第4章 电感式传感器.ppt

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1、第四章电感式传感器电感式传感器是利用线圈的自感或互感系数的变化来实现非电量电测的装置。如位移、压力、振动、流量等的测量。电感式传感器可分为自感式、互感式和电涡流式。电磁感应被测非电量自感系数L互感系数M测量电路U、I、f1.自感式传感器工作原理：将被测信息量的变化转换为传感器线圈自感系数的变化，从而达到测量的目的。从结构上可分为变间隙式自感传感器、变面积式自感传感器和螺管式自感传感器三种。在实际应用中，一般将自感式传感器做成差动型，可以改善传感器的特性和性能。图4.1电感传感器a)变间隙型b)变面积型c)螺管型1-线圈2-铁芯3-衔铁

2、4-导杆l234l234l341.1变间隙式自感传感器图4.2变气隙式自感传感器结构δ线圈铁心衔铁⊿δ工作原理：传感器由线圈、铁心和衔铁组成。被测物与衔铁连接，被测量的变化引起空气间隙的厚度发生变化，从而引起线圈电感量值发生变化，通过测量电路测出线圈电感量的变化，就可得出衔铁的位移。图4.2变气隙式自感传感器结构δ线圈铁心衔铁⊿δ由于可得：磁路的总磁阻可表示为：近似计算出线圈的电感量为：可见，当线圈匝数和衔铁材料确定后，电感量L与气隙厚度δ和气隙相对截面积S有关，如果S保持不变，则L为δ的单值函数，构成了变气隙式自感电感传感器。图4.

3、3电感传感器特性Lδ0LmaxLmin如果δ保持不变，则L为S的单值函数，构成了变面积式自感电感传感器。灵敏度为：随气隙的增大而减小。1.2变面积式自感传感器灵敏度为：由于漏感等原因，其线性区范围较小，灵敏度也较低，因此，在工业中应用得不多。δ衔铁铁芯线圈图4.4变面积式自感传感器结构lrx2ra线圈衔铁图4.5螺管型电感传感器1.3螺管式自感传感器传感器工作时，衔铁在线圈中伸入长度的变化将引起螺管线圈电感量的变化。对于长螺管线圈l>>r，当衔铁工作在螺管的中部时，可以认为线圈内磁场强度是均匀的，线圈电感量L与衔铁的插入深度l大致上成

4、正比。这种传感器结构简单，制作容易，灵敏度较低，适用于测量较大的位移量。以上三种传感器的比较：变间隙型灵敏度较高，但非线性误差较大；变面积型灵敏度较小，但线性较好，量程较大；螺管型灵敏度较低，但量程大且结构简单。1.4差动式自感传感器由于线圈中通有交流励磁电流，因而衔铁始终承受电池吸力，会引起振动和附加误差，而且非线性误差较大。外界的干扰、电源电压频率的变化、温度的变化都会使输出产生误差。在实际使用中，常采用两个相同的传感线圈共用一个衔铁，构成差动式自感传感器，两个线圈的电气参数和几何尺寸要求完全相同。这种结构除了可以改善线性、提高灵

5、敏度外，对温度变化、电源频率变化等的影响也可以进行补偿，从而减少了外界影响造成的误差，可以减小测量误差。图4.6差动式电感传感器a)变间隙型b)变面积型c)螺管型1-线圈2-铁芯3-衔铁4-导杆l234l234l34将两个完全相同的单个线圈的自感传感器共用一根活动衔铁就构成了差动式自感传感器。工作原理：差动气隙式电感传感器由两个相同的电感线圈Ⅰ、Ⅱ和磁路组成，测量时，衔铁通过导杆与被测位移量相连，当被测体上下移动时，导杆带动衔铁也以相同的位移上下移动，使两个磁回路中磁阻发生大小相等，方向相反的变化，导致一个线圈的电感量增加，另一个线圈

6、的电感量减小，形成差动形式。差动式自感传感器与单线圈自感式传感器相比，具有下列优点：线性较好，输出曲线较陡；灵敏度提高一倍，即衔铁位移相同时，输出信号大一倍；温度变化、电源波动等外界影响由于可以互相抵消，对传感器精度的影响减小；电磁吸力对测力变化的影响也由于能相互抵消而减小。测量电路的作用是将自感式传感器电感量的变化转换成电压或电流信号，以便进行放大，而后用仪表显示或记录。电感式传感器的测量电路主要是交流电桥。1.5测量转换电路变压器式电桥如图所示，它的平衡臂为变压器的两个二次侧绕组，当负载阻抗无穷大时输出电压为：U．U/2．U/2．

7、U0．Z1Z2图4.8变压器式电桥当衔铁下移时，Z1=Z-△Z，Z2=Z+△Z，则有：同理，当衔铁上移时，有：当衔铁处于中间位置时，L1=L2=L0，Z1=Z2=Z0，此时桥路平衡，输出电压U0=0。输出电压反映了传感器线圈阻抗的变化，由于是交流信号，实际上无法判别输出的相位和位移的方向。1.5.1交流电桥电路图4.9带相敏整流的电桥电路输出电压经相敏检波可以反映出位移的大小和方向。1.5.2相敏整流电路VD4VVD1VD2VD3R1R2U0UZ1Z2当差动式自感电感传感器处于中间位置时，Z1=Z2=Z，输出电压U0为零。当衔铁移动使

8、Z1增加，则Z2减小，当电源U上正下负时，电阻R2上的压降大于R1上的压降。图4.9带相敏整流的电桥电路VD4VVD1VD2VD3R1R2U0UZ1Z2当电源U下正上负时，电阻R1上的压降大于R2上的压降，则电压表有输出