第2章3-电感式传感器

1、2021/3/141自感式电感传感器的基本工作自感式电感传感器的基本工作原理演示原理演示F F220V2021/3/142自感式电感传感器的基本工作自感式电感传感器的基本工作原理演示原理演示气隙变小，电感变大，电流变小气隙变小，电感变大，电流变小F F2021/3/1432.4.1 自感式传感器自感式传感器( (包括可变磁阻式和涡流式包括可变磁阻式和涡流式) )可变磁阻式工作原理可变磁阻式工作原理 自感式传感器由自感式传感器由线圈、铁芯和衔铁线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料制成。衔铁由导磁材料制成。 在铁芯和衔铁之间有气在铁芯和衔铁之间有气隙，传感器的运动部分

2、与衔隙，传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度隙厚度发生改变，引起磁发生改变，引起磁路中路中磁阻变化磁阻变化，从而导致电，从而导致电感感线圈的电感值变化线圈的电感值变化，因此，因此只要能测出这种电感量的变只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。大小和方向。2021/3/144 当线圈中通以电流当线圈中通以电流i时，产生的磁通时，产生的磁通 ，其大小与电流，其大小与电流成正比，即：成正比，即：m2mmmmmWLiWLHWiRWiRWLR式中，为线圈匝数； 为比例系数，称为自感， 。又根据磁路欧姆定律：式中，为磁动势；

3、为磁阻。自感：因为气隙厚度较小，可以认为气隙磁场是均匀的，若忽因为气隙厚度较小，可以认为气隙磁场是均匀的，若忽略磁路铁损，则总磁阻近似为：略磁路铁损，则总磁阻近似为：02mRAA ：气隙的有效截面积；：气隙的有效截面积； 0 ：真空磁导率；：真空磁导率； ：气隙厚度：气隙厚度2021/3/145电感量计算公式电感量计算公式 ：202WLAW：线圈匝数；：线圈匝数；A ：气隙的有效截面积；：气隙的有效截面积； 0 ：真空磁导率；：真空磁导率； ：气隙厚度。气隙厚度。 ( ,)LfA可知可知 ，自感与气隙长度，自感与气隙长度 成成反比，而与空气隙导磁截面积反比，而与空气隙导磁截面积A成正比。成正比

4、。ALA如果保持 不变，则 为 的单值函数，可构成变气隙型传感器；如果保持 不变，使 随位移变化，可构成变截面型传感器。2021/3/146自感式电感传感器常见的形式自感式电感传感器常见的形式 变隙式变隙式 变截面式变截面式 螺线管式螺线管式 2021/3/147对变截面型传感器灵敏度为：对变截面型传感器灵敏度为：202WdLkdA灵敏度为一常数，灵敏度为一常数，L与与A成线性关系。成线性关系。对变气隙型传感器灵敏度为：对变气隙型传感器灵敏度为：20212WAdLkLd 灵敏度灵敏度k与气隙长度与气隙长度的平方成反比，的平方成反比，越小，灵敏度越高。越小，灵敏度越高。 由于由于k不是常数，故出

5、现非线性误差。为了减小这一误差，不是常数，故出现非线性误差。为了减小这一误差，通常规定在较小间隙范围内工作通常规定在较小间隙范围内工作（ =0.1 0.2 , =0.10.5mm ）。）。202WLA2021/3/148为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变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。隙式电感传感器。 2021/3/149衔铁移动衔铁移动：差动传感器电感的总变化量为：差动传感器电感的总变化量为 ：0200002002222LAWAWLZ002LLZ灵敏度灵敏度KZ为为 KAWLLxyKZ22222200020000与单线圈式相比，灵敏度提高与单线圈式相比，

6、灵敏度提高1倍。倍。2021/3/1410差动变隙式电感传感器的变换电路差动变隙式电感传感器的变换电路交流电桥式测量电路交流电桥式测量电路把传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂把传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂Z1和和Z2，另外两，另外两个相邻的桥臂用纯电阻个相邻的桥臂用纯电阻R代替。设代替。设Z1=Z+Z1, Z2=ZZ2，Z是衔铁在中间位置时单个线圈的复阻抗，是衔铁在中间位置时单个线圈的复阻抗， Z1, Z2分别是分别是衔铁偏离中心位置时两线圈阻抗的变化量。对于高衔铁偏离中心位置时两线圈阻抗的变化量。对于高Q值的值的差动式电感传感器，差动式电感传感器， 有有Z1+Z2j(L1+L2)， 则

7、电桥输则电桥输出电压为出电压为 1212()2(Z )2ZoZZUUULLZ 2021/3/1411交流电桥式测量电路交流电桥式测量电路sUL1L2RoRooU122131铁 芯 ；2线 圈 ；3衔 铁Z1Z2Z3 RZ4 RoUU1012ZRUUZZRR2021/3/1412变压器式交流电桥变压器式交流电桥 变压器式交流电桥测量电路如图所示，电桥两臂变压器式交流电桥测量电路如图所示，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为传感器线圈阻抗，另外两桥臂为交流变压器次级线圈的的1/2阻抗。阻抗。 当负载阻抗为无穷大时，当负载阻抗为无穷大时， 桥路输出电压桥路输出电压 2

