第三章电感式

1、天津工业大学天津工业大学电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院 主讲主讲 王红一王红一内容回顾（一）内容回顾（一）内容回顾（二）内容回顾（二）0rAACdd 变极距型变极距型变面积型变面积型变介质型变介质型平板式直线位移平板式直线位移圆柱式直线位移圆柱式直线位移角位移式角位移式内容回顾（二）内容回顾（二）（1）紧耦合电）紧耦合电 感电桥感电桥（3）变压器式交流电桥）变压器式交流电桥（2）二极管双）二极管双T形交流电桥形交流电桥（4）运算放大器电路）运算放大器电路第三章第三章 电感式传感器电感式传感器3. 1 自感式传感器及其应用自感式传感器及其应用 3. 2 互感式传感器及其应用互感式传感器

2、及其应用 3. 3 涡流式传感器及其应用涡流式传感器及其应用第三章第三章 电感式传感器电感式传感器 电感式传感器电感式传感器（inductance type transducer）是利用）是利用电磁感电磁感应原理应原理，将被测非电量，如位移、压力、振动、流量等，转换为线，将被测非电量，如位移、压力、振动、流量等，转换为线圈圈自感系数自感系数 L或互感系数或互感系数M 的变化的变化，然后经，然后经测量电路测量电路转换为相应的转换为相应的电压或电流电压或电流输出，实现非电量到电量的变化。输出，实现非电量到电量的变化。 电感式传感器与其它传感器相比，具有结构简单、工作可靠、电感式传感器与其它传感器相

3、比，具有结构简单、工作可靠、测量精度高、零点漂移少、线性度好、输出功率较大等测量精度高、零点漂移少、线性度好、输出功率较大等优点优点，其主，其主要要缺点缺点是灵敏度、线性度和测量范围相互制约，传感器自身频率较是灵敏度、线性度和测量范围相互制约，传感器自身频率较低，不适用于快速动态测量。低，不适用于快速动态测量。 根据转换方式的不同，电感式传感器可以分为根据转换方式的不同，电感式传感器可以分为自感型自感型和和互感型互感型两大类；根据结构的不同可以分为两大类；根据结构的不同可以分为变磁阻型、变压器型（互感型）变磁阻型、变压器型（互感型）和涡流型和涡流型三种。三种。 第三章第三章 电感式传感器电感式

4、传感器3. 1 自感式传感器及其应用自感式传感器及其应用第三章第三章 电感式传感器电感式传感器 自感式传感器自感式传感器是利用是利用自感量随气隙变化而改变自感量随气隙变化而改变的原理制成的，的原理制成的，主要用来测量位移主要用来测量位移。自感式传感器按照结构可分为。自感式传感器按照结构可分为气隙式和螺管式气隙式和螺管式两种。两种。 1. 气隙式自感传感器气隙式自感传感器1线圈线圈 2铁心铁心 3衔铁衔铁图图3-1 气隙式传感器的结构气隙式传感器的结构MRNL2线圈中的电感为：线圈中的电感为：N：线圈匝数；RM磁路中的总磁阻，1/H3.1 自感式传感器及其应用自感式传感器及其应用12m11220

5、02LLRSSS磁路总磁阻为：磁路总磁阻为： 为铁心材料的导磁率；为铁心材料的导磁率； 为衔铁材料的导磁率；为衔铁材料的导磁率； 为磁通通过铁心的长为磁通通过铁心的长度；度； 为磁通通过衔铁的长度；为磁通通过衔铁的长度； 为铁心的截面积；为铁心的截面积； 为衔铁的截面积；为衔铁的截面积； 为空气的导磁率；为空气的导磁率； 为气隙的截面积；为气隙的截面积； 为气隙的厚度。为气隙的厚度。 121L2L1S2S00S0m002RS202NSL因为因为 ， 所以所以3.1 自感式传感器及其应用自感式传感器及其应用 上式表明，当线圈匝数为常数时，电感上式表明，当线圈匝数为常数时，电感 L仅仅是磁路中磁阻

6、仅仅是磁路中磁阻Rm 的函数，改变的函数，改变 或或 S 均可导致电感变化。因此，气隙式传均可导致电感变化。因此，气隙式传感器又分为变气隙厚度感器又分为变气隙厚度 的的变间隙式传感器变间隙式传感器和变气隙面积和变气隙面积 S 的的变面积式传感器变面积式传感器。因为变化的都是磁阻，所以气隙式传感器又。因为变化的都是磁阻，所以气隙式传感器又称为变磁阻式传感器。称为变磁阻式传感器。目前使用最广泛的是变气隙厚度的变间目前使用最广泛的是变气隙厚度的变间隙式电感传感器隙式电感传感器。202NSL下面，以变间隙式传感器为例介绍其工作原理。下面，以变间隙式传感器为例介绍其工作原理。3.1 自感式传感器及其应用

