第4章电感式传感器1[PPT]

1、复习：复习：电磁感应现象：电磁感应现象：当穿过导体回路的磁通量发生变化时，回路中就产生感应电当穿过导体回路的磁通量发生变化时，回路中就产生感应电 动势。动势。自感现象：自感现象：当一线圈中的电流变化时，它所激发的磁场通过线圈自身的磁通当一线圈中的电流变化时，它所激发的磁场通过线圈自身的磁通 量（或磁通匝链数）也在变化，使线圈自身产生感应电动势。这量（或磁通匝链数）也在变化，使线圈自身产生感应电动势。这 种因线圈自身电流变化所引起的感应现象叫做自感现象，所产生种因线圈自身电流变化所引起的感应现象叫做自感现象，所产生 的电动势叫做自感电动势。的电动势叫做自感电动势。比例系数比例系数L称为称为自感系

2、数自感系数，简称自感，它的大小由线圈的几何形状、大小以及，简称自感，它的大小由线圈的几何形状、大小以及匝数所决定，若线圈中有铁磁质，则还与线圈中的电流及介质的性质有关。匝数所决定，若线圈中有铁磁质，则还与线圈中的电流及介质的性质有关。互感现象：互感现象：若有两个线圈时，当线圈若有两个线圈时，当线圈1中的电流变化时，会在它邻近的另一个中的电流变化时，会在它邻近的另一个 线圈中产生感应电动势；同样，线圈线圈中产生感应电动势；同样，线圈2中的电流变化时，也会在线中的电流变化时，也会在线 圈圈1中产生感应电动势。这种现象称为互感现象，所产生的感应电中产生感应电动势。这种现象称为互感现象，所产生的感应电

3、 动势称为互感电动势。动势称为互感电动势。dtdILdtdIM比例系数比例系数M称为称为互感系数，互感系数，简称互感，它的大小由线圈的几何形状、大小、简称互感，它的大小由线圈的几何形状、大小、匝数以及线圈之间的相对位置所决定，若线圈中有铁磁质，则还与线圈中的匝数以及线圈之间的相对位置所决定，若线圈中有铁磁质，则还与线圈中的电流及介质的性质有关。电流及介质的性质有关。LIN 2212112111212212IMNIMN 4.3 4.3 电电 感感 式式 传传 感感 器器 将被测非电量如位移、压力、流量、将被测非电量如位移、压力、流量、 振动等转换成线圈振动等转换成线圈自感自感L或互感或互感M的变

4、化的变化, 再由测量电路转换为电压或电流的变再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出化量输出, 实现由非电量到电量的转换，这种装置称为实现由非电量到电量的转换，这种装置称为电感式电感式传感器。传感器。按转换原理分：按转换原理分：自感式自感式互感式互感式电涡流式电涡流式压磁式压磁式4.3.1 自感式传感器（变磁阻式传感器）自感式传感器（变磁阻式传感器）一、一、工作原理工作原理及结构类型及结构类型 1. 结构：由线圈、铁芯和衔铁结构：由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。在铁芯和衔铁之间三部分组成。在铁芯和衔铁之间有气隙有气隙, 气隙厚度为气隙厚度为。 2.工作原理：被测体与衔铁相工作原理：被测体与衔铁相

5、连，被测体的运动引起衔铁移动连，被测体的运动引起衔铁移动, 气隙厚度气隙厚度发生相应改变发生相应改变, 引起磁引起磁路中磁阻变化路中磁阻变化, 从而导致电感线圈从而导致电感线圈工作过程：工作过程：被测量变化被测量变化磁阻变化磁阻变化自感变化自感变化电压或电流变化电压或电流变化的自感值变化的自感值变化, 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, 就能确定衔就能确定衔铁位移量的大小和方向。铁位移量的大小和方向。 自感式传感器的原理图自感式传感器的原理图 3.3.自感的计算自感的计算mRNL2自感自感磁路总磁阻磁路总磁阻线圈匝数线圈匝数因为气隙较小，可以认为气隙磁场是均匀的，忽

