第三章电感式传感器

1、 第三章第三章 电感式传感器电感式传感器电感式传感器电感式传感器是利用被测量的变化引是利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化，从而导致起线圈自感或互感系数的变化，从而导致线圈电感量改变这一物理现象来实现测量线圈电感量改变这一物理现象来实现测量的。因此根据转换原理，电感式传感器可的。因此根据转换原理，电感式传感器可以分为以分为自感式自感式和和互感式互感式两大类。两大类。 （一）工作原理（一）工作原理1 1、自感式传感器、自感式传感器 有气隙型、截面型和螺管型三种结构。有气隙型、截面型和螺管型三种结构。组成：线圈组成：线圈1，衔铁，衔铁3和铁芯和铁芯2等。等。图中点划线表示磁路，磁路中空气隙

2、总长度为图中点划线表示磁路，磁路中空气隙总长度为l传感器运动部分与衔传感器运动部分与衔铁相连，衔铁移动时铁相连，衔铁移动时l l发生变化，引起磁发生变化，引起磁路的磁阻路的磁阻R Rm m变化，使变化，使电芯线圈的电感值电芯线圈的电感值L L变化；只要改变气隙变化；只要改变气隙厚度或气隙截面积就厚度或气隙截面积就可以改变电感。可以改变电感。0.5l123x(a)气隙式 (b)变截面式3N：线圈匝数；：线圈匝数；Rm：磁路总磁阻：磁路总磁阻(铁芯与衔铁磁阻和空气隙磁阻铁芯与衔铁磁阻和空气隙磁阻)气隙式自感传感器，因为气隙较小气隙式自感传感器，因为气隙较小(l为为0.11mm)，所，所以，认为气隙

3、磁场是均匀的，若忽略磁路铁损，则磁以，认为气隙磁场是均匀的，若忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为路总磁阻为 l1：铁芯磁路总长；：铁芯磁路总长；l2：衔铁的磁路长；：衔铁的磁路长；S：隙磁通截面积；：隙磁通截面积； S1：铁芯横截面积；：铁芯横截面积；S2：衔铁横截面积；：衔铁横截面积；1：铁芯磁导率；：铁芯磁导率；2：衔铁磁导率；：衔铁磁导率；0：真空磁导率，：真空磁导率，0=410-7Hm； l：空气隙总长。：空气隙总长。mRNL2SlSlSlRm0222111由磁路基本知识知，线圈自感为由磁路基本知识知，线圈自感为SlSlSlNRNLm0222111224由于自感传感器的铁芯一般在非饱和状态下

4、，其磁导由于自感传感器的铁芯一般在非饱和状态下，其磁导率远大于空气的磁导率，因此铁芯磁阻远较气隙磁阻率远大于空气的磁导率，因此铁芯磁阻远较气隙磁阻小，所以上式可简化为小，所以上式可简化为lSNL02可见，自感可见，自感L是气隙截面积和长度的函数，即是气隙截面积和长度的函数，即Lf(S,l)如果如果S保持不变，则保持不变，则L为为l的单值函数，构成的单值函数，构成变隙式自感变隙式自感传感器传感器；若保持；若保持l不变，使不变，使S随位移变化，则构成随位移变化，则构成变截变截面式自感传感器面式自感传感器。其特性曲线如图。其特性曲线如图。L=f（S）L=f（l）lLSL=f(l)为非线性关系。当为非

5、线性关系。当l0时，时，L为为，考虑导磁体的磁阻，当，考虑导磁体的磁阻，当l0时，并不等于时，并不等于，而具有一定的数，而具有一定的数值，在值，在l较小时其特性曲线如图中虚较小时其特性曲线如图中虚线所示。如上下移动衔铁使面积线所示。如上下移动衔铁使面积S改改变，从而改变变，从而改变L值时值时,则则Lf(S)的特的特性曲线为一直线。性曲线为一直线。如右图所示，线圈中放入如右图所示，线圈中放入圆柱形衔铁，也是一个可变圆柱形衔铁，也是一个可变自感。使衔铁上下位移，自自感。使衔铁上下位移，自感量将相应变化，这就可构感量将相应变化，这就可构成成螺管型传感器螺管型传感器。通过以上三种形式的电感式传感器的分