8、211212122oZZZ UUUUZZZZ 当传感器的衔铁处于当传感器的衔铁处于中间位置中间位置，即，即Z1=Z2=Z，此时有，此时有 ， 电桥平衡。电桥平衡。 0oU2021/3/1413UC2U2UZ1Z2oUABD变压器式交流电桥变压器式交流电桥2021/3/1414当传感器当传感器衔铁上移：衔铁上移：如如Z1=Z+Z，Z2=ZZ， 22ULLUZZUo当传感器当传感器衔铁下移衔铁下移：如：如Z1=ZZ，Z2=Z+Z， 此时此时 22ULLUZZUo可知：衔铁上下移动可知：衔铁上下移动相同距离相同距离时，输出电压时，输出电压相位相反相位相反，大小，大小随衔铁的位移而变化。由于随衔铁的位

9、移而变化。由于 是交流电压，是交流电压， 输出指示无法判输出指示无法判断位移方向，必须配合断位移方向，必须配合相敏检波电路相敏检波电路来解决。来解决。 U2021/3/1415自感式传感器的应用自感式传感器的应用 变隙电感式压力传感器结构图变隙电感式压力传感器结构图 当压力进入膜盒时，膜盒当压力进入膜盒时，膜盒的顶端在压力的顶端在压力P的作用下产生的作用下产生与压力与压力P大小成正比的位移，大小成正比的位移，于是衔铁也发生移动，于是衔铁也发生移动， 从而从而使气隙发生变化，使气隙发生变化， 流过线圈流过线圈的电流也发生相应的变化，电的电流也发生相应的变化，电流表流表A的指示值就反映了被测的指示

10、值就反映了被测压力的大小。压力的大小。 2021/3/1416 当被测压力进入当被测压力进入C形弹簧管形弹簧管时，时， C形弹簧管产生变形，形弹簧管产生变形， 其其自由端发生位移，带动与自由端自由端发生位移，带动与自由端连接成一体的衔铁运动，使线圈连接成一体的衔铁运动，使线圈1和线圈和线圈2中的电感发生大小相等中的电感发生大小相等线圈1C形弹簧管调机械零点螺钉线圈2衔铁输出P变隙式差动电感压力传感器变隙式差动电感压力传感器 符号相反的变化。即一个电感量增大，另一个电感量减小。电符号相反的变化。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感的这种变化通过电桥电路电桥电路转换成电压输出。

11、由于输出电压与转换成电压输出。由于输出电压与被测压力之间成比例关系，被测压力之间成比例关系， 所以只要用检测仪表测量出输出电所以只要用检测仪表测量出输出电压，压， 即可得知被测压力的大小。即可得知被测压力的大小。 2021/3/1417互感式传感器互感式传感器 互感式传感器互感式传感器把被测的非电量变化转换为线圈互把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器。感变化的传感器。 互感式传感器本身是其互感式传感器本身是其互感系数互感系数可变的变压器，当一可变的变压器，当一次线圈接入激励电压后，二次线圈将产生感应电压输次线圈接入激励电压后，二次线圈将产生感应电压输出，互感变化时，输出电压将作相应变化

12、。出，互感变化时，输出电压将作相应变化。 一般，这种传感器的二次线圈有两个，接线方式又是一般，这种传感器的二次线圈有两个，接线方式又是差动的，故常称之为差动的，故常称之为差动变压器式传感器差动变压器式传感器。 结构：有变气隙式、结构：有变气隙式、 变面积式和螺线管式等变面积式和螺线管式等, 但其工作但其工作原理基本一样。非电量测量中原理基本一样。非电量测量中, 应用最多的是螺线管式应用最多的是螺线管式差动变压器差动变压器. 优点：测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠优点：测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠2021/3/1418螺管式差动变压器工作原理螺管式差动变压器工作原理 -活动衔

13、铁；活动衔铁；-导磁外壳；导磁外壳；-骨架；骨架；-匝数为匝数为W1初级绕组；初级绕组；-匝数为匝数为W2a的次级绕组；的次级绕组；-匝数为匝数为W2b的次级绕组的次级绕组2021/3/1419当没有位移时，衔铁当没有位移时，衔铁C C处于初始平衡位置，两线圈互感相等：处于初始平衡位置，两线圈互感相等： M1=M2两个次级绕组的互感电势相等，即两个次级绕组的互感电势相等，即e2a=e2b。由于次级绕组反向串联，因此，差动变压器输出电压由于次级绕组反向串联，因此，差动变压器输出电压当被测体有位移时，与被测体相连的衔铁的位置将发生相应当被测体有位移时，与被测体相连的衔铁的位置将发生相应的变化，使的