7、自感式传感器及其应用变间隙式传感器工作原理变间隙式传感器工作原理初始电感初始电感00202SNL ：0202SNL .30200000LLLLL：.302000LL000LL3.1 自感式传感器及其应用自感式传感器及其应用 其灵敏度为其灵敏度为0001LLK 由此可见，变间隙式电感传感器的由此可见，变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度测量范围与灵敏度及线性度相矛盾相矛盾，所以变间隙式电感传感器，所以变间隙式电感传感器用于测量微小位移用于测量微小位移时是比较精时是比较精确的。确的。00LL3.1 自感式传感器及其应用自感式传感器及其应用：.30200000LLLLL：.302000LL.

8、2503000LL差动式结构：差动式结构：差动式变间隙式传感器工作原理差动式变间隙式传感器工作原理3.1 自感式传感器及其应用自感式传感器及其应用002LL 忽略高次项：忽略高次项：002KLL3.1 自感式传感器及其应用自感式传感器及其应用 2. 螺线管式自感传感器螺线管式自感传感器（2）螺线管差动式结构）螺线管差动式结构1线圈线圈 2衔铁衔铁 3测杆测杆 4被测物被测物220cc01020r11NrlLLLlrl 2220cc1r11rNrlxLlrl 2220cc2r11rNrlxLlrl 当衔铁位于中间时：当衔铁位于中间时：当衔铁向下移动后：当衔铁向下移动后：lc3.1 自感式传感器及

9、其应用自感式传感器及其应用3. 自感式传感器的测量电路自感式传感器的测量电路 自感式传感器的测量电路，主要有自感式传感器的测量电路，主要有交流电桥交流电桥、变压器式交流变压器式交流电桥电桥和和谐振式谐振式。（1）交流电桥）交流电桥UZZZZURRUZZZU)(2221212110ZZZ1ZZZ2因为：因为：LLUZZUU220所以：所以：002UU交流电桥的特点是：交流电桥的特点是： 1) 电桥输出与间隙变化量电桥输出与间隙变化量 有关，并有正比关系；有关，并有正比关系；2) 桥路输出与电桥电压桥路输出与电桥电压 U 有关，桥压有关，桥压U 升高，输出升高，输出 U0 增加；增加；3) 桥路输

10、出与初始间隙桥路输出与初始间隙 有关，初始间隙越小输出越大。有关，初始间隙越小输出越大。 3.1 自感式传感器及其应用自感式传感器及其应用 可见，电桥输出电压是可见，电桥输出电压是 的函数，的函数，并且为线性关系。并且为线性关系。 002UU03.1 自感式传感器及其应用自感式传感器及其应用（2）变压器式交流电桥）变压器式交流电桥121121222oZZUUUUZZZZZ1ZZZ2ZZZ时，桥路输出电压为时，桥路输出电压为 当衔铁偏移时阻抗变化为当衔铁偏移时阻抗变化为 ，LLUZZUU220当衔铁偏向另一方向时，桥路输出电压为当衔铁偏向另一方向时，桥路输出电压为 LLUU20 变压器式交流电桥

11、的特点是：变压器式交流电桥的特点是：1) 衔铁上下移动相同距离时，输出电压衔铁上下移动相同距离时，输出电压大小相等，方向相反，相差大小相等，方向相反，相差180 度。判断衔铁方向，实际上就是判断信号相度。判断衔铁方向，实际上就是判断信号相位，因此判断位移的方向可用相敏检波器解决。位，因此判断位移的方向可用相敏检波器解决。2) 该电路最大特点是输出该电路最大特点是输出阻抗较小，其输出阻抗为阻抗较小，其输出阻抗为 。22() /2ZRL 3.1 自感式传感器及其应用自感式传感器及其应用（3）紧耦合电感臂电桥）紧耦合电感臂电桥（4）谐振式（调幅、调频）谐振式（调幅、调频）3.1 自感式传感器及其应用