6、析通过以上三种形式的电感式传感器的分析,可以得出可以得出以下几点结论以下几点结论:1.变间隙型灵敏度较高变间隙型灵敏度较高,但非线性误差较大但非线性误差较大,且制作装配比且制作装配比较困难。较困难。2.变面积型灵敏度较前者小变面积型灵敏度较前者小,但线性较好但线性较好,量程较大量程较大,使用使用比较广泛。比较广泛。3.螺管型灵敏度较低螺管型灵敏度较低,但量程大且结构简单易于制作和批但量程大且结构简单易于制作和批量生产量生产,是使用最是使用最广泛的一种电感式传感器。广泛的一种电感式传感器。2 2、互感式传感器、互感式传感器 互感式传感器本身是其互感互感式传感器本身是其互感系数可变的变压器，当一次

7、线圈系数可变的变压器，当一次线圈接入激励电压后，二次线圈将产接入激励电压后，二次线圈将产生感应电压输出，互感变化时，生感应电压输出，互感变化时，输出电压将作相应变化。一般，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，这种传感器的二次线圈有两个，接线方式又是差动的，故常称之接线方式又是差动的，故常称之为差动变压器式传感器。为差动变压器式传感器。这种传感器的工作原理如右图这种传感器的工作原理如右图所示。所示。 7（二）自感线圈的等效电路（二）自感线圈的等效电路 实际传感器中包括：实际传感器中包括：铜损电阻铜损电阻（Rc）N为线圈匝数，为线圈匝数，lcp为平均每匝长度为平均每匝长度d为线

8、径、为线径、c为导线电阻率为导线电阻率CLRcRe24dNlRcpcc涡流损耗电阻涡流损耗电阻（Re）并联分布电容并联分布电容（C）由线圈绕组的分布电容及电缆引线电容组成。并联电由线圈绕组的分布电容及电缆引线电容组成。并联电容后，传感器的灵敏度提高了。因此在测量中若需要容后，传感器的灵敏度提高了。因此在测量中若需要改变电缆长度时，则应对传感器的灵敏度重新校准。改变电缆长度时，则应对传感器的灵敏度重新校准。222126ltSNLhtRie （三）自感式传感器转换电路（三）自感式传感器转换电路1 1、交流电桥、交流电桥实际应用中，交流电桥常和差动式自感传感器配合使用实际应用中，交流电桥常和差动式自

9、感传感器配合使用,这样既提高了灵敏度，又改善了线性度这样既提高了灵敏度，又改善了线性度，如图。，如图。Z1、Z2为工作臂，即线圈阻抗，为工作臂，即线圈阻抗，R1、R2为电桥的平衡臂为电桥的平衡臂电桥平衡条件：电桥平衡条件：设设Z1=Z2=Z=RS+jL；R1=R2=RRS1=RS2=RS；L1=L2=LE为桥路电源，为桥路电源，ZL是负载阻抗。是负载阻抗。工作时，工作时，Z1=Z+Z和和Z2=Z-ZZLR1R2Z2Z1L1L2RS1RS2交流电桥原理图USCE2121RRZZZRZZZZEULLSC29其输出电压幅值其输出电压幅值LjRLjREZZEUSSSC22当当ZL时时222222222

10、SSCSSLRLUEERLRL222LRRZS输出阻抗输出阻抗 SSSSSCRRLLQjLLRRQQEU11111222SRLQ为自感线圈的品质因数。为自感线圈的品质因数。 桥路输出电压桥路输出电压Usc包含与电源包含与电源E同相和正交两个分量。同相和正交两个分量。在实际测量中，只希望有同相分量，如能使在实际测量中，只希望有同相分量，如能使 或或Q值比较大，均能达到此目的。但在实际工作时，值比较大，均能达到此目的。但在实际工作时，RS/ /RS一般很小，所以要求线圈有高的品质因数。一般很小，所以要求线圈有高的品质因数。当当Q值值 很高时，很高时，Usc ；SSRRLLLLE 2当当Q值很低时，

