传感器与检测技术电感式传感器

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1、第3章电感式传感器3.1自感式传感器3.2变压器式传感器3.3涡流式传感器3.4压磁式传感器3.5感应同步器本章要点下页返回电感式传感器是利用线圈自感或互感的变化来实现测量的一种装置。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。图库3.1自感式传感器3.1.1自感式传感器的工作原理3.1.2灵敏度与非线性3.1.3等效电路3.1.4转换电路3.1.5零点残余电压3.1.6自感式传感器的特点及应用下页上页返回图库

2、3.1.1自感式传感器的工作原理电感值与以下几个参数有关：与线圈匝数w平方成正比；与空气隙有效截面积S0成正比；与空气隙长度l0所反比。图3-l自感式传感器原理图图3-2截面型自感式传感器B为动铁芯(通称衔铁)A为固定铁芯图3-3差动自感式传感器下页上页返回图库3.1.1自感式传感器的工作原理下页上页返回图库3.1.1自感式传感器的工作原理下页上页返回图库3.1.1自感式传感器的工作原理下页上页返回图库3.1.2灵敏度与非线性气隙型其灵敏度为：差动式传感器其灵敏度：以上结论在满足Δl/l0＜＜1时成立。从提高灵敏度的角度看，初始空气隙l0距离人应尽量小。其结果是被测量的范围也变小。同时，灵敏度

3、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。这些矛盾在设计传感器时应适当考虑。与截面型自感传感器相比，气隙型的灵敏度较高。但其非线性严重，自由行程小，制造装配困难。因此近年来这种类型的使用逐渐减少。差动式传感器其灵敏度与单极式比较。其灵敏度提高一倍，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从电路角度来看并非纯电感，它既有线圈的铜耗，又有铁芯的涡流及磁滞损耗，这可用折合的有功电阻抗Rq表示。此外，无功阻抗除电感之外还包括绕组间分布电容。这部分电容用集总参数C表示，一个电感线圈的完整等效电路可用图3-4表示。

4、图3-4电感线圈等效电路(3-7)式中Rm---磁路总磁阻；Za---铁芯部分的磁阻抗；Z0--空气隙的磁阻抗。图15-9取样保持原理下页上页返回图库3.1.4转换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。把传感器电感接入不同的转换电路后，原则上可将电感变化转换成电压(或电流)的幅值、频率、相位的变化，它们分别称为调幅、调频、调相电路。下页上页返回图库3.1.4转换电路一、调幅电路调幅电路的一种主要形式是交流电桥。图3-5(a)所示为交流电桥的一般形式。桥臂Zi可以是电阻

5、、电抗或阻抗元件。当空载时，其输出称为开路输出电压，表达式如下。式中U为电源电压。图3-5交流电桥的一般形式及等效电路(a)电阻平衡臂电桥(b)变压器电桥图3-6交流电桥的两种实用形式图3-7谐振式调幅电路下页上页返回图库3.1.4转换电路二、调频电路调频电路的基本原理是传感器电感L变化将引起输出电压频率f的变化。一般是把传感器电感L和一个固定电容C接入一个振荡回路中，如图3-8(a)所示。当L变化时，振荡频率随之变化，根据的f大小即可测出被测量值。当L有了微小变化ΔL后，频率变化Δf为图3-8调频电路下页上页返回图库3.1.4转换电路三、调相电路调相电路的基本原理是传感器电感L变化将引起输出

6、电压相位φ的变化。图3-9(a)所示是一个相位电桥，一臂为传感器L，另一臂为固定电阻R。设计时使电感线圈具有高品质因数。忽略其损耗电阻，则电感线圈与固定电阻上压降UL与UR互相垂直，如图3-9(b)所示。当电感L变化时，输出电压U0的幅值不变，相位角φ随之变化。φ与L的关系为式中ω--电源角频率图3-9调相电路下页上页返回图库3.1.4转换电路在这种情况下，当L有微小变化ΔL后，输出电压相位变化Δφ为下页上页返回图库3.1.5零点残余电压它表现在电桥预平衡时，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特性下页上页返回图库3.1.6自感

7、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灵敏度比较好，目前可测0.1μm的直线位移，输出信号比较大、信噪比较好；②测量范围比较小，适用于测量较小位移；③存在非线性；④消耗功率较大，尤其是单极式电感传感器，这是由于它有较大的电磁吸力的缘故；⑤工艺要求不高，加工容易。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3.2.1工作原理3.2.2等效电路