电感传感器课件

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电感式传感器是基于电磁感应原理工作的。它将被测参数的变化转换为线圈的自感系数L或互感系数M的变化。图库可以用来测量位移、振动、压力、流量、重量、力矩、应变等多种物理量。电感式传感器的核心部分是可变自感或可变互感，在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。这类传感器的主要特征是具有线圈绕组。3.1.1自感式传感器的工作原理

这类传感器是将被测位移转换为线圈自感系数的变化，常见的结构有变气隙式和变截面积式（属于可变磁阻式）。图3-l变气隙式传感器结构原理图线圈的电感值L可按下式计算：——线圈匝数——磁路总磁阻如果气隙厚度较小，且不考虑磁路的铁损，则总磁阻可表示为3.1.1自感式传感器的工作原理通常导磁体的磁阻与气隙的磁阻相比很小，计算时可以忽略。因此线圈的电感值可以表示为下页上页返回图库图3-2变截面积型自感式传感器图3-3差动自感式传感器从上式可知，此时电感L与气隙成非线性，改善非线性可以采用差动结构或者缩小测量范围的方法，因此变气隙型适合小位移（0.001－1mm）的检测。3.1.1自感式传感器的工作原理下页上页返回图库Flash动画演示:气隙型自感式传感器的工作原理截面型自感式传感器的工作原理（a)截面型自感式传感器的工作原理(b)差分结构自感式传感器的工作原理3.1.2灵敏度与非线性

根据定义来分析灵敏度、线性度（非线性误差）：从提高灵敏度的角度看，初始空气隙l0距离应尽量小。其结果是被测量的范围也变小。同时，灵敏度的非线性也将增加。如采用增大空气隙等效截面积和增加线圈匝数的方法来提高灵敏度，则必将增大传感器的几何尺寸和重量。

差动结构的灵敏度、非线性误差分析：由此可见差动式传感器其灵敏度与单极式比较提高一倍，非线性大大减小。下页上页返回图库3.1.3等效电路

自感式传感器常采用铁磁体作为铁心，所以传感器的线圈从电路角度来看并非纯电感，它既有线圈的铜损，又有铁芯的涡流及磁滞损耗，一个电感线圈的完整等效电路可用图3-4表示。图3-4电感线圈等效电路

式中Rm---磁路总磁阻；

Zm---铁芯部分的磁阻抗；

Z0--空气隙的磁阻抗。下页上页返回图库3.1.4测量电路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。交流电桥是可变磁阻式电感传感器的主要测量电路。交流电桥的形式很多，下面介绍使用较为普遍的两种电桥：变压器电桥和桥式相敏整流电路。

变压器电桥桥式相敏整流电路下页上页返回图库3.1.5零点残余电压

在电桥预平衡时，无法实现平衡，最后总要存在着某个输出值ΔU0，这称为零点残余电压，如图3一10所示。图3-10U0-l特性它的存在使得传感器输出特性在零点附近的范围内不灵敏，限制了分辨力的提高。其值太大，将使传感器线性度变坏，灵敏度下降，甚至会使放大器饱和，堵塞有用信号通过，致使仪器不再反映被测量的变化。因此零点残余电压是衡量传感器性能的主要指标之一。对它进行认真分析，找出减小的方法，是很重要的。下页上页返回图库3.1.5零点残余电压产生的原因：①传感器的等效参数（电气参数和磁路参数）不可能完全相等；②供电电源引入的高次谐波和工频干扰。如何消除？①在设计及制造时，对材质的选择、加工工艺等方面力求保证磁路、线圈、结构等的均匀一致。②在线路中加入补偿措施。3.1.6自感式传感器的特点以及应用