11、自感线圈的电感远小于电阻，电感值很低时，自感线圈的电感远小于电阻，电感线圈相当于纯电阻线圈相当于纯电阻(ZRs)，交流电桥即为电阻电，交流电桥即为电阻电桥。例如，应变测量仪，此时输出电压桥。例如，应变测量仪，此时输出电压Usc=。 SSRRE 2SRLQ11Z1Z2USCE/2E/2E变压器电桥原理图I2 2、变压器电桥、变压器电桥平衡臂为变压器的两个副边，当负载阻抗为无穷大时，平衡臂为变压器的两个副边，当负载阻抗为无穷大时，流入工作臂的电流为流入工作臂的电流为21ZZEI212122122ZZZZEEZZZEUSC初始初始Z1=Z2=Z=RS+jL，故平，故平衡时，衡时，USC=0。双臂工作

12、时，。双臂工作时，设设Z1=ZZ，Z2=Z+Z，相当，相当于差动式自感传感器的衔铁向于差动式自感传感器的衔铁向一侧移动，则一侧移动，则ZZEUSC2同理反方向移动时同理反方向移动时ZZEUSC212可见，衔铁向不同方向移动时，产生的输出电压可见，衔铁向不同方向移动时，产生的输出电压Usc大大小相等、方向相反，即相位互差小相等、方向相反，即相位互差180，可反映衔铁移动，可反映衔铁移动的方向。但是，为了判别交流信号的相位，需接入专门的方向。但是，为了判别交流信号的相位，需接入专门的相敏检波电路。的相敏检波电路。优点优点：变压器变压器电桥与电阻平衡电桥相比，元件少，输出电桥与电阻平衡电桥相比，元件

13、少，输出阻抗小，桥路开路时电路呈线性；阻抗小，桥路开路时电路呈线性；缺点缺点：变压器副边不接地，易引起来自原边的静电感应：变压器副边不接地，易引起来自原边的静电感应电压，使高增益放大器不能工作。电压，使高增益放大器不能工作。ELRLUSSC22222222LRZS变压器电桥的输出电压幅值变压器电桥的输出电压幅值输出阻抗为输出阻抗为(略去变压器副边的阻杭，它远小于电感的略去变压器副边的阻杭，它远小于电感的阻抗阻抗) 调频电路的基本原理是传感调频电路的基本原理是传感器自感器自感L的变化引起输出电压的变化引起输出电压频率频率f的变化。一般是把传感器的变化。一般是把传感器自感自感L和一个固定电容和一个

14、固定电容C接入一接入一个振荡回路中，如右图个振荡回路中，如右图a所示。所示。图中图中G表示振荡回路，当表示振荡回路，当L变化变化时，振荡频率随之变化，根据时，振荡频率随之变化，根据f的大小即可算出被测量。图的大小即可算出被测量。图b给给出了出了f与与L的特性曲线，它存在的特性曲线，它存在严重的非线性严重的非线性。 3 3、调频式转换电路、调频式转换电路 调相电路的基本原理是传感器电感调相电路的基本原理是传感器电感L变化会引起输变化会引起输出电压相位变化，下图出电压相位变化，下图a所示是一个相位电桥，一臂为所示是一个相位电桥，一臂为传感器传感器L，一臂为固定电阻，一臂为固定电阻R。设计时使电感线

