传感器原理与技术课件：电感式传感器的认识与原理

Understandingandprincipleofinductivesensor同学们，今天我们主要来学习电感式传感器的认识与原理。电感式传感器的认识与原理电感式传感器的认识与原理项目三、力和压力的检测电感式传感器是利用电磁感应把被测的物理量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈的自感系数和互感系数的变化，位移压力流量振动自感系数互感系数电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。自感系数互感系数位移压力流量振动电压或电流的变化量输出电感式传感器具有以下特点:（1）结构简单，传感器无活动触点，因此工作可靠、寿命长。电感式传感器的特点结构简单工作可靠寿命长（2）灵敏度和分辨率高，能测出0.01μm的位移变化。传感器的输出信号强，电压灵敏度一般每毫米的位移可达数百毫伏的输出。电感式传感器的特点灵敏度和分辨率高传感器的输出信号强（3）线性度和重复性都比较好，在一定位移范围(几十微米至数毫米)内，传感器非线性误差可达0.05%~0.1%。电感式传感器的特点线性度和重复性较好一定范围内非线性误差可达0.05%~0.1%同时，这种传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制，它在工业自动控制系统中被广泛采用。电感式传感器的特点能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制但不足的是，它有频率响应较低、不适合快速动态测控等缺点。电感式传感器的缺点频率响应较低不适合快速动态测控接下来，我们来学习一下电感式传感器原理。电感式传感器原理电感式传感器与磁电式传感器都是通过磁阻变化将非电量转化成电量的原理制成的，将其分开是根据改变磁阻方式不同。通过磁阻变化将非电量转化成电量改变磁阻方式不同电感式传感器是利用线圈自感或互感的改变实现能量转变的原理制成的。利用线圈自感或互感的改变实现能量转变电感式传感器具有结构简单、工作可靠、输出功率大、抗干扰能力强、分辨率较高、稳定性好、工作环境要求低等优点，结构简单工作可靠输出功率大抗干扰能力强分辨率较高稳定性好工作环境要求低，但也有其缺点，如频率响应低，不适用于快速动态量的测量。结构简单工作可靠输出功率大抗干扰能力强分辨率较高稳定性好工作环境要求低频率响应低不适用快速动态量测量一般情况下，电感式传感器的分辨力和示值误差与示值范围有关，示值范围大时分辨力和示值精度都将相应降低。电感式传感器的分辨力和示值误差与示值范围有关，示值范围大时分辨力和示值精度都将相应降低。1.自感式传感器自感式传感器的工作原理，如图3-3-2所示。图3-3-2自感式传感器的原理图1—线圈；2—铁心；3—衔铁1.自感式传感器设线圈的匝数为N，通入线圈中的电流为I，每匝线圈产生的磁通为Φ，由电感定义有匝数电流磁通1.自感式传感器NIΦ(3-3-1)图3-3-2自感式传感器的原理图1—线圈；2—铁心；3—衔铁设磁路总磁阻为RM，磁通为匝数电流磁通1.自感式传感器NIΦ(3-3-1)总磁阻RM(3-3-2)图3-3-2自感式传感器的原理图1—线圈；2—铁心；3—衔铁由图3-3-2可知磁路的总磁阻RM是由铁心磁阻Rf和空气隙磁阻组成的，即1.自感式传感器图3-3-2自感式传感器的原理图1—线圈；2—铁心；3—衔铁总磁阻RM=铁心磁阻+空气隙磁阻(3-3-3)因为一般导磁体的磁阻与空气隙的磁阻相比是很小的,计算时可以忽略不计1.自感式传感器一般导磁体的磁阻与空气隙的磁阻相比很小将式(3-3-2)、(3-3-3）代入式(3-3-1)得(3-3-1)(3-3-2)(3-3-3)1.