传感器第4版唐文彦第03章节电感式传感器

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1、传感器课程电子教案哈尔滨工业大学光电信息与检测技术研究所lihuipeng@.hit.edu.cn第三章电感式传感器电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化，从而导致线圈电感量改变这一物理现象来实现测量的。因此根据转换原理，电感式传感器可以分为自感式和互感式两大类。电感传感器的主要特征是具有电感绕组。3.1工作原理1.变间隙型结构示意图如右图所示原理分析工作时衔铁与被测物体连接，被测物体的位移将引起空气隙的长度发生变化。由于气隙磁阻的变化，导致了线圈电感量的变化。3.1.1自感式传感器线圈的电感可用下式表示：式中，N为线圈匝数；Rm

2、为磁路总磁阻。对于变间隙式电感传感器，如果忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为式中，l1为铁心磁路长；l2为衔铁磁路长；A为截面积；µ1为铁心磁导率；µ2为衔铁磁导率；µ0为空气磁导率；δ为空气隙厚度。因此有：一般情况下，导磁体的磁阻与空气隙磁阻相比是很小的，因此线圈的电感值可近似地表示为2.变面积型气隙长度不变，铁心与衔铁之间相对而言覆盖面积随被测量的变化面改变，从而导致线圈的电感量发生变化，这种形式称之为变面积型电感传感器，其结构示意图见下图。通过对式的分析可知，线圈电感量L与气隙厚度是非线性的，但与磁通截面积A却是成正比，是一种线性关系。特性曲线参见图

3、4.1.3。3.螺管型如右图所示，线圈中放入圆柱形衔铁，也是一个可变自感。使衔铁上下位移，自感量将相应变化，这就可构成螺管型传感器。通过以上三种形式的电感式传感器的分析,可以得出以下几点结论:1.变间隙型灵敏度较高,但非线性误差较大,且制作装配比较困难。2.变面积型灵敏度较前者小,但线性较好,量程较大,使用比较广泛。3.螺管型灵敏度较低,但量程大且结构简单易于制作和批量生产,是使用最广泛的一种电感式传感器。3.1.2互感式传感器互感式传感器本身是其互感系数可变的变压器，当一次线圈接入激励电压后，二次线圈将产生感应电压输出，互感变化时，输出电压将作相应

4、变化。一般，这种传感器的二次线圈有两个，接线方式又是差动的，故常称之为差动变压器式传感器。这种传感器的工作原理如右图所示。3.2转换电路和传感器灵敏度被测量xL(M)转换电路及信号调节电量传感器◆调幅式转换电路形式：1、交流电桥：（电阻式传感器）电桥平衡条件：Z1Z4=Z2Z31+4=2+3输出电压：输出空载电压：设初始平衡状态（理想情况磁芯在中间位置），Z1=Z2=Z，u0=0，当磁芯偏离中间位置时，Z1=Z+Z，Z2=Z-Z，有：2、变压器电桥：（右图所示）当磁芯反向偏离时，Z1=Z-Z，Z2=Z+Z，有：阻抗Z的变化取决

5、于损耗电阻变化R及感抗变化L两部分。RcReh自感线圈的等效电路如右图所示此时，输出电压可写成下式，Q为品质因数当品质因数很大，R/R可以忽略时：调频电路的基本原理是传感器自感L的变化引起输出电压频率f的变化。一般是把传感器自感L和一个固定电容C接入一个振荡回路中，如右图a所示。图中G表示振荡回路，其振荡频率，当L变化时，振荡频率随之变化，根据f的大小即可算出被测量。图b给出了f与L的特性曲线，它存在严重的非线性。◆调频式转换电路形式：调相电路的基本原理是传感器电感L变化会引起输出电压相位变化，下图a所示是一个相位电桥，一臂为传感器L，一臂为固

6、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二个向量是互相垂直的，如下图b所示。当电感L变化时，输出电压的幅值不变，相位角随之变化。◆调相式转换电路形式：自感传感器的灵敏度是指传感器结构(测头)和转换电路综合在一起的总灵敏度。传感器的灵敏度(单位：mV/（mV）)传感器结构灵敏度kt定义为自感值相对变化与引起这一变化的衔铁位移之比，即(1式)转换电路的灵敏度kc定义为空载输出电压uo与自感相对变化之比，即(2式)由式(1式)和式(2式)可得总灵敏度为3.3零点残余电压衔铁位移x与电桥输出电压Uo有效值的关系

7、曲线，如右图所示。虚线为理想特性曲线，实线为实际特性曲线，在零点总有一个最小的输出电压。一般把这个最小的输出电压称为零点残余电压，并用e0表示。零残电压过大带来的影响：灵敏度下降、非线性误差增大测量有用的信号被淹没，不再反映被测量变化造成放大电路后级饱和，仪器不能正常工作。产生的原因：两电感线圈的等效参数不对称减小零点残余电压方法：1.尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数玫磁路的对称。磁性材料要经过处理，消除内部的残余应力，使其性能均匀稳定。2.选用合适的测量电路，如采用相敏整流电路。既可判别衔铁移动方向双可改善输出特性，减小零点残余电动势。3.采

8、用补偿线路减小零点残余电动势。下图是几种减小零点残余电动势的补偿电路。在差动变压器二次侧串、并联适当数值的电