传感器技术及应用 第四章 电感式传感器.ppt

1、第4章感应传感器，4.1自感感应传感器4.2互感感应传感器4.3涡流传感器，4.1自感感应传感器，4.1.1可变间隙传感器1。工作原理可变间隙传感器的结构原理如图4-1(a)所示，主要由线圈、铁芯和电枢组成。铁芯和电枢之间有一个气隙，线圈匝数为n，线圈每匝产生的磁通量为。传感器工作时，电枢与被测物体相连。当被测物体移动时，气隙的厚度发生变化，气隙的磁阻也随之变化，从而导致电感的变化，从而可以确定被测位移。根据电磁感应定律，当电流I通过线圈时，产生磁通量，磁通量的大小与电流成正比，即对于可变间隙感应传感器，如果气隙很小，如果忽略磁路的铁损，根据磁路的欧姆定律，磁路的总磁阻Rm为，下页，返回，4.

2、1自感感应传感器，其中磁化器(磁芯)的长度(m)；铁芯的磁导率(h/m)。s磁芯的磁截面积(m2)，气隙长度(m)；透气性(h/m)；气隙横截面积(m2)；由于磁化器的磁阻与气隙的磁阻相比非常小，在计算中可以忽略不计，4.1自感传感器，因此，自感L可以写成(4-2) 2。可变气隙自感传感器的输出特性当电枢处于初始位置时，初始电感L0代表自感L，当固定值s0不变且发生变化时，L具有非线性(双曲线)关系，如图4-1(b)所示。当电枢下移时，传感器的气隙增大，电感变为L1、上一页、下一页，回到4.1自感传感器，当电感的相对变化相等时，上述方程可以展开为泰勒级数形式(4-3)。类似地，当电枢向上移动时

3、，电感变为L2电感，这也扩展为泰勒级数形式。4.1自感式传感器，(4-4)忽略公式(4-3)或公式(4-4)中二次项以上的高阶项，传感器的灵敏度可以从上述公式看出，可变间隙电感传感器的测量范围与灵敏度和线性度存在矛盾。线圈电感和气隙长度之间的关系是非线性的，并且非线性随着气隙变化的增加而增加。只有当D很小时，忽略高阶项的存在，才能得到近似的线性关系。因此，在单向可变间隙电感传感器中，线性要求和测量范围要求之间存在矛盾。上一页，下一页，背面，4.1自感传感器，电感L和气隙长度之间的关系如图4-1(b)所示。这是一个双曲线，所以非线性是严重的。为了获得一定程度的线性，我们通常采取。为了解决这一矛盾

4、，通常采用差动式可变间隙电感传感器，它要求上下铁芯和线圈的几何尺寸与电气参数完全对称，电枢通过导杆与被测对象连接。当被测物体上下运动时，电枢也远离对称位置上下运动，使一侧的间隙增大，另一侧的间隙减小，两个电路的磁阻在相同的幅度和相反的方向上变化，而一个线圈的电感增大，另一个线圈的电感减小。两个线圈电感的总变化量为，上一页，下一页，返回，4.1自感传感器， 忽略高阶项，它的电感变化是可见的，微分型的灵敏度比单边型几乎增加了一倍，它的非线性误差比单边型小得多。 因此，在实践中经常使用微分结构。差动可变间隙电感传感器的线性工作范围一般取为。4.1.2可变面积电感传感器如果可变间隙电感传感器的气隙长度

5、不变，铁芯和电枢之间的相对覆盖面积将随着测量的变化而变化，从而导致线圈电感的变化。这种形式称为可变面积感应传感器，其结构示意图如图4-2所示。上一页，下一页，返回，4.1自感传感器通过分析，可以看出线圈电感L与气隙厚度是非线性的，但它与磁通量横截面积S成正比，这是一种线性关系。特性曲线如图4-3所示。4.1.3螺旋电感传感器图4-4显示了螺旋电感传感器的示意结构。当可动电枢随被测物体移动时，线圈磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈电感也随之变化。线圈的电感与电枢插入线圈的深度有关。线圈长度为l，线圈平均半径为r，线圈匝数为n，电枢进入线圈长度为la，电枢半径为ra，铁芯有效磁导率为m.实验和理论证

6、明，如果忽略次要因素并满足lr，线圈电感l与电枢进入线圈长度la之间的关系可以表示为：上一页，下一页，返回，4.1自感传感器，那么线圈电感l与电枢进入线圈长度la之间的关系可以表示为(4-6)通过对上述三种电感传感器的分析，可以得出以下结论。可变间隙型灵敏度高，但非线性误差大，自由行程小，制造和装配困难。可变面积型的灵敏度比前者小，但线性较好，测量范围较大，应用广泛。线圈式传感器灵敏度低，测量误差小，但测量范围大，结构简单，易于制造和批量生产，是一种应用越来越广泛的电感传感器。4.1.4差动电感传感器，上一页，下一页，返回，4.1自感式电感传感器，在实际使用中，两个相同的感应线圈往往共用一个电

7、枢，形成差动电感传感器，可以提高传感器的灵敏度，减少测量误差。图4-5显示了三种类型的差动感应传感器：可变间隙型、可变面积型和螺线管型。差动电感传感器的结构要求两个磁化器的几何尺寸和材料相同，两个线圈的电参数和几何尺寸相同。差分结构不仅可以提高线性度和灵敏度，还可以补偿温度变化和工频变化的影响，从而减小外部影响带来的误差。4.1.5电感传感器的测量电路，上一页，下一页，返回，4.1自感式电感传感器，交流电桥是电感传感器的主要测量电路，其功能是将线圈电感的变化转化为电桥电路的电压或电流输出。交流电桥大多用双臂工作。传感器通常用作电桥的两个工作臂，电桥的平衡臂可以是纯电阻、变压器的次级绕组或紧耦合电感。图4-6显示了交流电桥的几种常见形式。1.阻力平衡臂桥阻力平衡臂桥如图4-6(a)所示。Z1和Z2是传感器阻抗