每章重点、难点剖析CH4电感式传感器.doc

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1、第4章　电感式传感器（知识点）知识点1　电感式传感器的概念电感式传感器是建立在电磁感应基础上的，电感式传感器可以把输入的物理量（如位移、振动、压力、流量、比重）转换为线圈的自感系数或互感系数的变化，并通过测量电路将或的变化转换为电压或电流的变化，从而将非电量转换成电信号输出，实现对非电量的测量。知识点2　变磁阻电感式传感器的工作原理变磁阻电感式传感器的结构如图4.1所示。它由线圈、铁心、衔铁三部分组成。在铁心和衔铁间有气隙，气隙厚度为，当衔铁移动时气隙厚度发生变化，引起磁路中磁阻变化，从而导致线圈的电感值变化。通过测量电感量的变化就能确定衔

2、铁位移量的大小和方向。图4.1变磁阻电感式传感器的结构线圈中电感量近似为：　　（4.7）式(4.7)表明：当线圈匝数为常数时，电感只是磁阻的函数。只要改变或均可改变磁阻并最终导致电感变化，因此变磁阻电感式传感器可分为变气隙厚度和变气隙面积两种情形，前者使用最为广泛。由式（4.7）可知，电感与气隙厚度间是非线性关系。设变磁阻电感式传感器的初始气隙厚度为，初始电感量为，则有：　　（4.8）（1）当衔铁上移时传感器气隙厚度相应减小，即，则此时输出电感为：　　（4.10）当时，可将式（4.10）用泰勒（Tylor）级数展开得到：　（4.13）（2）

3、当衔铁下移时按照前面同样的分析方法，此时，，可推得：　（4.15）对式（4.13）、式（4.15）作线性处理并忽略高次项，可得：　（4.16）灵敏度定义为单位气隙厚度变化引起的电感量相对变化，即：　（4.17）将式（4.16）代入可得：　（4.18）由式（4.18）可见，灵敏度的大小取决于气隙的初始厚度，是一个定值。但这是在做线性化处理后所得出的近似结果，实际上，变磁阻电感式传感器的灵敏度取决于传感器工作时气隙的当前厚度。变磁阻电感式传感器主要用于测量微小位移，为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变气隙厚度电感式传感器。图4.3　差动

4、变气隙厚度电感式传感器的结构差动变气隙厚度电感式传感器的结构如图4.3所示。它由两个相同的电感线圈和磁路组成。测量时，衔铁与被测物体相连，当被测物体上下移动时，带动衔铁以相同的位移上下移动，两个磁回路的磁阻发生大小相等、方向相反的变化，一个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减小，形成差动结构。将两个电感线圈接入交流电桥的相邻桥臂，另两个桥臂由电阻组成，电桥的输出电压与电感变化量有关。当衔铁上移时有：(4.27)对上式进行线性处理并忽略高次项（非线性项）可得：　（4.28）灵敏度为：　（4.29）比较单线圈和差动两种变气隙厚度电感式传感器的

5、特性可知：1）差动式比单线圈式的灵敏度提高一倍；2）差动式结构的线性度得到明显改善。知识点3　测量电路电感式传感器的测量电路有交流电桥、变压器式交流电桥和谐振式测量电路。（1）交流电桥图4.4　交流电桥交流电桥测量电路如图4.4所示。把传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂和，另外两个相邻的桥臂选用纯电阻。当衔铁上移时，对于高值的差动电感式传感器，此时电桥的输出电压为：　　（4.37）由此可见，电桥输出电压与气隙厚度的变化量成正比关系。当衔铁下移时，、的变化方向相反，类似地，可推得。（2）变压器式交流电桥图4.5　变压器式交流电桥变压器式交流电

6、桥测量电路如图4.5所示，本质上与交流电桥的分析方法完全一致。当传感器的衔铁位于中间位置时，即，此时，输出电压为0，电桥处于平衡状态。当传感器衔铁上移时，设，，在高情况下有：　　（4.38）当传感器衔铁下移时，则，，此时：　　　　　（4.39）将式（4.28）代入，可得到与交流电桥完全一致的结果。由此可见：衔铁上、下移动时，输出电压相位相反，大小随衔铁的位移而变化。因输出是交流电压，输出指示无法判断位移方向，解决办法：是采用适当的处理电路（如相敏检波电路）。（3）谐振式测量电路谐振式测量电路有谐振式调幅电路和谐振式调频电路两种。图4.6　谐

7、振式调幅测量电路谐振式调幅电路如图4.6所示，代表电感式传感器的电感，它与电容和变压器的原边串联在一起，接入交流电源，变压器副边将有电压输出，输出电压的频率与电源频率相同，但其幅值却随着传感器的电感的变化而变化，如图4.6（b）所示。图中为谐振点的电感值。此电路的灵敏度很高（变化曲线陡峭），但线性差，适用于线性要求不高的场合。图4.7　谐振式调频测量电路谐振式调频电路如图4.7所示，传感器的电感的变化将引起输出电压的频率发生变化，如图4.7（b）所示，与也呈明显的非线性关系。这是因为传感器电感与电容接入一个振荡回路中，其振荡频率取决于：　　

8、　（4.40）当变化时，振荡频率随之变化，根据频率的大小即可确定被测量的值。知识点4　变磁阻电感式传感器的应用变气隙厚度电感式压力传感器由线圈、铁心、衔铁、膜盒组成，衔铁与膜盒上