第3章电感式和电容式传感器

第3章

电感式和电容式传感器3.1电感式传感器

电感式传感器应用的理论基础是电磁感应，即利用线圈电感或互感的改变来实现非电量测量。电感式传感器应用：测量位移、压力、流量、质量等。图3-1电感式传感器的测量过程依据电磁感应的原理分类，自感式传感器（变磁阻式）：把被测物理量变化转换为自感系数L的变换。互感式传感器（变压器式）：把被测物理量变化转换为互感系数M的变换。涡流式传感器优点：结构简单可靠、分辨率高、零点漂移小、线性度好、性能稳定、抗冲击等。缺点：灵敏度、线性度和测量范围相互制约，传感器自身频率响应低，不适用于快速动态测量。3.1.1

变磁阻式传感器：

M.Faraday在其提出的电磁感应定律（1831年）指出，当一个线圈中电流i变化时，该电流产生的磁通量Φ也随之变化，因而在线圈绕组产生感应电势e，这种现象称为自感，产生的感应电势称为自感电势。变磁阻式传感器属于自感式传感器。工作原理

变磁阻式传感器由线圈、铁芯和衔铁3部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或其他合金制成，在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为δ。图3-2变磁阻式传感器的结构1—线圈；2—铁芯（定铁芯）；3—衔铁（动铁芯）被测部件与衔铁相连，测物理量时，被测部件位移

衔铁位移

气隙厚度

变化

磁路磁阻变化

线圈电感值L变化

线圈中电感量：根据磁路欧姆定律得

线圈匝数线圈磁通两式联立得：总磁阻

对于磁阻式传感器，因为气隙δ很小，可以认为气隙中的磁场是均匀的。若忽略磁路磁损，则磁路总磁阻为：由于当线圈匝数为常数时，如果S0保持不变，则L为δ的单值函数，构成变气隙δ式传感器；若保持δ不变，使S0随被测量（如位移）变化，则构成变气隙面积式传感器。变气隙δ式传感器变气隙面积式传感器特性分析L与δ是非线性关系。设初始气隙为δ0，则初始电感量L0：变隙式电压传感器的L-δ特性当衔铁上移,

输出电感：当衔铁下移,

输出电感：忽略高次项，灵敏度K：单位气隙变化引起的电感量相对变化。线性化处理后，灵敏度的大小取决于气隙的初始值。实际上，变磁阻式传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾，因此，变气隙电感式传感器适用于测量微小位移。（1）与K当衔铁上移时：当衔铁下移时：（2）与K当衔铁上移时：当衔铁下移时：无论衔铁上移或下移，增加都导致非线性的绝对值增大，线性度变差。因此，变磁阻式传感器主要用于测量微小位移，为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变磁阻式电感传感器。灵敏度K：3.差动变磁阻式传感器图3-4差动变隙式电感传感器1—铁芯；2—线圈；3—衔铁线性处理得

测量时，衔铁与被测物体相连，当被测物体上下移动时，带动衔铁以相同的位移上下移动，两个磁回路的磁阻发生大小相等、方向相反的变化，形成差动对。当衔铁上移时，差动传感器电感的总变化量比较单线圈式和差动式两种电感式传感器的特性可知：①差动式电感传感器的灵敏度是单线圈式的两倍；②差动式的非线性项（忽略高次项）：

,单线圈的非线性项（忽略高次项）：

，差动式的非线性项近似等于单线圈非线性项乘以因子

，由于

≤1，因此差动式的线性度得到明显改善。4．测量电路电感式传感器的测量电路有交流电桥式、变压器式交流电桥及谐振式测量电路等。电桥输出电压：由此得到测量电路的输出由此可见，电桥输出电压与气隙的变化量

成正比。图3-5交流电桥

（1）交流电桥测量电路把差动电感式传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂Z1和Z2，另外两个相邻的桥臂用纯电阻R代替，设（2）变压器式交流电桥电桥两臂Z1、Z2为传感器线圈阻抗，另外两桥臂为交流变压器次级线圈的1/2阻抗。当负载阻抗为无穷大时，桥路输出电压图3-6变压器式交流电桥当衔铁处于中间位置时，此时

，此时输出电压

，电桥处于平衡状态。当衔铁上移或下移时，有

衔铁上下移动相同距离时，输出电压相位相反，大小随衔铁的位移而变化。（3）谐振式测量电路

谐振式测量电路可分为谐振式调幅电路和谐振式调频电路两种。谐振式调幅电路的特点：灵敏度很高，但线性差，适用于线性度要求不高的场合。图3-7谐振式调幅测量电路

谐振式调频测量电路如图3-8（a）所示，传感器的电感L的变化将引起输出电压的频率变化，如图3-8（b）所示。f与

也呈明显的非线性关系。这是因为传感器的电感L与电容C接入振荡回路后，其振荡频率

当L变化时，振荡频率随之变化，根据f的大小即可测出被测量的值。图3-8谐振式调频测量电路5．应用实例

（1）变磁阻式电感压力传感器

变磁阻式电感压力传感器由线圈、铁芯、衔铁、膜盒组成，衔铁与膜盒上部粘贴在一起。其工作原理是：当压力进入膜盒时，膜盒