电感式传感器

1、1.31.3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起线圈自感或互感系数电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化，从而导致线圈电感量改变这一物理现象来实现测量的。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的。因此根据转换原理，电感式传感器可以分为自感式和互感式两因此根据转换原理，电感式传感器可以分为自感式和互感式两大类。大类。 3.1.1自感式电感传感器自感式电感传感器 自感式电感传感器可分为变间隙型、变面积型和螺管型三自感式电感传感器可分为变间隙型、变面积型和螺管型三种类型。种类型。a)气隙型 b)截面型 c)螺管型自感式传感器原理图自感式传感器

2、原理图(xLU I位移、流量、振动）（自感）（ ）原理：原理：结构形式：结构形式：变间隙式、变面积式和螺管式。变间隙式、变面积式和螺管式。2202mNANLRL ，AL=f(A)L=f()电感传感器特性 由公式可以看出，空气隙由公式可以看出，空气隙厚度厚度与线圈自感与线圈自感L是非线性是非线性关系，磁通面积关系，磁通面积A与与L是线性是线性关系，见曲线图。关系，见曲线图。线圈自感量为：线圈自感量为： N：电感线圈的匝数；电感线圈的匝数；0：空气的磁导率；空气的磁导率；：空气隙厚度；空气隙厚度； A：和面积。和面积。一、变间隙型电感传感器一、变间隙型电感传感器 变间隙型电感传感器的结构示意图如图

3、所示。传感器由线变间隙型电感传感器的结构示意图如图所示。传感器由线圈、铁心和衔铁组成。工作时衔铁与被测物体连接，被测物圈、铁心和衔铁组成。工作时衔铁与被测物体连接，被测物体的位移将引起空气隙的长度发生变化。由于气隙磁阻的变体的位移将引起空气隙的长度发生变化。由于气隙磁阻的变化，导致了线圈电感量的变化。化，导致了线圈电感量的变化。线圈线圈铁心铁心衔铁衔铁 由变气隙型电感传感器可知，气由变气隙型电感传感器可知，气隙长度不变，铁心与衔铁之间相对隙长度不变，铁心与衔铁之间相对而言覆盖面积随被测量的变化面改而言覆盖面积随被测量的变化面改变，从而导致线圈的电感量发生变变，从而导致线圈的电感量发生变化，这种

4、形式称之为变面积型电感化，这种形式称之为变面积型电感传感器，其结构示意图见图。传感器，其结构示意图见图。 通过对公式式分析可知，线圈电通过对公式式分析可知，线圈电感量感量L L与气隙厚度是非线性的，但与与气隙厚度是非线性的，但与磁通截面积磁通截面积A A却是成正比，是一种线却是成正比，是一种线性关系。性关系。二、变面积型电感传感器二、变面积型电感传感器 三、螺管型电感式传感器三、螺管型电感式传感器 图为螺管型电感式传感器的结构图。螺管型电感传感器的图为螺管型电感式传感器的结构图。螺管型电感传感器的衔铁随被测对象移动，线圈磁力线路径上的磁阻发生变化，衔铁随被测对象移动，线圈磁力线路径上的磁阻发生

5、变化，线圈电感量也因此而变化。线圈电感量的大小与衔铁插入线线圈电感量也因此而变化。线圈电感量的大小与衔铁插入线圈的深度有关。圈的深度有关。 螺管式电感传感器螺管式电感传感器建立在磁路磁阻随着建立在磁路磁阻随着衔铁插入深度不同而衔铁插入深度不同而变化的基础上。变化的基础上。mxRLL(x) 关系式：关系式： 2021 (1)crrxL xLrl（ ） 通过以上三种形式的电感式传感器的分析通过以上三种形式的电感式传感器的分析, ,可以得出以下可以得出以下几点结论几点结论: : I. 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。 I

6、I. 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,使用比使用比较广泛。较广泛。 III. 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,是使用最广泛的一种电感式传感器。是使用最广泛的一种电感式传感器。四、差动式电感传感器四、差动式电感传感器 在实际使用中在实际使用中, ,常采用两个相同的传感线圈共用一个衔铁常采用两个相同的传感线圈共用一个衔铁, ,构构成差动式电感传感器成差动式电感传感器, ,这样可以提高传感器的灵敏度这样可以提高传感器的灵敏度, ,减小测量减小测量误差。图是变间隙型、变面积