12、自感式传感器及其应用4. 自感式传感器的应用举例自感式传感器的应用举例图图3-12 变隙电感式压力传感器结构变隙电感式压力传感器结构3.1 自感式传感器及其应用自感式传感器及其应用4. 自感式传感器的应用举例自感式传感器的应用举例图图3-13 导管端血压传感器结构导管端血压传感器结构3.2 互感式传感器及其应用互感式传感器及其应用3. 2 互感式传感器及其应用互感式传感器及其应用 互感式传感器互感式传感器是把被测的非电量是把被测的非电量变化转换为变化转换为线圈互感量变化线圈互感量变化的传感器。的传感器。这种传感器主要包括衔铁、一次绕组这种传感器主要包括衔铁、一次绕组和二次绕组等。是根据和二次绕

13、组等。是根据变压器的基本变压器的基本原理原理制成的，采用制成的，采用两个二次绕组的同两个二次绕组的同名端反向串接，以差动形式输出名端反向串接，以差动形式输出，故，故又称差动变压器式传感器。又称差动变压器式传感器。 一、二次一、二次绕组间的互感随衔铁的移动而变化，绕组间的互感随衔铁的移动而变化，即即绕组间的互感随被测位移改变而变绕组间的互感随被测位移改变而变化化。1- 一次绕组，一次绕组，2- 二次绕组二次绕组3- 衔铁，衔铁，4- 测杆测杆1. 互感式传感器的工作原理与结构互感式传感器的工作原理与结构当活动衔铁处于初始平衡位置时，当活动衔铁处于初始平衡位置时，2221EE022210EEU 当

14、活动衔铁向二次绕组当活动衔铁向二次绕组 方向（向方向（向上）移动时，上）移动时， 中的磁通将大于中的磁通将大于 中中的磁通，的磁通， ，21N21N22N12MM21E22E1222102IMjEEU3.2 互感式传感器及其应用互感式传感器及其应用12MM10MMM使使 增加，增加， 减小，减小，20MMM 1211Ej M I 1222Ej M I 2. 互感式传感器的输出特性互感式传感器的输出特性 （零点残余电压（零点残余电压 ）：）：零位零位移时的输出电压，一般在几十移时的输出电压，一般在几十毫伏以下，使得传感器在零点毫伏以下，使得传感器在零点附近的输出特性不灵敏，带来附近的输出特性不灵

15、敏，带来测量误差。测量误差。xU减小零点残余电动势的方法：减小零点残余电动势的方法： (1) 尽可能保证传感器尺寸、线尽可能保证传感器尺寸、线圈电气参数和磁路对称。圈电气参数和磁路对称。 (2) 选用合适的测量电路。选用合适的测量电路。 (3) 采用补偿线路减小零点残余采用补偿线路减小零点残余电动势。电动势。3.2 互感式传感器及其应用互感式传感器及其应用3.2 互感式传感器及其应用互感式传感器及其应用 3. 互感式传感器的测量电路互感式传感器的测量电路辨别衔铁移动方向辨别衔铁移动方向消除零点残余电压消除零点残余电压差动整流电路差动整流电路/相敏检波电路相敏检波电路(1) 差动整流电路举例差动

16、整流电路举例当衔铁在零位时，当衔铁在零位时，2468UU20U 当衔铁在零位以上时，当衔铁在零位以上时，2468UU20U 当衔铁在零位以下时，当衔铁在零位以下时，2468UU20U (2) 差动相敏检波电路举例差动相敏检波电路举例 3. 互感式传感器的测量电路互感式传感器的测量电路 处于正半周时，处于正半周时， 、 导通，导通， 和和 截止，形成两条电流通路：截止，形成两条电流通路： 当当 与与 同处于负半周时，同处于负半周时， 和和 导通，导通， 和和 截止，同样有截止，同样有两条电流通路：两条电流通路：(2) 差动相敏检波电路举例差动相敏检波电路举例 3. 互感式传感器的测量电路互感式传

17、感器的测量电路0u1VD4VD2VD3VDo122222Lo1uCVDBuuRuo2L22223o2uRuuBVDDu2u0u1VD4VD2VD3VDo1L21211o1uRuuARVDCuo242121Lo2uDRVDAuuRu 传感器衔铁上移：传感器衔铁上移： L2L1L(2)R uun RR传感器衔铁下移：传感器衔铁下移：L2L1L(2)R uun RR 4. 互感式传感器的应用举例互感式传感器的应用举例3.2 互感式传感器及其应用互感式传感器及其应用 互感式传感器可以直接用互感式传感器可以直接用于于位移位移测量，也可以测量测量，也可以测量与与位移有关位移有关的任何机械量，如的任何机械量