14、变化，使M1M2两次级绕组的互感电势两次级绕组的互感电势e e2a2ae e2b2b，输出电压输出电压 工作原理工作原理2220abUee2220abUee2021/3/1420差动变压器差动变压器输出电压特性曲线输出电压特性曲线 电压的大小反电压的大小反映了被测位移映了被测位移的大小，输出的大小，输出电压的极性能电压的极性能反映位移的方反映位移的方向。向。2021/3/1421差动变压器的转换电路： 主要采用反串电路和电桥两种。 反串电路：反串电路是直接把两个二次线反串电路是直接把两个二次线圈反向串接。这种情况下空载输出电压等圈反向串接。这种情况下空载输出电压等于二次侧线圈感应电动势之差，即

15、：于二次侧线圈感应电动势之差，即：22210EEU2021/3/1422桥路桥路:如图所示：其中如图所示：其中R1，R2是桥臂电阻，是桥臂电阻，Rw是供调零用的电位是供调零用的电位器。设器。设R1R2，则输出电压：，则输出电压： 2)(22212221222210EEERRREEU 可见桥路的灵敏度为前面的可见桥路的灵敏度为前面的0.5，但其优点是利用，但其优点是利用Rw可进行调零可进行调零，不再需要另外配置调零电路。，不再需要另外配置调零电路。 2021/3/14232021/3/14242021/3/14252021/3/14262021/3/1427 如果把一个扁平如果把一个扁平线圈置于

16、金属导体线圈置于金属导体附近，当线圈中通附近，当线圈中通以正弦交变电流以正弦交变电流i1时，时，线圈周围就产生正线圈周围就产生正弦交变磁场弦交变磁场h1 ，处，处于此交变磁场中的于此交变磁场中的金属导体就会产生金属导体就会产生涡流涡流i2，此涡流也将，此涡流也将产生交变磁场产生交变磁场h2， h1的方向与的方向与h2的方的方向相反。从而使产向相反。从而使产生磁场的线圈阻抗生磁场的线圈阻抗发生变化。发生变化。 2021/3/1428式中式中, -金属导体的电阻率金属导体的电阻率,-磁导率磁导率,r-线圈与被测体的尺线圈与被测体的尺寸因子，寸因子， f-激励电流的频率激励电流的频率,x-线圈与金属

17、导体的距离线圈与金属导体的距离 。 测量方法测量方法： 如果保持上式中其它参数不变，而只改如果保持上式中其它参数不变，而只改变其中一个参数，变其中一个参数， 传感器线圈阻抗传感器线圈阻抗Z就仅仅是这个就仅仅是这个参数的单值函数。通过与传感器配用的测量电路测参数的单值函数。通过与传感器配用的测量电路测出阻抗出阻抗Z的变化量，即可实现对该参数的测量。的变化量，即可实现对该参数的测量。 Z=F(, r, f, x) 传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的函数的函数关系式为关系式为2021/3/1429金属金属扁平线圈扁平线圈涡流区涡流区r/ros1hrosj2021

18、/3/14302021/3/1431 当高频（当高频（100kHz左右）信号源产生的高频电压施左右）信号源产生的高频电压施加到一个靠近金属导体附近的电感线圈加到一个靠近金属导体附近的电感线圈L1时，将产生时，将产生高频磁场高频磁场H1。如被测导体置于该交变磁场范围之内时，。如被测导体置于该交变磁场范围之内时，被测导体就产生电涡流被测导体就产生电涡流i2。i2在金属导体的纵深方向并在金属导体的纵深方向并不是均匀分布的，而只集中在金属导体的表面，这称不是均匀分布的，而只集中在金属导体的表面，这称为集肤效应。为集肤效应。 2021/3/1432 间距间距x的测量：的测量：如果控制如果控制i1、f、

19、、 不变，电涡流不变，电涡流线圈的阻抗线圈的阻抗Z就成为间距就成为间距x的单值函数，这样就成为非的单值函数，这样就成为非接触地测量位移的传感器。接触地测量位移的传感器。 其它用途：其它用途：如果控制如果控制x、i1、 、 f不变，就可以用不变，就可以用来检测与表面电阻率来检测与表面电阻率 有关的有关的表面温度、表面裂纹等参表面温度、表面裂纹等参数数，或者用来检测与材料磁导率，或者用来检测与材料磁导率 有关的有关的材料型号、表材料型号、表面硬度面硬度等参数。等参数。 2021/3/14332021/3/143411B2Ax(t)1悬臂梁；2差动变压器 差动变压器式加速度传感器差动变压器式加速度传感器:由悬臂梁和差动变压器构成。测量时，将悬臂梁底座及差动变压器的线圈骨架固定，而将衔铁的A端与被测振动体相连， 此时传感器作为加速度测量中的惯性元件，它的位移与被测加速度成正比使加速度测量转变为位移的测量。当被测体带动衔铁以x(t)振动时，导致差动变压器的输出电压也按相同规律变化。适合低频信号测量 2021/3/1435探