6、略磁路损耗，则因为气隙较小，可以认为气隙磁场是均匀的，忽略磁路损耗，则AAlAlRm02221112式中式中: 1铁芯材料的磁导率铁芯材料的磁导率; 2衔铁材料的磁导率衔铁材料的磁导率; 0空气的磁导率空气的磁导率; l1铁芯的长度铁芯的长度; l2衔铁的长度衔铁的长度; 空气隙的长度空气隙的长度; A1铁芯的截面积铁芯的截面积; A2衔铁的截面积衔铁的截面积; A空气隙的截面积空气隙的截面积 (4 - 1）(4 - 2）由于铁芯和衔铁是由高导磁材料制成的，磁导率数量级在由于铁芯和衔铁是由高导磁材料制成的，磁导率数量级在1 02 1 06以 上 ， 其 磁 导 率 远 大 于 空 气 的 磁

7、导以 上 ， 其 磁 导 率 远 大 于 空 气 的 磁 导率，率， ，所以通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁，所以通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻的磁阻, 即即则式则式(4 - 2）可近似为）可近似为 （43） 将式将式(4 - 3(4 - 3）代入式）代入式(4 - 1(4 - 1）, , 可得：可得： AuRm0211102AulAu22202AulAu2022ANRNLm上式表明上式表明, 当线圈匝数为常数时当线圈匝数为常数时,自感自感L仅仅是磁路中磁阻仅仅是磁路中磁阻Rm的函数的函数,只要改变只要改变或或A均可导致自感均可导致自感L变化变化, 因此自感式传感器又可分为变因此自感式传感器又

8、可分为变气隙厚度气隙厚度的传感器和变气隙面积的传感器和变气隙面积A的传感器。的传感器。)/(10470mHa)变气隙式（闭磁路）变气隙式（闭磁路）b)变面积式（闭磁路）变面积式（闭磁路）c)螺管式（开磁路）螺管式（开磁路）4. 结构类型结构类型 二、二、输出特性输出特性1. 1. 变气隙式自感传感器变气隙式自感传感器(1)(1)单一变气隙式自感传感器单一变气隙式自感传感器 A A不变，不变， 变变 L L与与之间是非线性关系之间是非线性关系 （如图所示）（如图所示） 设电感初始气隙为设电感初始气隙为0 0, , 初始电感量为初始电感量为L L0 0, , 00020202ANRNLm 变气隙式

9、自感传感器的自感变气隙式自感传感器的自感气隙长度特性曲线气隙长度特性曲线2022ANRNLm 当衔铁上移当衔铁上移时时, , 传感器气隙减小传感器气隙减小, , 即即=0 0-, -, 则此时电感为则此时电感为L = LL = L0 0+L, +L, 得得00000201)(2 LANLLL 当当 ，线圈内磁场强度是均匀的，线圈内磁场强度是均匀的，未插入衔铁时，螺线管自感为：未插入衔铁时，螺线管自感为：线圈半径，线圈半径， 线圈长度，线圈长度， 线圈匝数线圈匝数lrNRNLm22020rlNrleerllrNlrNL2220220) 1(当插入衔铁后，电感为：当插入衔铁后，电感为：2220)

10、1(lrNlLSere 结论结论：螺管式传感器具有良好的线性度，测量范围比较大。但：螺管式传感器具有良好的线性度，测量范围比较大。但灵敏度较低（比变面积式还低）。灵敏度较低（比变面积式还低）。提高灵敏度可以采取下列措施：增加提高灵敏度可以采取下列措施：增加N；增加衔铁面积；增加衔铁面积；采用高磁导率的材料。采用高磁导率的材料。衔铁相对磁导率，衔铁相对磁导率，re衔铁半径，衔铁半径，le衔铁插入线圈内的长度衔铁插入线圈内的长度线圈的自感与衔铁插入的深度线圈的自感与衔铁插入的深度le成正比。成正比。reerllrNlrNL2220220) 1(eerllrNL 2220) 1(灵敏度：灵敏度：变气