自感式传感器有如下几个特点：

①灵敏度高，最高分辩力达0.1μm（线位移）；

②分辨力与测量范围有关，测量范围大，分辨力低，测量范围小，分辩力高，所以适用于测量较小位移；

③输出信号比较大，在某些情况下可不经过放大直接接二次仪表；

④对激励电源的频率和幅度的稳定度要求较高

⑤传感器本身的频率响应不高，不适于快速动态测量。

图3-11测气体压力的电感传感器图3-12压差传感器下页上页返回图库3.2变压器式传感器

这类传感器是将被测位移转换为传感器的初级线圈与次级线圈之间耦合程度的变化（即互感系数M的变化），由于它利用了变压器的原理，又采用了差动结构，故通常称其为差动变压器式传感器。3.2.1工作原理3.2.2等效电路及其特性3.2.3差动变压器式传感器的测量电路3.2.4零点残余电压的补偿3.2.5变压器式传感器的应用举例下页上页返回图库3.2.1工作原理它实质上是一种变压器，主要由原边绕组、副边绕组和铁心组成。它往往做成差动形式，副边两个绕组进行“差接”（反极性串联）。被测参数转换为互感系数的变化，在其原边绕组施加电压后，由于互感系数变化，副边差接绕组的感应电势将相应地发生变化。差动变压器的结构主要有变气隙式、截面积式和螺管式。螺管式差动变压器的结构和工作原理。下页上页返回图库3.2.1工作原理电气连接图初级线圈P由交流恒压源EP供电后，由电磁感应在次级线圈S1和S2产生感应电势Es1

和Es2，次级线圈端最后的输出电压Es=Es1-Es2；和普通变压器不同的是：初级、次级间耦合磁通路径的铁芯可以移动，从而使M发生变化，即铁芯移动使P和S1以及P和S2间的互感系数M1和M2向相反方向变化，输出电压Es是两个感应电势之差，它的大小可以反映铁芯轴向位移，其相位则取决于铁芯的位移方向。3.2.2等效电路及其特性差动变压器式传感器等效电路特性分析输出特性：灵敏度：差动变压器的灵敏度是指在单位电压激励下，铁心移动单位距离时的输出电压变化量，其单位为mV/mm/V。一般螺管式差动变压器的灵敏度大于5mV/mm/V。下页上页返回图库3.2.2等效电路及其特性提高灵敏度的措施：增大差动变压器的几何尺寸，一般线圈的长度为其直径的1.5－2.0倍较为合适。适当提高激励频率。增大铁芯直径，但不应触及线圈骨架；铁芯采用导磁率高、铁损小、涡流损耗小的材料。在不使初级线圈过热的前提条件下尽量提高激励电压。3.2.3差动变压器式传感器的测量电路

差动变压器的输出为交流电压，如用交流电压表来测量其输出值存在下述问题：①交流电压表只能反映铁心位移的大小，无法判别衔铁的移动方向。②差动变压器的输出存在零点残余电压，因而零位附近的小位移量测量困难。为此常采用必要的测量电路来解决以上问题。最普遍的测量电路是：一、相敏检测（整流）电路二、差动整流电路图3-20差分整流电路电流输出用于连接低阻抗负载例如动圈式电流表电压输出用于连接高阻抗负载例如数字电压表下页上页返回图库3.2.3差动变压器式传感器的测量电路差分整流电路动画演示电路总的输出电压为：usc=u24-u68

图3-21全波整流电压输出电路的输出波形3.2.4零点残余电压的补偿

与电感传感器相似，差分变压器也存在零点残余电压问题。零点残余电压的存在使得传感器的特性曲线不通过原点，并使实际特性不同于理想特性。图3-22补偿零点残余电压的电路下页上页返回图库3.2.5变压器式传感器的应用举例图3-23差动变压器式位移传感器图3-24差动变压器式压力传感器图3-25微压传感器图3-26加速度传感器下页上页返回图库

主要用来测量位移，以及能转换为位移的物理量如振动、加速度、力、压力、厚度等。IWS集成一体化非接触电感位移传感器IWS系列是德国米铱公司推出的一种新型电感位移传感器，用于非接触测量位移、位置或者振动，对被测体无作用力、也无磨损。在IWS传感器里，信号处理是由集成在传感器壳体里的集成电路完成。由此带来的优点是传感器安装电缆长度变化不需要再校准。在15VDC供电时，给用户提供的灵敏度是1V/mm。用于测量动态的极限工作频率为1KHz。

IWS有2个品种：

4mm量程适用于铁磁材料

3mm量程适用于铝以及其它的非铁磁性金属材料。transSENSOR

电感差动变压器位移计

传感器由LVDT传感器和MSC传感器变送器组成:LVDT传感器头transSENSOR

电感差动变压器位移计1,DTA推杆式位移传感器头

测量范围：+/-1/3/5/10/15/25/50mm线性度