电感式传感器

电感式传感器1第1页，共88页，2023年，2月20日，星期一第四章电感式传感器2本章课时：4学时主要内容：变磁阻式/互感式/电涡流式传感器的结构、工作原理、重点：三种传感器的结构、工作原理、输出特性、测量电路难点：差动变气隙式/互感式/电涡流式传感器的测量电路掌握：三种传感器的结构、工作原理、测量电路、等效电路了解：电感式传感器的应用、输出特性等效电路、测量电路等第2页，共88页，2023年，2月20日，星期一第四章电感式传感器§4.1变磁阻式传感器§4.2互感式传感器§4.3电涡流式传感器§4.4电感式传感器应用3第3页，共88页，2023年，2月20日，星期一

电感式传感器是利用线圈自感（self-inductanceofcoils）

或互感（mutualinductanceofcoils）的改变来实现测量的一种装置。

电感式传感器的核心部分是可变的自感或互感，在将被测量转换成线圈自感或互感的变化时，一般要利用磁场作为媒介或利用铁磁体的某些现象。概述4第4页，共88页，2023年，2月20日，星期一优点：不足：存在交流零位信号，不宜于高频动态测量。③重复性好，线性度优良;①结构简单、可靠，测量力小；②分辨力高；概述④性能稳定、重复性好。5第5页，共88页，2023年，2月20日，星期一电感式传感器自感式传感器互感式传感器电涡流式传感器电磁感应被测非电量自感系数L互感系数M测量电路

U、I、f概述6第6页，共88页，2023年，2月20日，星期一§4.1变磁阻式传感器§4.1.1结构和工作原理§4.1.2等效电路§4.1.3差动变隙式电感传感器7第7页，共88页，2023年，2月20日，星期一线圈电感：N-线圈匝数Rm-磁路总磁阻§4.1.1结构和工作原理线圈铁芯衔铁气隙型电感传感器

8第8页，共88页，2023年，2月20日，星期一§4.1.1结构和工作原理线圈铁芯衔铁气隙型电感传感器

总磁阻可以写为：

铁芯磁阻衔铁磁阻

9第9页，共88页，2023年，2月20日，星期一

§4.1.1结构和工作原理⑴当衔铁随外力向上移动△δ时：⑵当衔铁随外力向下移动△δ时：

10第10页，共88页，2023年，2月20日，星期一

§4.1.1结构和工作原理11第11页，共88页，2023年，2月20日，星期一§4.1.1结构和工作原理⑴当衔铁随外力向上移动△δ时：⑵当衔铁随外力向下移动△δ时：

12第12页，共88页，2023年，2月20日，星期一

灵敏度为：

§4.1.1结构和工作原理

13第13页，共88页，2023年，2月20日，星期一等效电路CLRcReZ

§4.1.2等效电路

14第14页，共88页，2023年，2月20日，星期一

L

§4.1.2等效电路

15第15页，共88页，2023年，2月20日，星期一差动式自感传感器1-线圈2-铁芯3-衔铁4-导杆（a）变气隙型31412344（b）螺管型§4.1.3差动式变隙式电感传感器1.结构和工作原理16第16页，共88页，2023年，2月20日，星期一衔铁R1R2L2L1

电感变化量：差动传感器电感的总变化量ΔL=ΔL1+ΔL2，表达式为：2.输出特性17第17页，共88页，2023年，2月20日，星期一灵敏度：

由此可知：①差动式变间隙电感传感器的灵敏度是单线圈式的两倍。

2.输出特性18第18页，共88页，2023年，2月20日，星期一192.输出特性当衔铁移动Δ𝛿时，一个线圈电感增加，另一个线圈电感减小，设𝐿1增加，𝐿2减小，则电感的总变化量为:

图为差动式与单线圈电感传感器非线性特性的比较：第19页，共88页，2023年，2月20日，星期一202.输出特性差动式与单线圈电感式传感器相比，具有下列优点：线性好；灵敏度提高一倍，即衔铁位移相同时，输出信号大一倍；温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度的影响，能相互抵消而减小；电磁吸力对测力变化的影响也由于相互抵消而减小。第20页，共88页，2023年，2月20日，星期一3.测量电路2.输出特性

自感式传感器实现了把被测量的变化转变为电感量的变化。为了测出电感量的变化，同时也为了送入下级电路进行放大和处理。就要用转换电路把电感变化转换成电压(或电流)变化。

把传感器电感接入不同的转换电路后，原则上可将电感变化转换成电压(或电流)的幅值、频率、相位的变化，它们分别称为调幅、调频、调相电路。21第21页，共88页，2023年，2月20日，星期一测量电路2）变压器式交流电桥1）交流电桥式22第22页，共88页，2023年，2月20日，星期一1）交流电桥式电路结构原理如图所示：ZLR1R2Z2Z1RS1RS2USCE

ZLR1R2Z2Z1L1L2RS1RS2USCE23第23页，共88页，2023年，2月20日，星期一ZLR1R2Z2Z1L1L2RS1RS2USCE1）交流电桥式电路结构原理如图所示：

