传感器原理与检测技术第2版教学课件作者钱显毅第4章节电感式传感器

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1、第四章电感式传感器利用电磁感应原理，将被测的机械性的非电量变化转换成线圈电感(或互感)的变化，这种机电转换装置称为电感式传感器。电感式传感器具有结构简单、工作可靠、测量精度高、零点稳定、无需外电源和输出功率较大等一系列优点。其主要缺点是灵敏度、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；对传感器线圈供电电源的频率和振幅稳定度均要求较高。电感式传感器按转换原理的不同可分为自感式(电感式)和互感式(差动变压器式)两大类。4.1电感式传感器的基本原理根据法拉第电磁定律，当穿过闭合电路的磁通量发生变化

2、时，就会产生感应电动势，这种现象称为电磁感应。电与磁之间相互作用、相互转换的物理现象，是人所共知的事实，利用这种现象可以构成各种各样的传感器。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，它的核心是可变自感或可变互感。电感式传感器用于将机械线位移或角位移转换为感应电动势，图4-1即为这种转换的示意图。激励线圈1由交变电源激励，在铁心3中产生交变磁场。假设动铁心处于无穷远处，在线圈2中的感应电动势为零。随着动铁心的移动，气隙逐步减小，在线圈2中的感应电动势也逐步增大，直到两铁心形成完全闭合的磁路时，感应电动

3、势达到最大。由此可见，感应电动势的大小与气隙的大小有着一一对应的关系。4.1电感式传感器的基本原理图4-1原理示意图1—激励线圈2—二次线圈3—铁心可将电感式传感器的能量变化关系，用图4-2来表示。由图可见，传感器的核心是将机械能转换为磁场能的部分。机械变化激励以形成一个磁场信号，被测对象以机械能的方式调制磁场能，而磁场能则通过测量电路（检测线圈）检出，转换为相应的电信号。4.1电感式传感器的基本原理图4-2电感式传感器的能量变换4.1.1电感与基于电磁参量的关系用电感（自感或互感）来描述电磁运算中各种变换的关系是很方

4、便的。（1）电流在线圈中产生的总交链磁通ΨΨ=LI（4-1）式中，L为线圈电感；I—为激励电流。（2）磁场能量（4-2）（3）与磁场的几何形状有关的结构参数或（4-3）式中，N为线圈匝数；RM为与磁场几何形状有关的磁阻。（4）对被测对象的作用力4.1.1电感与基于电磁参量的关系被测对象为克服电阻力所作的功，等于磁场能量的变化，即FΔx=ΔWF=-故在电流不变时的电磁力为FM=-=-（4-4）取负号表示电磁力与外作用力方向相反4.1.1电感与基于电磁参量的关系（5）电流在线圈中产生的自感及互感（M）电动势（4-5）（4-

5、6）4.1.2电感式传感器的分类电感式传感器的核心是一个已知的磁场。因此，以磁路形式和磁场形式作为分类的主要依据是合理的，据此可将电感式传感器分为以下几类：1）具有气隙的电感式传感器。这类传感器利用铁磁体构成集中的磁路，其磁阻主要在气隙中形成。依据改变气隙磁阻的方法，又可分为变气隙型和变截面型。同时，还可以依据是否有独立的检测磁场线圈分为自感型和互感型（变压器型）。4.1.2电感式传感器的分类2）具有螺线管的电感式传感器。这类传感器具有较长的空气磁路，利用铁心改变空气磁路的磁阻。同样，在这类传感器中，也有自感型和互感型

6、之分。3）电涡流传感器。这类传感器没有明确的磁场边界，属于分布参数磁场，利用主磁场和涡流磁场的互感耦合来改变电感。这类传感器可以看作互感型传感器的一种特殊情况。4）利用铁磁体物理性质的传感器。这类传感器的特点是做成完全闭合的磁路，而铁磁体的磁导率随着应力而变化，由此引起磁阻及电感的变化。4.2变气隙型电感式传感器根据法拉第电磁定律和磁路的欧姆定律，当磁路的磁阻和感应电动势发生变化时，就能相应的测量出电压和电流等物理量，据此，可以制造和设计各类电感式传感器，现研究变气隙型电感式传感器。4.2.1简单的变气隙型电感式传感器

7、图4-3所示的结构，对于研究更为复杂的情况是有用的，为了简化分析，做以下假设：1）铁心磁路中的磁滞及涡流损耗不计。2）不考虑集肤效应及边缘效应，认为在铁心中的磁场是均匀分布的。同时，忽略激励线圈的漏磁。3）铁心的相对磁导率远大于空气的相对磁导率。图4-3简单的变气隙型电感式传感器4.2.1简单的变气隙型电感式传感器式中，δ为每段气隙长度；为铁心总长度；A为气隙有效截面面积；μ0为真空磁导率，因为空气的相对磁导率近似为1，所以μ0也为空气磁导率；μr为铁心的相对磁导率。将式（4-7）代入式（4-3）中，可得根据磁路基本知

8、识可知，磁路的总磁阻为铁心及气隙磁阻之和。对于小气隙电感式传感器，有两段空气工作磁阻和两段铁心磁阻。故有4.2.1简单的变气隙型电感式传感器（4-7）4.2.1简单的变气隙型电感式传感器（4-8）由式（4-8）可以看出，L与被测量δ的关系和变气隙式电容特性十分类似，用此，可以通过选择激励源的方式来线性化。1）当采用频率为ω的恒流源