15、圈具有。设计时使电感线圈具有高品质因数。忽略其损耗电阻，则电感线圈与固定电高品质因数。忽略其损耗电阻，则电感线圈与固定电阻上压降二个向量是互相垂直的，如下图阻上压降二个向量是互相垂直的，如下图b所示。当电所示。当电感感L变化时，输出电压的幅值不变，相位角随之变化变化时，输出电压的幅值不变，相位角随之变化。 4 4、调相式转换电路、调相式转换电路 （三）互感式传感器转换电路（三）互感式传感器转换电路差动变压器基本元件有衔铁、差动变压器基本元件有衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈框初级线圈、次级线圈和线圈框架等。初级线圈作为差动变压架等。初级线圈作为差动变压器激励用，相当于变压器的原器激励用，相当于变

16、压器的原边，而次级线圈由结构尺寸和边，而次级线圈由结构尺寸和参数相同的两个线圈反相串接参数相同的两个线圈反相串接而成，相当于变压器的副边。而成，相当于变压器的副边。螺管形差动变压器根据初、次螺管形差动变压器根据初、次级排列不同有二节式、三节式、级排列不同有二节式、三节式、四节式和五节式等形式。四节式和五节式等形式。次次级级次次级级骨架骨架初初级级衔衔铁铁次次级级次次级级初初级级16在理想情况下在理想情况下(忽略线圈寄生忽略线圈寄生电容及衔铁损耗电容及衔铁损耗)，差动变压，差动变压器的等效电路如图。器的等效电路如图。初级线圈的复数电流值为初级线圈的复数电流值为1111LjReIe2R21R22e

17、21e22e1R1M1M2L21L22L1 e1初级线圈激励电压初级线圈激励电压L1,R1初级线圈电感和电阻初级线圈电感和电阻M1,M1分别为初级与次级线圈分别为初级与次级线圈1,2间的互感间的互感L21,L22两个次级线圈的电感两个次级线圈的电感R21,R22两个次级线圈的电阻两个次级线圈的电阻I1激励电压的角频率；激励电压的角频率；e1激励电压的复数值；激励电压的复数值；由于由于I Il的存在，在次级线圈的存在，在次级线圈中产生磁通中产生磁通11121mRIN21122mRINRm1及及Rm2分别为磁通通过初级线圈及两个次级线圈的磁阻，分别为磁通通过初级线圈及两个次级线圈的磁阻，N1为初级

18、线圈匝数。为初级线圈匝数。1N2N2N1712221121IMjeIMje11212121mRNNINM21212222mRNNINM1221221211eeeejMMRj L N2为次级线圈匝数。为次级线圈匝数。因此空载输出电压因此空载输出电压在次级线圈中感应出电压在次级线圈中感应出电压e21和和e22，其值分别为，其值分别为21211212LReMMe22212221LLjRRZ2222122221LLRRZ其幅数其幅数输出阻抗输出阻抗或或18副0e2e2e21e22x副原线圈铁芯向右移，铁芯向右移，输出与输出与e22同极性；同极性；铁芯向左移，铁芯向左移，输出与输出与e21同极性；同极性

19、；u输出电压的幅值取决于线圈互感即衔铁在线圈中移输出电压的幅值取决于线圈互感即衔铁在线圈中移动的距离动的距离X X。e2与与e1的相位由衔铁的移动方向决定。的相位由衔铁的移动方向决定。19l 测量电路测量电路差动变压器的输出电压为交流，它与衔铁位移成差动变压器的输出电压为交流，它与衔铁位移成正比。用交流电压表测量其输出值只能反映衔铁正比。用交流电压表测量其输出值只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的方向，因此常采用位移的大小，不能反映移动的方向，因此常采用差动整流电路和相敏检波电路进行测量。差动整流电路和相敏检波电路进行测量。1 1、差动整流电路、差动整流电路根据半导体二极管单向导通原理进行解