自感式传感器(3-3-4)目前常用的自感式传感器有：变间隙型、变面积型和螺管插铁型三种。变间隙型传感器变面积型传感器螺管插铁型传感器（1）变间隙型电感传感器变间隙型传感器变面积型传感器螺管插铁型传感器变气隙型电感传感器的原理图如图3-3-3所示，其电感可由式(3-3-4)得到。当S、μ为常数时，由式(3-3-4）可知L与δ成反比，如图3-3-3所示。图3-3-3变隙式电压传感器的L--δ特性(3-3-4)当S、μ为常数时L与δ成反比设初始情况下，气隙长度为δ0，电感初值为L0，有图3-3-3变隙式电压传感器的L--δ特性(3-3-5)δ0L0当衔铁随外作用力向上移动Δδ时，气隙减少为δ=δ0-Δδ，则此时的电感量变为，电感的变化量为，电感的相对变化量图3-3-3变隙式电压传感器的L--δ特性(3-3-6)δ0L0δΔ-LΔ+(3-3-7)(3-3-8)当Δδ/δ0＜＜1时，可将上式展开成级数：图3-3-3变隙式电压传感器的L--δ特性(3-3-6)δ0L0δΔ-LΔ+(3-3-7)(3-3-8)当Δδ/δ0＜＜1时(3-3-9)同时，当衔铁随外作用力向下移动时，气隙增大，变为δ=δ0+Δδ。当Δδ/δ0＜＜1时，电感相对变化量展开成级数有图3-3-3变隙式电压传感器的L--δ特性δ0L0δΔ+LΔ-当Δδ/δ0＜＜1时(3-3-10)优缺点：变间隙型传感器的灵敏度最高，但随间隙的增大而降低；但非线性误差大，解决办法是限制量程，一般为间隙的1/5以下，这种传感器的制作装配比较困难。灵敏度最高，但随间隙的增大而降低非线性误差大制作装配比较困难变间隙型传感器（2）变面积型电感传感器变间隙型传感器变面积型传感器螺管插铁型传感器变面积型电感传感器的结构如图3-3-4所示图3-3-4变面积型电感传感器的结构初始磁通截面S=aba：铁心截面长b：铁心截面宽当衔铁随外作用力沿铁心截面长度方向向下移动x时，电感量为当衔铁沿铁心截面长度方向向下移动x时(3-3-11）(3-3-12）常数优缺点：变面积型传感器的灵敏度没变间隙型的小，但理论灵敏度为一常数，因而线性度好、量程较大、使用比较广泛。灵敏度略小线性度好量程较大变面积型传感器使用较广泛（3）螺管插铁型电感传感器变间隙型传感器变面积型传感器螺管插铁型传感器螺旋管型电感传感器的结构如图3-3-5所示。它是在螺旋线圈中放入衔铁形成的。衔铁在外力作用下可以前后运动，使得线圈的电感量发生变化。图3-3-5螺管插铁型电感传感器的结构原理图设线圈内磁场强度是均匀的，螺管线圈全长为l，半径为r，匝数为N，则其电感为图3-3-5螺管插铁型电感传感器的结构原理图..................线圈全长线圈半径线圈匝数lrN(3-3-13)....................................当铁心插入线圈内时，使插入部分的磁阻下降，所以磁感应强度增大，从而使电感值增加，图3-3-5螺管插铁型电感传感器的结构原理图插入部分的磁阻下降磁感应强度增大电感值增加设铁心半径为rc，铁心材料导磁率为μm，铁心插入线圈内长度为lc（lc＜l），那么电感为图3-3-5螺管插铁型电感传感器的结构原理图铁心半径导磁率插入长度rcμmlc(3-3-14)若lc增加Δlc时，电感增加ΔL，有lc增加Δlc电感增加ΔL(3-3-15)(3-3-16)(3-3-17)当线圈参数和衔铁尺寸一定时，电感相对变化量与衔铁插入长度的相对变化量成正比，但由于线圈内磁场强度沿轴向分布并不均匀，因而这种传感器输出特性为非线性。当线圈参数和衔铁尺寸一定时，电感相对变化量与衔铁插入长度的相对变化量成正比，但线圈内磁场强度沿轴向分布并不均匀。输出特性为非线性优缺点：螺管型的灵敏度比变面积型的还低，但它的量程大、线性度较好，制造装配方便，与变面积型相比,批量生产的互换性强，应用也越来越多。灵敏度更小量程大、线性度较好制造装配方便螺管插铁型传感器批量生产的互换性强2.