18、，如振动、加速度、应变、比重、振动、加速度、应变、比重、张力和厚度等。张力和厚度等。液位测量工作原理图液位测量工作原理图3.3 涡流式传感器及其应用涡流式传感器及其应用 根据法拉第电磁感应原理，块状根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈涡旋状的感应电流，称为电涡流，生呈涡旋状的感应电流，称为电涡流，该现象称为该现象称为电涡流效应电涡流效应。 根据根据电涡流效应电涡流效应制成的传感器称制成的传感器称为电涡流式传感器。按照电涡流在导为电涡流式传感器。按照电涡流在导体内的贯穿情况

19、，电涡流式传感器可体内的贯穿情况，电涡流式传感器可分为分为高频反射式和低频透射式高频反射式和低频透射式两类。两类。 1. 涡流式传感器的工作原理涡流式传感器的工作原理 电涡流式传感器最大特点是能对位移、厚度、表面温度、速度、电涡流式传感器最大特点是能对位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等进行非接触式连续测量。应力、材料损伤等进行非接触式连续测量。3.3 涡流式传感器及其应用涡流式传感器及其应用 若把导体等效成一个短路线圈，若把导体等效成一个短路线圈，则有等效电路如下图所示：则有等效电路如下图所示：111121122220R Ij L Ij M IUj M IR Ij L I 22221

20、1212epep222222221()()UMMZRRjLLRj LRLRLI 求解得传感器线圈受电涡流影响求解得传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗时的等效阻抗 Z 为：为：线圈的等效品质因数线圈的等效品质因数Q值为：值为：epepLQR 2. 电涡流式传感器的特性电涡流式传感器的特性3.3 涡流式传感器及其应用涡流式传感器及其应用（1）电涡流的径向形成范围）电涡流的径向形成范围 线圈线圈导体系统产生的电涡流密度既是导体系统产生的电涡流密度既是线圈与导体间距离线圈与导体间距离 x 的函数，又是沿线圈半的函数，又是沿线圈半径径方向方向 r 的函数的函数。当当 x 一定时，一定时，有：有： 1)

21、电涡流径向形成的范围大约在传感器线圈电涡流径向形成的范围大约在传感器线圈外径外径 ras的的1.8 2.5倍范围内，且分布不均匀。倍范围内，且分布不均匀。 2) 电涡流密度在短路环半径电涡流密度在短路环半径 r = 0 处为零。处为零。 3) 电涡流的最大值在电涡流的最大值在r =ras 附近的一个狭窄附近的一个狭窄区域内。区域内。 4）可以用一个平均半径为）可以用一个平均半径为ras的短路环来集的短路环来集中表示分散的电涡流中表示分散的电涡流(图中阴影部分图中阴影部分)。iaas2rrr图图3-25 电涡流密度电涡流密度J与半与半径径r的关系曲线的关系曲线 2. 电涡流式传感器的特性电涡流式

22、传感器的特性3.3 涡流式传感器及其应用涡流式传感器及其应用（2）电涡流强度与距离的关系）电涡流强度与距离的关系当当 x 改变时，电涡流密度发生变化，即电改变时，电涡流密度发生变化，即电涡流强度随距离涡流强度随距离x 的变化而变化。根据线的变化而变化。根据线圈圈导体系统的电磁作用，可以得到金属导体系统的电磁作用，可以得到金属导体表面的电涡流强度为导体表面的电涡流强度为2122as1xIIxrI1-为线圈激励电流；为线圈激励电流；I2 -为金属导体中等效电流；为金属导体中等效电流；x -为线圈到金属导体表面距离；为线圈到金属导体表面距离；ras-为线圈外径。为线圈外径。图图3-26 电涡流强度与

23、距离电涡流强度与距离归一化曲线归一化曲线 2. 电涡流式传感器的特性电涡流式传感器的特性3.3 涡流式传感器及其应用涡流式传感器及其应用图图3-26 电涡流强度与距离电涡流强度与距离归一化曲线归一化曲线 分析：分析：1) 电涡强度与距离电涡强度与距离 x 呈非线性关系，呈非线性关系，且随着且随着x/ras 的增加而迅速减小。的增加而迅速减小。 2) 当利用电涡流式传感器测量位移时，当利用电涡流式传感器测量位移时，只有在只有在x/ras1 (一般取一般取0.050.15) 的范的范围，才能得到较好的线性度和较高的围，才能得到较好的线性度和较高的灵敏度。灵敏度。（2）电涡流强度与距离的关系）电涡流强度与距离的关系 2. 电涡流式传