24第24页，共88页，2023年，2月20日，星期一

ZLR1R2Z2Z1L1L2RS1RS2USCE

1）交流电桥式25第25页，共88页，2023年，2月20日，星期一

ZLR1R2Z2Z1L1L2RS1RS2USCE

1）交流电桥式

其输出电压幅值

输出阻抗

26第26页，共88页，2023年，2月20日，星期一

ZLR1R2Z2Z1L1L2RS1RS2USCE

1）交流电桥式27第27页，共88页，2023年，2月20日，星期一1）交流电桥式ZLR1R2Z2Z1L1L2RS1RS2USCE

其输出电压幅值

输出阻抗

28第28页，共88页，2023年，2月20日，星期一ZLR1R2Z2Z1L1L2RS1RS2USCE1）交流电桥式输出电压幅值为：

29第29页，共88页，2023年，2月20日，星期一1）交流电桥式

30第30页，共88页，2023年，2月20日，星期一1）交流电桥式2）变压器式交流电桥Z1Z2IABCD~

求出A，B点的电位：

31第31页，共88页，2023年，2月20日，星期一2）变压器式交流电桥初始位置：

假如，衔铁下移：

Z1Z2IABCD~衔铁上移，同理可求得：

其中输出阻抗为：

32第32页，共88页，2023年，2月20日，星期一2）变压器式交流电桥Z1Z2IABCD~

由上式可知，当衔铁向上、向下移动相同的距离时，产生的输出电压大小相等，但极性相反。

变压器电桥与电阻平衡臂电桥相比，具有元件少，输出阻抗小，桥路开路时电路呈线性的优点33第33页，共88页，2023年，2月20日，星期一§4.2互感式传感器§4.2.1基本结构§4.2.2工作原理§4.2.3等效电路§4.2.4测量电路34第34页，共88页，2023年，2月20日，星期一

互感式传感器是把被测的非电量变化转换成变压器的互感变化§4.2互感式传感器

变压器初级线圈输入交流电压，次级线圈则互感出电势。由于这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，且变压器的次级线圈常接成差动形式，故又称为差动变压器式传感器。35第35页，共88页，2023年，2月20日，星期一§4.2互感式传感器

差动变压器结构形式较多，有变隙式、变面积式和螺线管式等36第36页，共88页，2023年，2月20日，星期一§4.2.1基本结构

螺线管式差动变压器主要由一个初级线圈、两个次级线圈和插入线圈中央的圆柱形铁芯等组成(a)二节式(b)三节式(c)四节式(d)五节式3112121122121231初级线圈；2次级线圈；3衔铁37第37页，共88页，2023年，2月20日，星期一§4.2.2工作原理

螺线管式差动变压器传感器中的两个次级线圈反相串联，并且在忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下，其等线圈连接图如图所示。L1

L21L22

38第38页，共88页，2023年，2月20日，星期一L1

L21L22

§4.2.2工作原理

39第39页，共88页，2023年，2月20日，星期一L1

L21L22

§4.2.2工作原理当铁芯位于线圈向上移动时

当铁芯位于线圈向下移动时：

40第40页，共88页，2023年，2月20日，星期一§4.2.2工作原理

41差动变压器输出电压的特性曲线第41页，共88页，2023年，2月20日，星期一42§4.2.2工作原理减小零点残余电压方法：1尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数和磁路的对称。磁性材料要经过处理，消除内部的残余应力，使其性能均匀稳定；2选用合适的测量电路（如采用相敏整流电路），既可判别衔铁移动方向又可改善输出特性，减小零点残余电压；3采用补偿线路减小零点残余电压。第42页，共88页，2023年，2月20日，星期一§4.2.3等效电路L1R22L21M1M2L22R21R1～～～

43第43页，共88页，2023年，2月20日，星期一当次级开路时，初级线圈的交变电流为：§4.2.3等效电路L1R22L21M1M2L22R21R1～～～

次级线圈感应电势为：

44第44页，共88页，2023年，2月20日，星期一空载输出电压：§4.2.3等效电路L1R22L21M1M2L22R21R1～～～

输出电压有效值为：

45第45页，共88页，2023年，2月20日，星期一§4.2.3等效电路L1R22L21M1M2L22R21R1～～～分三种情况进行分析：1.磁芯处于中间平衡位置时

46第46页，共88页，2023年，2月20日，星期一2.磁芯上升时

§4.2.3等效电路L1R22L21M1M2L22R21R1～～～分三种情况进行分析：47第47页，共88页，2023年，2月20日，星期一§4.2.3等效电路L1R22L21M1M2L22R21R1～～～3.磁芯下降时

分三种情况进行分析：48第48页，共88页，2023年，2月20日，星期一49§4.2.3等效电路输出阻抗为：

复阻抗的模为：

从输出端看进去，差动变压器可等效为电压𝑒2和复阻抗𝑍相串联的电压源，如图所示。第49页，共88页，2023年，2月20日，星期一§4.2.4测量电路差动变压器输出的是交流电压，输出一个调幅波电压表来测量存在下述问题：①总有零位电压输出，因而零位附近的小位移量困难②交流电压表无法判别衔铁移动方向实际测量时，常常采用差动整流电路和相敏检波电路50第50页，共88页，2023年，2月20日，星期一§4.2.4测量电路

