传感器原理及其应用 第3章 电感

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1、第3章电感式传感器InductiveSensors传感器原理及应用PrincipleandApplicationofSensors绪论电感式传感器是利用线圈自感（self-inductanceofcoils）或互感（mutualinductanceofcoils）的改变来实现测量的一种装置。可以测量位移、振动、压力、流量、比重等参数。电感式传感器的核心部分是可变的自感或互感，在将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电感绕组。习惯上讲的电感式传感器通常指自感式传感器（变磁

2、阻式reluctancevariationsensors），而互感式传感器由于它利用变压器原理，又往往做成差动式，故称作差动变压器（linearvariabledifferentialtransformers(LVDTs)）此外，利用涡流原理的电涡流式传感器（Eddycurrentsensors）、利用材料压磁效应（Piezo-magneticeffect）的压磁式传感器、利用平面绕组互感原理的感应同步器(Inductosyn)等，亦属电感式传感器特点（1）工作可靠、寿命长；（2）灵敏度高、分辨率高;位移:0.01μm;角度0.1”;输出信

3、号强，电压灵敏度可达数百mV/mm。（3）精度高、线性好;在几十μm到数百mm的位移范围内，输出特性的线性度较好，且比较稳定。非线性误差：0.05%~0.1%；（4）性能稳定、重复性好。不足：存在交流零位信号，不宜于高频动态测量。3.1自感式(变磁阻)传感器3.1.1工作原理1—线圈coil；2—铁芯Magneticcore；3—衔铁Movingcoreself-inductanceofcoilis:式中：N----numberofturnsRM-------reluctanceΔxΔδΔRMΔL因为气隙较小(0.1～1mm)，所以，认为气

4、隙磁场是均匀的，若忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为:铁芯磁导率远大于空气的磁导率，因此铁芯磁阻远较气隙磁阻小线圈自感L为：分类：变气隙厚度δ的电感式传感器；变气隙面积S的电感式传感器；变铁芯磁导率μ的电感式传感器；自感式电感传感器常见的形式1—线圈coil；2—铁芯Magneticcore；3—衔铁Movingcore变气隙式变截面式螺线管式L=f（S）L=f（δ）δLSL=f(δ)为非线性关系。当δ＝0时，L为∞，考虑导磁体的磁阻，当δ＝0时，并不等于∞，而具有一定的数值，在δ较小时其特性曲线如图中虚线所示。如移动衔铁使面积S改变，从而改变L

5、值时,则L＝f(S)的特性曲线为一直线。3.1.2电感计算与输出特性分析1.变气隙式自感传感器如图，传感器初始电感量为：传感器工作时，若衔铁移动使气隙增加Δδ，则电感减小，变化量为ΔL：自感的相对变化量为：一般，，则上式可由泰勒级数展开成级数形式为将上式作线性处理，忽略高次项，可得自感变化与气隙变化成近似线性关系：变气隙式自感传感器的灵敏度为可见，灵敏度K随初始气隙的增大而减小。非线性误差为:非线性误差随的增大而增大采用图示差动变隙式电感传感器，可以减小非线性，提高灵敏度。差动变隙式自感传感器的电感变化量为：差动式电感传感器的电感相对变化量

6、为：当，上式展开成泰勒级数：忽略高次项，可得:差动变隙式自感传感器的灵敏度为非线性误差为①差动式自感传感器的灵敏度比单线圈传感器提高一倍②差动式自感传感器非线性失真小,如当Δδ/δ=10％时,单线圈γ＜10％；而差动式的γ＜1％③采用差动式传感器，还能抵消温度变化、电源波动、外界干扰、电磁吸力等因素对传感器的影响75502505075100L/mHδ/mm10025LD4321ⅠⅡ12341线圈Ⅰ自感特性曲线；2线圈Ⅱ自感特性曲线；3线圈Ⅰ与Ⅱ差动自感特性曲线；4差动电桥输出电压－位移特性曲线δLΔL1ΔL2L0δ0注意！①当气隙δ发生变化

7、时，自感的变化与气隙变化均呈非线性关系，其非线性程度随气隙相对变化Δδ/δ的增大而增加；②气隙减少Δδ所引起的自感变化ΔL1与气隙增加同样Δδ所引起的自感变化ΔL2并不相等，即ΔL1＞ΔL2，其差值随Δlδ/lδ的增加而增大。rx螺管线圈铁芯单线圈螺管型传感器结构图l2.螺管型电感传感器有单线圈和差动式两种结构形式。单线圈螺管型传感器的主要元件为一只螺管线圈一根圆柱形铁芯及磁性套筒。传感器工作时，因铁芯在线圈中伸入长度的变化，引起线圈泄漏路径中磁阻的变化，从而使线圈自感发生变化。螺管线圈1铁芯差动螺管型传感器结构图螺管线圈2磁性套筒主磁通漏

8、磁通x螺管线圈内磁场分布曲线rl1.00.80.60.40.20.20.40.60.81.0H（）INlx（l）螺管式自感传感器根据其磁路结构，磁通主要由两部分组成：磁通沿轴向贯