器基本类型二、变磁阻式传感器基本类型 三、变截面式自感传感器输出特性三、变截面式自感

14、传感器输出特性 四、变间隙式自感传感器输出特性四、变间隙式自感传感器输出特性 五、差动式自感传感器五、差动式自感传感器 六、自感式传感器的等效电路六、自感式传感器的等效电路 七、自感式传感器的测量电路七、自感式传感器的测量电路 4.1 变磁阻式电感传感器 七、自感式传感器的测量电路七、自感式传感器的测量电路 4.1 变磁阻式电感传感器 电感式传感器的测量电路：电感式传感器的测量电路： 交流电桥、变压器式交流电桥以及交流电桥、变压器式交流电桥以及 谐振式等。谐振式等。 1 1、交流电桥式测量电路、交流电桥式测量电路 电桥输出电压为电桥输出电压为 七、自感式传感器的测量电路七、自感式传感器的测量电

15、路 4.1 变磁阻式电感传感器 线性处理后电桥输出电压为线性处理后电桥输出电压为 1 1、交流电桥式测量电路、交流电桥式测量电路 12 12 12 () 2() o ZZ UULL ZZ 00 0 2 / L L K 变间隙差动式电感传感器的变间隙差动式电感传感器的 灵敏度是单线圈式的两倍。灵敏度是单线圈式的两倍。 差动式的线性度明显改善。差动式的线性度明显改善。 0 0 2 LU o 120 0 2LLLL 设：设： 曲线曲线1 1、2 2为两线圈各自电感特性；为两线圈各自电感特性； 曲线曲线3 3为两线圈差接时的电感特性；为两线圈差接时的电感特性； 曲线曲线4 4为差接后电桥输出电压与衔铁

16、为差接后电桥输出电压与衔铁 位移的特性曲线。位移的特性曲线。 七、自感式传感器的测量电路七、自感式传感器的测量电路 4.1 变磁阻式电感传感器 1 1、交流电桥式测量电路、交流电桥式测量电路 U U0 0 L/L/mHmH /mm/mm L L0 0 4 4 3 3 2 2 1 1 1 12 23 34 4 - 变压器式交流电桥测量电路，电桥变压器式交流电桥测量电路，电桥 两桥臂分别为传感器两线圈的阻抗，另两桥臂分别为传感器两线圈的阻抗，另 外两桥臂分别为电源变压器的两次级线外两桥臂分别为电源变压器的两次级线 圈，其阻抗为次级线圈总阻抗的一半。圈，其阻抗为次级线圈总阻抗的一半。 七、自感式传感

17、器的测量电路七、自感式传感器的测量电路 4.1 变磁阻式电感传感器 2 2、变压器式交流电桥、变压器式交流电桥 Z Z1 1 Z Z2 2 I I A A B B C C D D 2 U 2 U oU 22 1 21 12 21 2 U ZZ ZZ UU ZZ Z UUU BAo 当负载阻抗为无穷大时，桥路输出当负载阻抗为无穷大时，桥路输出 电压为电压为 七、自感式传感器的测量电路七、自感式传感器的测量电路 4.1 变磁阻式电感传感器 2 2、变压器式交流电桥、变压器式交流电桥 当衔铁上下移动相同距当衔铁上下移动相同距 离时，电桥输出电压大小相离时，电桥输出电压大小相 等而相位相反。等而相位相

18、反。 Z Z1 1 Z Z2 2 I I A A B B C C D D 0 U 2 U 2 U222 21 12 U L LU Z ZU ZZ ZZ Uo 222 21 12 U L LU Z ZU ZZ ZZ U o 七、自感式传感器的测量电路七、自感式传感器的测量电路 4.1 变磁阻式电感传感器 2 2、变压器式交流电桥、变压器式交流电桥 两类谐振式测量电路：两类谐振式测量电路： 谐振式调幅电路；谐振式调频电路谐振式调幅电路；谐振式调频电路 七、自感式传感器的测量电路七、自感式传感器的测量电路 4.1 变磁阻式电感传感器 3 3、谐振式测量电路、谐振式测量电路 七、自感式传感器的测量电路

19、七、自感式传感器的测量电路 4.1 变磁阻式电感传感器 3 3、谐振式测量电路、谐振式测量电路 )2/(1LCf 七、自感式传感器的测量电路七、自感式传感器的测量电路 4.1 变磁阻式电感传感器 4 4、零点残余电压、零点残余电压 七、自感式传感器的测量电路七、自感式传感器的测量电路 4.1 变磁阻式电感传感器 4 4、零点残余电压、零点残余电压 （1 1）零点残余电压产生原因）零点残余电压产生原因 零点残余电压主要由基波分量和高次零点残余电压主要由基波分量和高次 谐波分量组成。谐波分量组成。 两电感线圈的电气参数及导磁体两电感线圈的电气参数及导磁体 几何尺寸不完全对称，在两电感线圈上的几何尺寸不完全对称，在两电感线圈上的 电压幅值和相位不同，从而形成零点残余电压幅值和相位不同，从而形成零点残余 电压的基波分量。电压的基波分量。 传感器导磁材料磁化曲线的非线传感器导磁材料磁化曲线的非线 性（如铁磁饱和、磁滞损耗），使激励电性（如铁磁饱和、磁滞损耗），使激励电 流与磁通波形不一致，从而形成零点残余流与磁通波形不一致，从而形成零点残余 电压的高次谐波分量。电压的高次谐波分量。 （2 2）零点残余电压）零点残余电压 的影响的影响 传感器输出特性传感器输出特性 在零点附近不灵