20、调的。根据半导体二极管单向导通原理进行解调的。20全波整流电路和波形图e1RRcabhgfdeUSC衔铁在零位以下eabttteabttteabtecdtUSCtecdUSCUSCecd衔铁在零位以上衔铁在零位(b)(a)在在f点为点为“” ，则电流路径是，则电流路径是fgdche ( (参看图参看图a) )。反之，如。反之，如f点为点为“” ，则电流路径是，则电流路径是ehdcgf。212 2、相敏检波电路、相敏检波电路图为二极管相敏检波电路。图中图为二极管相敏检波电路。图中UR为参考电压，其频率与为参考电压，其频率与U0相同，相同，相位与相位与U0同相或反相，并且同相或反相，并且UR U0

21、，即二极管的导通与否取决于，即二极管的导通与否取决于UR，工作原理：，工作原理：(1)衔铁在中间位置时，衔铁在中间位置时，U0=0，电流表中无读数。，电流表中无读数。(2)若衔铁向上移动：若衔铁向上移动：信号电压信号电压U0上正下负为正半周，假定参考电压上正下负为正半周，假定参考电压UR极性为左正右负，极性为左正右负，此时此时D1、D2截止，而截止，而D3、D4导通，信号电流方向为导通，信号电流方向为 BR mA FE D3G D4C电流表的极性是上正下负电流表的极性是上正下负同理负半周结果相同同理负半周结果相同(3)当被测量方向变化当被测量方向变化使衔铁下移时，输出使衔铁下移时，输出电压电压

22、U0的相位与衔铁的相位与衔铁上移时相反。上移时相反。22（三）（三） 误差因素分析误差因素分析1 1、激励电源电压幅值与频率的影响、激励电源电压幅值与频率的影响激励电源电压幅值的波动，会使线圈激励磁场的磁通发激励电源电压幅值的波动，会使线圈激励磁场的磁通发生变化，直接影响输出电势。差动变压器激励频率的选生变化，直接影响输出电势。差动变压器激励频率的选择至少要大于衔铁运动频率的择至少要大于衔铁运动频率的10倍，即可测信号频率取倍，即可测信号频率取决于激励频率，一般在决于激励频率，一般在2kHz以内，另外还受到测量系以内，另外还受到测量系统机械负载效应的限制。统机械负载效应的限制。2 2、温度变化

23、的影响、温度变化的影响在周围环境温度变化时，会引起差动变压器线圈电阻及在周围环境温度变化时，会引起差动变压器线圈电阻及导磁体磁导率的变化，从而导致输出电压、灵敏度、线导磁体磁导率的变化，从而导致输出电压、灵敏度、线性度和相位的变化。当线圈品质因数较低时，这种影响性度和相位的变化。当线圈品质因数较低时，这种影响更为严重。在这方面采用恒流源激励比恒压源激励有利。更为严重。在这方面采用恒流源激励比恒压源激励有利。适当提高线圈品质因数并采用差动电桥可以减少温度的适当提高线圈品质因数并采用差动电桥可以减少温度的影响。影响。233 3、零点残余电压、零点残余电压当差动变压器的衔铁处于中间位置时，由于对称的

24、两个当差动变压器的衔铁处于中间位置时，由于对称的两个次级线圈反向串接，理论上其输出电压为零。但实际上，次级线圈反向串接，理论上其输出电压为零。但实际上，当使用桥式电路时，差动输出电压并不为零，总会有零当使用桥式电路时，差动输出电压并不为零，总会有零点几点几mV到数十到数十mV的微小的电压值存在，不论怎样调整的微小的电压值存在，不论怎样调整也难以消除，我们把零位移时差动变压器输出的电压称也难以消除，我们把零位移时差动变压器输出的电压称为零点残余电压。零点残余电压使得传感器输出特性不为零点残余电压。零点残余电压使得传感器输出特性不过零点。过零点。0Uox-xe0产生的原因产生的原因：两电感：两电感