11、隙型自感传感器灵敏度高，它的主要缺点是非变气隙型自感传感器灵敏度高，它的主要缺点是非线性严重，为了限制非线性误差，测量范围只能较小；线性严重，为了限制非线性误差，测量范围只能较小；它的自由行程小，因为衔铁在运动方向上受铁心限制，它的自由行程小，因为衔铁在运动方向上受铁心限制，制造装配困难。制造装配困难。变面积型和螺管型自感传感器灵敏度较低，优点是变面积型和螺管型自感传感器灵敏度较低，优点是具有较好的线性，因而测量范围可取大些，自由行程可具有较好的线性，因而测量范围可取大些，自由行程可按需要安排，制造装配较方便。按需要安排，制造装配较方便。螺管型与变面积型自感传感器相比，批量生产中的螺管型与变面

12、积型自感传感器相比，批量生产中的互换性好，由于具备上述优点，而灵敏度的问题可在放互换性好，由于具备上述优点，而灵敏度的问题可在放大电路方面加以解决，因此目前螺管型自感传感器的应大电路方面加以解决，因此目前螺管型自感传感器的应用越来越多。用越来越多。三、等效电路三、等效电路图图-3-3 自感传感器的等效电路自感传感器的等效电路L: 线圈电感线圈电感Rc:线圈铜耗电阻线圈铜耗电阻Re:铁心涡流损耗电阻铁心涡流损耗电阻Rh(f):磁滞损耗电阻磁滞损耗电阻C: 线圈的寄生电容线圈的寄生电容等效电路等效电路 图图-3-3 11ej Lj cj L LcLLe211j 2/1eedLdL LLLc 结论：

13、结论： 1、应选择激励频率、应选择激励频率 012ffLc 2、更换连接电缆时，须重新进行校准。、更换连接电缆时，须重新进行校准。 四、四、 自感式传感器的测量电路自感式传感器的测量电路电感式传感器常用交流阻抗电桥和谐振电路实现信号的转换。电感式传感器常用交流阻抗电桥和谐振电路实现信号的转换。1.1.电感电桥电感电桥输出电压输出电压 衔铁偏离中间点时衔铁偏离中间点时( (变气隙为例变气隙为例) ) 初始平衡状态，初始平衡状态，L L1 1= =L L2 2L L0 0212112122ZZZZEEZZZEUo021LjZZ00U 101LL 102LL把差动式自感传感器接入电桥，输出电压与衔铁

14、位移把差动式自感传感器接入电桥，输出电压与衔铁位移成线性关系。成线性关系。2111122220000212121212121ELLLLELLLLELjLjLjLjEZZZZEU2.2.运算放大电路运算放大电路 适用于单一式自感传感器适用于单一式自感传感器 图中图中L0为固定电感，其值等于自感传感器为固定电感，其值等于自感传感器LX的初始值。的初始值。 )1(1000000000iixixxixxxxxiULLULLUULLUUIIILjUILjU)1 ()1 (0000000axULaxLULLUULLUUIIILjUILjUiixixxixxxxxi3.3.调频电路调频电路 调频电路的基本原

15、理是：传感器电感的变化引起输出电压频率调频电路的基本原理是：传感器电感的变化引起输出电压频率f f的变化。一般把传感器电感线圈的变化。一般把传感器电感线圈L L和一个固定电容和一个固定电容C C接入一接入一个振荡电路中，其振荡频率为：个振荡电路中，其振荡频率为：LCf21当当L L变化时，振荡频率随之变化，根据变化时，振荡频率随之变化，根据f f的大小即可测出被测量的大小即可测出被测量的值。的值。f f和和L L的特性曲线具有严重的非线性关系，要求后续电路做适当的特性曲线具有严重的非线性关系，要求后续电路做适当线性化处理。线性化处理。 变气隙式电感测厚仪原理图变气隙式电感测厚仪原理图图示为自感式测厚仪，采用差动结构。当被测