7、型及螺管型三种类型的差动式电误差。图是变间隙型、变面积型及螺管型三种类型的差动式电感传感器。感传感器。 差动式电感传感器的结构要求两个导磁体的几何尺寸及材料差动式电感传感器的结构要求两个导磁体的几何尺寸及材料完全相同，两个线圈的电气参数和几何尺寸完全相同。完全相同，两个线圈的电气参数和几何尺寸完全相同。 差动式结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对温度变化、差动式结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对温度变化、电源频率变化等影响，也可以进行补偿，从而减少了外界影响电源频率变化等影响，也可以进行补偿，从而减少了外界影响造成的误差。造成的误差。 五、测量电路五、测量电路 交流电桥是电感式传感器的主

8、要测量电路交流电桥是电感式传感器的主要测量电路，它的作用是将线，它的作用是将线圈电感的变化转换成电桥电路的电压或电流输出。圈电感的变化转换成电桥电路的电压或电流输出。 前面已提到差动式结构可以提高灵敏度，改善线性，所以交前面已提到差动式结构可以提高灵敏度，改善线性，所以交流电桥也多采用双臂工作形式。通常将传感器作为电桥的两个流电桥也多采用双臂工作形式。通常将传感器作为电桥的两个工作臂，电桥的平衡臂可以是纯电阻，也可以是变压器的二次工作臂，电桥的平衡臂可以是纯电阻，也可以是变压器的二次侧绕组或紧耦合电感线圈。图是交流电桥的几种常用形式。侧绕组或紧耦合电感线圈。图是交流电桥的几种常用形式。 1、电

9、阻平衡臂电桥、电阻平衡臂电桥 电阻平衡臂电桥如图所示。电阻平衡臂电桥如图所示。Z Z1、Z Z2为传感器阻抗。为传感器阻抗。 在电桥平衡时：在电桥平衡时：332244 XXRRRRLLRR；12RRR在进行差动形式测量时：在进行差动形式测量时：静态情况下：静态情况下：工作时：工作时：2 XZZZZZZ，2XXZZRj L当当 时，输出电压可近似为：时，输出电压可近似为： XLR02ULUL 由上式可以看出：交流电桥的输出电压与传感器线圈电感由上式可以看出：交流电桥的输出电压与传感器线圈电感的相对变化量是成正比的。的相对变化量是成正比的。2 2、变压器式电桥变压器式电桥 变压器式电桥如图所示，它

10、的平衡变压器式电桥如图所示，它的平衡臂为变压器的两个二次侧绕组，臂为变压器的两个二次侧绕组，由于由于是双臂工作形式当衔铁下移时，是双臂工作形式当衔铁下移时， Z1=Z-Z，Z2=Z+Z，则有：则有：02UZUZ同理，当衔铁上移时，则有：同理，当衔铁上移时，则有：02UZUZ 可见，输出电压反映了传感器线圈阻抗的变化，由于是交流可见，输出电压反映了传感器线圈阻抗的变化，由于是交流信号，还要经过适当电路处理才能判别衔铁位移的大小及方向。信号，还要经过适当电路处理才能判别衔铁位移的大小及方向。1.3.2互感式传感器（互感式传感器（差动变压器）差动变压器） 一、工作原理分析一、工作原理分析 差动变压器

11、的工作原理类似变压器差动变压器的工作原理类似变压器的作用原理。这种类型的的作用原理。这种类型的传感器主要包括有衔铁、一次绕组和二次绕组等。一、二次绕传感器主要包括有衔铁、一次绕组和二次绕组等。一、二次绕组间的耦合能随衔铁的移动而变化，即绕组间的互感随被测位组间的耦合能随衔铁的移动而变化，即绕组间的互感随被测位移改变而变化。由于在使用时采用两个二次绕组反向串接，以移改变而变化。由于在使用时采用两个二次绕组反向串接，以差动方式输出，所以把这种传感器称为差动变压器式电感传感差动方式输出，所以把这种传感器称为差动变压器式电感传感器，通常简称差动变压器。图为差动变压器的结构示意图。器，通常简称差动变压器