25、线圈的等效参数不对线圈的等效参数不对称称241 基波正交分量 2 基波同相分量 3 二次谐波 4 三次谐波 5 电磁干扰uue012345(a)残余电压的波形 (b)波形分析tt图中图中u为差动变压器初级的激励电压，为差动变压器初级的激励电压，e0包含基波同相包含基波同相成分、基波正交成分，二次及三次谐波和幅值较小的电成分、基波正交成分，二次及三次谐波和幅值较小的电磁干扰等。磁干扰等。e0 减小零点残余电压方法：减小零点残余电压方法：1.1.尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数玫磁路的对称。磁性尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数玫磁路的对称。磁性材料要经过处理，消除内部的残余应力，使其性

26、能均匀稳定。材料要经过处理，消除内部的残余应力，使其性能均匀稳定。2.2.选用合适的测量电路，如采用相敏整流电路。既可判别衔铁移动选用合适的测量电路，如采用相敏整流电路。既可判别衔铁移动方向双可改善输出特性，减小零点残余电动势。方向双可改善输出特性，减小零点残余电动势。 3. 3. 采用补偿线路减小零点残余电动势。下图是几种减小零点残余电采用补偿线路减小零点残余电动势。下图是几种减小零点残余电动势的补偿电路。在差动变压器二次侧串、并联适当数值的电阻电容动势的补偿电路。在差动变压器二次侧串、并联适当数值的电阻电容元件，当调整这些元件时，可使零点残余电动势减小。元件，当调整这些元件时，可使零点残余

27、电动势减小。UUR0a)UUR0b)UUR0c)C0C图 4.2.4 减 小 零 点 电 路26三、三、 电涡流式传感器电涡流式传感器 2728等效电路1 11 12122220R Ij L Ij MIEj MIR Ij L I线圈激磁电流角频率； R1、L1传感器线圈电阻和电感R2、L2金属导体的电阻和电感M互感系数。 R1R2L1L2EI1I229解得线圈等效阻抗Z的表达式为 2222121222222212222EMMZRRjLLIRLRLRj L式中：R线圈受电涡流影响后的等效电阻 221222222MRRRRLL线圈受电涡流影响后的等效电感 221222222MLLLRL线圈的等效品

28、质因数Q值为 30222212022221210111LMLZLQQRMRRZLQR其中被测参数变化，能引起Z、L、Q变化，线圈阻抗( , , ,)Zfx 1、电桥电路法、电桥电路法 图中图中A、B为传感器线圈，它为传感器线圈，它们与电容们与电容C1、C2，电阻电阻R1、R2组成电桥的四个臂。当传组成电桥的四个臂。当传感器线圈的阻抗变化时，电桥感器线圈的阻抗变化时，电桥失去平衡。电桥的不平衡输出失去平衡。电桥的不平衡输出经线性放大和检波，这种方法经线性放大和检波，这种方法电路简单，主要用在差动式电电路简单，主要用在差动式电涡流传感器中。涡流传感器中。测量电路 2、调频式电路、调频式电路频 率

29、计f-V电 压 表振荡器CLx(a)R1R2C1R3R4C2C3C4R5C6R6C5CL(x)Vcc(b)L1V1V2f33传感器线圈接入LC振荡回路，当传感器与被测导体距离x改变时，在涡流影响下，传感器的电感变化，将导致振荡频率的变化，该变化的频率是距离x的函数，即f=L(x), 该频率可由数字频率计直接测量，或者通过f-V变换，用数字电压表测量对应的电压。 振荡器电路如图(b)所示。它由克拉泼电容三点式振荡器(C2、C3、L、C和1)以及射极输出电路两部分组成。振荡器的频率为 CxLf)(21343.调幅式电路调幅式电路由传感器线圈由传感器线圈L、电容器、电容器C和石英晶体组成的石英晶体振荡和石英晶体组成的石英晶体振荡电路如图所示。石英晶体振荡器起恒流源的作用，给谐振电路如图所示。石英晶体振荡器起恒流源的作用，给谐振回路提供一个频率（回路提供一个频率（f0）稳定的激励电流）稳定的激励电流io，LC回路输出电回路输出电压压式中式中,Z为为LC回路的阻抗。回路的阻抗