这种电路是把差动变压器的两个次级输出电压分别整流，然后将整流的电压或电流的差值作为输出(1)差动整流电路

51第51页，共88页，2023年，2月20日，星期一（a）半波电压输出；（b）半波电流输出；（c）全波电压输出；（d）全波电流输出52第52页，共88页，2023年，2月20日，星期一§4.2.4测量电路(1)差动整流电路

以电压输出型全波差动整流电路为例来说明其工作原理

R2R1abhgcfde++

无论次级线圈的输出瞬时电压极性如何，通过电阻R的电流总是从c到d。53第53页，共88页，2023年，2月20日，星期一§4.2.4测量电路(1)差动整流电路

R2R1abhgcfde++

54第54页，共88页，2023年，2月20日，星期一§4.2.4测量电路铁芯在零位以上铁芯在零位ttUdcUghtU2UdctttUghU2tUdctUghtU2铁芯在零位以下其波形图如下：

(1)差动整流电路

55第55页，共88页，2023年，2月20日，星期一§4.2.4测量电路(1)差动整流电路

(2)相敏检波电路二级管相敏检波电路结构如图所示：

u1u2+R-RD3D2D1D4RRT1T2-+RL56第56页，共88页，2023年，2月20日，星期一

u1u2+R-RD3D2D1D4RRT1T2-+RL57第57页，共88页，2023年，2月20日，星期一

i4i3u1u2+R-RD3D2D1D4RRT1T2-+RL58第58页，共88页，2023年，2月20日，星期一

i4i3u1u2+R-RD3D2D1D4RRT1T2-+RL59第59页，共88页，2023年，2月20日，星期一i4i3u1u2+R-RD3D2D1D4RRT1T2-+RL

i1i2

60第60页，共88页，2023年，2月20日，星期一

u1u2+R-RD3D2D1D4RRT1T2-+61第61页，共88页，2023年，2月20日，星期一

u1u2+R-RD3D2D1D4RRT1T2-+i4i3

62第62页，共88页，2023年，2月20日，星期一

u1u2+R-RD3D2D1D4RRT1T2-+

i1i263第63页，共88页，2023年，2月20日，星期一

u1u2+R-RD3D2D1D4RRT1T2-+i1i2§4.2.4测量电路

64第64页，共88页，2023年，2月20日，星期一§4.2.4测量电路

65第65页，共88页，2023年，2月20日，星期一66分析可知，衔铁在零位以上移动时，无论参考电压是正半周还是负半周，在负载𝑅𝐿上得到的输出电压始终为正。𝑈1和𝑈2同相时各部分电压与电流的波形如图所示。第66页，共88页，2023年，2月20日，星期一§4.2.4测量电路结

论：

67第67页，共88页，2023年，2月20日，星期一x0UL（a）x0UL（b）§4.2.4测量电路

经过相敏检波电路后，正位移输出正电压，负位移输出负电压。特性曲线由图（a）变成（b），残存电压自动消失。68第68页，共88页，2023年，2月20日，星期一§4.3电涡流式传感器

电感线圈产生的磁力线经过金属导体时，金属导体就会产生感应电流，该电流的流线呈闭合曲线。激励线圈金属导体69第69页，共88页，2023年，2月20日，星期一§4.3电涡流式传感器

涡流式传感器最大的特点就是能够对位移、厚度、表面温度、电解质浓度、速度、应力、材料损伤等进行非接触式连续测量，另外还具有体积小，灵敏度高，频率响应很宽等特性,所以应用极其广泛。§4.3.1基本原理§4.3.2等效电路§4.3.3测量电路70第70页，共88页，2023年，2月20日，星期一§4.3.1基本原理

71第71页，共88页，2023年，2月20日，星期一

§4.3.1基本原理

72第72页，共88页，2023年，2月20日，星期一§4.3.2等效电路MR1L2L1R2

根据基尔霍夫第二定律，可列出如下方程：

解析方程式得到：

73第73页，共88页，2023年，2月20日，星期一MR1L2L1R2

74第74页，共88页，2023年，2月20日，星期一§4.3.2等效电路

75第75页，共88页，2023年，2月20日，星期一§4.3.3测量电路

76第76页，共88页，2023年，2月20日，星期一频率计

电压表振荡器

§4.3.3测量电路1.调频式电路77第77页，共88页，2023年，2月20日，星期一§4.3.3测量电路1.调频式电路

振荡频率为

78第78页，共88页，2023年，2月20日，星期一§4.3.3测量电路1.调频式电路2.调幅式电路

晶体振荡器LC输出放大检波滤波R

79第79页，共88页，2023年，2月20日，星期一80𝐿𝐶并联回路谐振频率的偏移如图

所示。当