12、。图为差动变压器的结构示意图。 差动变压器工作在理想情况下（忽略涡流损耗、磁滞损耗差动变压器工作在理想情况下（忽略涡流损耗、磁滞损耗和分布电容等影响），它的等效电路如下图所示。图中和分布电容等影响），它的等效电路如下图所示。图中U1为为一次绕组激励电压；一次绕组激励电压；M1、M2分别为一次绕组与两个二次绕分别为一次绕组与两个二次绕组间的互感：组间的互感：L1、R1分别为一次绕组的电感和有效电阻；分别为一次绕组的电感和有效电阻；L21、L22分别为两个二次绕组的电感；分别为两个二次绕组的电感；R21、R22分别为两个分别为两个二次绕组的有交电阻。二次绕组的有交电阻。 对于差动变压器，对于差动变

13、压器，当衔铁处于中间位置时当衔铁处于中间位置时，两个二次绕组，两个二次绕组互相同，因而由一次侧激励引起的感应电动势相同。由于两互相同，因而由一次侧激励引起的感应电动势相同。由于两个二次绕组反向串接，所以个二次绕组反向串接，所以差动输出电动势为零差动输出电动势为零。 当衔铁移向二次绕组当衔铁移向二次绕组L21一边一边，这时互感，这时互感M1大，大，M2小，因小，因而二次绕组而二次绕组L21内感应电动势大于二次绕组内感应电动势大于二次绕组L22内感应电动势，内感应电动势，这这时差动输出电动势不为零时差动输出电动势不为零。在传感器的是量程内，。在传感器的是量程内，衔动移衔动移越大，差动输出电动势就越

14、大越大，差动输出电动势就越大。 同样道理，当衔铁向二次绕组同样道理，当衔铁向二次绕组L22一边移动差动输出电动一边移动差动输出电动势仍不为零，但由于移动方向改变，所以输出电动势反相。势仍不为零，但由于移动方向改变，所以输出电动势反相。因此因此通过差动变压器输出电动势的大小和相位可以知道衔铁通过差动变压器输出电动势的大小和相位可以知道衔铁位移量的大小和方向位移量的大小和方向。 1111UIRj L11212212 ; Uj M IUj M I 由上图可以看出一次绕组的电流：由上图可以看出一次绕组的电流： 二次绕组的感应动势为：二次绕组的感应动势为： 12211211mMNINNR22 22121

15、2mMNIN N RN1、N2分别为初级线圈和次级线圈匝数。分别为初级线圈和次级线圈匝数。1222122111()jMMUUUURj L 由于二次绕组反向串接，所以输出总电动势为：由于二次绕组反向串接，所以输出总电动势为：12212211()()MMUURL其幅其幅值为：值为：二、输出特性二、输出特性 差动变压器的输出特性曲线如图所示差动变压器的输出特性曲线如图所示.图中图中U21、U22分别为两分别为两个二次绕组的输出感应电动势，个二次绕组的输出感应电动势，U2 为差动输出电动势为差动输出电动势X为衔铁为衔铁偏离中心位置的距离。其中偏离中心位置的距离。其中U2的实线为理想的输出特性的实线为理

16、想的输出特性，而，而虚虚线部分为实际的输出特性线部分为实际的输出特性。U0为零点残余电动势，这是由于差为零点残余电动势，这是由于差动变压器制作上的不对称以及铁心位置等因素所赞成的。动变压器制作上的不对称以及铁心位置等因素所赞成的。 零点残余电动势的存在，使得传感器的输出特性在零点附近零点残余电动势的存在，使得传感器的输出特性在零点附近不灵敏，给测量带来误差，此值的大小是衡量差动变压器性能不灵敏，给测量带来误差，此值的大小是衡量差动变压器性能好坏的重要指标。好坏的重要指标。 三、测量电路三、测量电路( (差动整流电路差动整流电路) 根据半导体二级管单向导根据半导体二级管单向导通原理进行解调的。如传感通原理进行解调的。如传感器的一个次级线圈的输出瞬器的一个次级线圈的输出瞬时电压极性，在时电压极性，在f点为点为“”，e点为点