互感式传感器互感式传感器是一种线圈互感随衔铁位移变化的变磁阻式传感器，2.互感式传感器线圈互感随衔铁位移变化的变磁阻式传感器其工作原理类似于变压器，也叫做变压器式传感器。2.互感式传感器=变压器式传感器不同的是，变压器是闭合磁路，而差动变压器为开路；变压器的初、次级间的互感为常数，而差动变压器初、次级间的互感随衔铁移动而变化。闭合磁路互感为常数开放磁路互感随衔铁移动而变化这种传感器多采用差动形式。差动变压器结构形式有变隙式、变面积式和螺线管式等，变隙式差动传感器变面积式差动传感器螺线管式差动传感器如图3-3-6所示。图3-3-6差动变压器式传感器结构示意图图3-3-6（a）是衔铁为圆柱型的螺管式差动传感器，在非电量测量中,应用最多的是螺线管式差动变压器，它可以测量1～100mm的机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点。螺管式差动传感器非电量测量中应用最多可测量1～100mm的机械位移测量精度高灵敏度高结构简单性能可靠图3-3-6（b）衔铁为平板形，灵敏度较高，但测量范围较窄，一般用于测量几微米至几百微米的机械位移。此外，还有衔铁旋转的用来测量几角秒的微小角位移。平板衔铁形差动传感器灵敏度较高测量范围较窄测量几微米至几百微米的机械位移测量几角秒的微小角位移假设闭磁路变隙式差动变压器的结构如图3-3-6(a)所示，在A、B两个铁心上绕有W1a=W1b=W1的两个初级绕组和W2a=W2b=W2两个次级绕组。两个初级绕组的同名端顺向串联,而两个次级绕组的同名端则反相串联。顺向串联反向串联当没有位移时，衔铁C处于初始平衡位置，它与两个铁心的间隙为δao=δb0=δ0，则绕组W1a和W2a间的互感Ma与绕组W1b和W2b的互感Mb相等，致使两个次级绕组的互感电势相等，即e2a=e2b。由于次级绕组反相串联，因此，差动变压器输出电压。衔铁与铁心的间隙：δao=δb0=δ0互感：Ma=Mb次级绕组的互感电势：e2a=e2bU0=e2a-e2b=0当被测体有位移时，与被测体相连的衔铁的位置将发生相应的变化，使δa≠δb，互感Ma≠Mb，两次级绕组的互感电势e2a≠e2b，输出电压，衔铁与铁心的间隙：δa≠δb互感：Ma≠Mb次级绕组的互感电势：e2a≠e2bU0=e2a-e2b≠0即差动变压器有电压输出，此电压的大小与极性反映被测体位移的大小和方向。差动变压器有电压输出电压的大小与极性反映被测体位移的大小和方向当r1a＜＜WL1a，r1b＜＜WL1b时，如果不考虑铁心与衔铁中的磁阻影响，对图3-3-7所示的等效电路进行分析，可得变隙式差动变压器输出电压U0的表达式，即图3-3-7螺线管式差动变压器原理图r1a＜＜wL1ar1b＜＜wL1b不考虑铁心与衔铁中的磁阻影响(3-3-18)当衔铁处于初始平衡位置时，因δa=δb=δc则U=0。图3-3-7螺线管式差动变压器原理图(3-3-18)δa=δb=δcU=0(3-3-19)如果被测体带动衔铁移动，例如向上移动Δδ（假设向上移动为正)时，则有δa=δ0-Δδ，δb=δ0+Δδ，代入上式可得图3-3-7螺线管式差动变压器原理图(3-3-18)δa=δ0-Δδ，δb=δ0+Δδ上式表明:变压器输出电压U。与衔铁位移量Δδ/Δδ0成正比。(3-3-19)图3-3-7螺线管式差动变压器原理图(3-3-18)输出电压U0与衔铁位移量Δδ/Δδ0成正比“-”号的意义：当衔铁向上移动时，Δδ/Δδ0定义为正，变压器输出电压U0与输入电压Ui反相（相位差180°)(3-3-19)图3-3-7螺线管式差动变压器原理图Δδ/Δδ0定义为正输出电压U0与输入电压Ui反相而当衔铁向下移动时,Δδ/Δδ0则为-|

Δδ/Δδ0|，表明U0与Ui同相。(3-3-19)图3-3-7螺线管式差动变压器原理图Δδ/Δδ0定义为负输出电