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1、4.1变磁阻式传感器4.2差动变压器式传感器4.3电涡流式传感器第4章电感式传感器返回主目录第4章电感式传感器利用电磁感应原理将被测非电量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈自感量L或互感量M的变化,再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出,这种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,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。这种传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制,在工业自动控制系统中被广泛采用。
2、电感式传感器种类很多,本章主要介绍自感式、互感式和电涡流式三种传感器。4.1变磁阻式传感器一、工作原理变磁阻式传感器的结构如图4-1所示。它由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成,在铁芯和衔铁之间有气隙,气隙厚度为δ,传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时,气隙厚度δ发生改变,引起磁路中磁阻变化,从而导致电感线圈的电感值变化,因此只要能测出这种电感量的变化,就能确定衔铁位移量的大小和方向。根据电感定义,线圈中电感量可由下式确定:L=(4-1）式中:——线圈总磁链;I——通过线圈的电
3、流;w——线圈的匝数;Φ——穿过线圈的磁通。由磁路欧姆定律,得式中:Rm——磁路总磁阻。对于变隙式传感器,因为气隙很小,所以可以认为气隙中的磁场是均匀的。若忽略磁路磁损,则磁路总磁阻为Rm=(4-3)式中:μ1——铁芯材料的导磁率;μ2——衔铁材料的导磁率;L1——磁通通过铁芯的长度;L2——磁通通过衔铁的长度;S1——铁芯的截面积;S2——衔铁的截面积;μ0——空气的导磁率;S0——气隙的截面积;δ——气隙的厚度。通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻,即则式(4-3）可近似为Rm=联立式
4、(4-1）#,式(4-2）及式(4-5）,可得(4-6）上式表明,当线圈匝数为常数时,电感L仅仅是磁路中磁阻Rm的函数,只要改变δ或S0均可导致电感变化,因此变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度δ的传感器和变气隙面积Ｓ0的传感器。使用最广泛的是变气隙厚度δ式电感传感器。二、输出特性设电感传感器初始气隙为δ0,初始电感量为L0,衔铁位移引起的气隙变化量为Δδ,从式(4-6）可知L与δ之间是非线性关系,特性曲线如图(4-2）表示,初始电感量为当衔铁上移Δδ时,传感器气隙减小Δδ,即δ=δ0-Δδ,则此时输出电感为L=L0
5、+ΔL,代入式(4-6）式并整理,得当Δδ/δ01时,可将上式用台劳级数展开成级数形式为L=L0+ΔL=由上式可求得电感增量ΔL和相对增量ΔL/L0的表达式,即当衔铁上移Δδ时,传感器气隙减小Δδ,即δ=δ0-Δδ,则此时输出电感为L=L0+ΔL,代入式(4-6）式并整理,得对式(4-11）、(4-13）作线性处理，忽略高次项,可得灵敏度为(4-15）由此可见,变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾,所以变隙式电感式传感器用于测量微小位移时是比较精确的。为了减小非线性误差,实际测量中广泛采用差动变
6、隙式电感传感器。图4-3所示为差动变隙式电感传感器的原理结构图。由图可知,差动变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,另一个线圈的电感量减小,形成差动形式。当衔铁往上移动Δδ时,两个线圈的电感变化量ΔL1、ΔL2分别由式（4-10）及式（4-12）表示,当差动使用时,两个电感线圈接成交流电桥的相邻桥臂,另两个桥臂由电阻组成,电桥输出电压与ΔL有关
7、,其具体表达式为ΔL=ΔL1+ΔL2对上式进行线性处理，忽略高次项得灵敏度K0为比较单线圈和差动两种变间隙式电感传感器的特性,可以得到如下结论:①差动式比单线圈式的灵敏度高一倍。②差动式的非线性项等于单线圈非线性项乘以（Δδ/δ0）因子,因为（Δδ/δ0）1,所以,差动式的线性度得到明显改善。为了使输出特性能得到有效改善,构成差动的两个变隙式电感传感器在结构尺寸、材料、电气参数等方面均应完全一致。三、测量电路电感式传感器的测量电路有交流电桥式、交流变压器式以及谐振式等几种形式。1.交流电桥式测量电路图4-4所示
8、为交流电桥测量电路,把传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂Z1和Z2,另外二个相邻的桥臂用纯电阻代替,对于高Q值（Q=ωL/R）的差动式电感传感器,其输出电压式中:L0——衔铁在中间位置时单个线圈的电感;ΔL——单线圈电感的变化量。将ΔL=L0（Δδ/δ0）代入式(4
