《传感器元件与实验》课件-2.2

2.2电感传感器南京理工大学紫金学院序言

南京理工大学紫金学院一、单线圈自感传感器南京理工大学紫金学院1单线圈自感传感器单线圈自感传感器1南京理工大学紫金学院(1)工作原理单个线圈气隙型自感传感器工作原理如图所示，图a)所示为变气隙长度型，图b)所示为变气隙截面积型。a)变气隙长b)变气隙截面积根据磁路知识，线圈的自感可按下式计算

式中N——线圈的匝数；Rm——磁路的总磁阻，即铁芯、衔铁和气隙三部分磁路磁阻之和。单线圈自感传感器1南京理工大学紫金学院

实际上由于铁芯一般工作于非饱和状态，此时铁芯的导磁率远远大于空气的导磁率，因而磁路的总磁阻主要由气隙长度决定。即则有显然改变气隙的长度或截面积，都可以引起线圈自感的变化。单线圈自感传感器1南京理工大学紫金学院

单线圈自感传感器1南京理工大学紫金学院2)变气隙截面积型由式(2.24)可知，变气隙截面积S型传感器的自感L与S之间成线性关系，但其灵敏度为此时，灵敏度低。实际上单个线圈的自感传感器虽然结构简单，但工作性能较差，一般很少采用，工程上广泛采用两线圈的自感传感器。二、差动自感传感器南京理工大学紫金学院2差动自感传感器两线圈的变气隙式自感传感器采用两个线圈激磁，工作时两线圈的自感呈反相变化，形成差动输出，因而称之为差动自感传感器。差动自感传感器亦有变气隙长度型和变气隙截面积型两种，图为变气隙长度型差动自感传感器原理图。2差动自感传感器南京理工大学紫金学院2差动自感传感器(1)工作原理1)初态时：若结构对称，且动铁居中，则

2)动铁上移时：则此时

3)动铁下移时：同理可得由以上分析可得，动铁位移时，输出电压的大小和极性将跟随位移的变化而变化。南京理工大学紫金学院2差动自感传感器

南京理工大学紫金学院图2.21差动自感传感器特性曲线

图2.22基本交流测量电桥三、差动自感传感器测量电路南京理工大学紫金学院3差动自感传感器测量电路3差动自感传感器测量电路(1).基本交流测量电桥图2.22所示为差动自感传感器基本交流测量电桥。阻抗Z1和Z2为传感器两线圈的等效阻抗，供桥电源由带中心抽头的变压器次级线圈供给。由图2.22所示电路分析可得南京理工大学紫金学院图2.21差动自感传感器特性曲线

图2.22基本交流测量电桥3差动自感传感器测量电路

南京理工大学紫金学院图2.21差动自感传感器特性曲线

图2.22基本交流测量电桥代入式(2.25)得

3差动自感传感器测量电路(3)动铁下移时：同理可得南京理工大学紫金学院图2.21差动自感传感器特性曲线

图2.22基本交流测量电桥由上述式子分析可知，基本交流测量电桥输出电压的大小可以反映动铁位移的大小，输出电压的极性可以反映动铁位移的方向；但由于交流电表不能指示交流电压的极性，因而实际上无法判断动铁位移的方向。3差动自感传感器测量电路用交流电表测得的基本交流测量电桥输出特性如图所示，图中虚线为理想对称状态下的输出特性，实线为实际输出状态。由于电路结构不完全对称，初态时电桥不完全平衡，因而产生静态零偏压，称之为零点残余电压。南京理工大学紫金学院四、带相敏整流的交流电桥南京理工大学紫金学院4带相敏整流的交流电桥4带相敏整流的交流电桥由于交流电压表不能直接指示电桥输出电压的极J性，即无法确定动铁位移的方向，因而通常在交流测量电桥中引入相敏整流电路，把测量桥的交流输出转换为直流输出，而后用零值居中的直流电压表测量电桥的输出电压，原理电路如图所示。南京理工大学紫金学院图中Z1，Z2为差动线圈等效阻抗，R为平衡电阻，D1~D4组成相敏整流电路，Z1，Z2和两个R组成电桥。Ui为供桥交流电压，Uo为测量电路的输出电压，由零值居中的直流电压表指示输出电压的大小和极性。4带相敏整流的交流电桥(1)初态时：由于动铁居中，即Z1=Z2=Z，由于桥路结构对称，此时UB=UC，即Uo=UB-UC=0。南京理工大学紫金学院

指示表指针右偏，读数为正，表明动铁在下移。4带相敏整流的交流电桥由于带相敏整流的交流测量电桥输出为直流电压，用直流电压表不但可以测量输出电压的大小，而且可以测量输出电压的极性，如图所示为带相敏整流的交流测量电桥的输出特性。由于电压输出特性曲线通过零点，因而不但可以表示输出电压的极性随位移方向而发生变化，同时消除了零点残余电压，还增加了线性度。南京理工大学紫金学院五、紧耦合测量电桥南京理工大学紫金学院5紧耦合测量电桥5紧耦合测量电桥紧耦合测量电桥具有较高的稳定性和灵敏度，因而在工程中常被采用。其原理电路如图所示，Z1和Z2为差动两线圈等效阻抗，两个N为两固定的紧耦合线圈匝数，M为两耦合线圈间的互感。南京理工大学紫金学院

5紧耦合测量电桥如图所示为两紧耦合线圈的T形等效电路，图中南京理工大学紫金学院5紧耦合测量电桥如图所示为紧耦合测量电桥的等效电路。由此等效电路可以分析紧耦合测量电桥的输出电压及其灵敏度。南京理工大学紫金学院六、测量桥输出电压南京理工大学紫金学院6测量桥输出电压6测量桥输出电压

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同理可求得动铁下移时输出电压Uo的表达式为式中负号即表示动铁在向下移。式(2.31)和式(2.32)说明紧耦合轿输出电压可以反映动铁位移的大小和方向。七、测量桥灵敏度南京理工大学紫金学院7测量桥灵敏度7测量桥灵敏度南京理工大学紫金学院

此时，测量桥的灵敏度为当测量桥无耦合时，即耦合系数K=0，此时可推导其输出电压为此时测量桥的灵敏度为

八、差动变压器南京理工大学紫金学院8差动变压器8差动变压器南京理工大学紫金学院

a)结构b)等效电路8差动变压器南京理工大学紫金学院根据电路原理，初级线圈的激磁电流为在动铁和次级线圈中产生的磁通分别为

次级两线圈中的感应电动势分别为

8差动变压器南京理工大学紫金学院由此可得差动变压器空载输出电压其有效值为输出阻抗为其大小为

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此时，适当增加激励频率，也可以提高灵敏度。8差动变压器南京理工大学紫金学院

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