电感式传感器教学文案

1、电感式传感器电感式传感器 自感自感(z n)(z n)式传感式传感器器 差动式电感传感器差动式电感传感器 电涡流式传感器电涡流式传感器 测量电路测量电路 电感式传感器的应用电感式传感器的应用第一页，共34页。电感式传感器电感式传感器(inductive sensor)v 原理v v 利用电磁感应原理 将被测非电量转换为线圈(xinqun)自感系数v L 或互感系数 M 的变化，再由测量电路转换为电压或电流v 的变化量输出，这种装置称为电感式传感器。v v v 被测非电量被测非电量(dinling)(dinling)电磁电磁感应感应(di(dinc-nc-gnygnyng)ng)自感系数自感系数

2、 L互感系数互感系数 M M测量测量电路电路U、I第二页，共34页。 v 优点(yudin) v v 缺点 结构简单(jindn)可靠 输出功率大 输出阻抗小 抗干扰能力强 对工作环境要求不高 分辨(fnbin)能力好 稳定性好 频率响应低 不宜于快速动态测量第三页，共34页。 v 分类(fn li)v 按原理分：v 按结构分：v 自感(z n)式传感器 差动式传感器 电涡流式传感器 压磁式传感器 感应同步器 气隙式电感(din n)传感器 螺线管式电感(din n)传感器第四页，共34页。 自感自感(z n)式传感器式传感器 利用位移的变化使线圈自感量发生变化来实现测量。 由线圈、铁芯、衔铁

3、三部分(b fen)组成。图5-1 气隙型自感(z n)传感器1 - 线圈2 - 铁芯3 - 衔铁LNIL 线圈的自感量；N 线圈的匝数； 通过每匝线圈的磁通量； I 线圈中的电流；RM 磁路的总磁阻。MNIR 第五页，共34页。 12112202MllRSSS 由于由于(yuy)铁芯、衔铁磁导率铁芯、衔铁磁导率(1，2)远远大于气隙磁导率大于气隙磁导率(0)，因此铁芯、衔铁，因此铁芯、衔铁磁阻远小于气隙磁阻。即磁阻远小于气隙磁阻。即:02MRSl1，l2 铁芯、衔铁铁芯、衔铁(xinti)长度；长度；1，2 铁芯、衔铁铁芯、衔铁(xinti)磁导率；磁导率；S1，S2 铁芯、衔铁铁芯、衔铁(

4、xinti)横截面积；横截面积； 气隙厚度；气隙厚度；0 气隙磁导率；气隙磁导率；S 气隙横截面积。气隙横截面积。11102lSS11102lSS因此因此(ync)(ync)将将RMRM取近似可得：取近似可得：第六页，共34页。 LNIMNIR 02MRS202NSL S 不变，L=f()。变间隙(jin x)型自感传感器； 不变，L=f(S)。变截面型自感传感器； 该变气隙磁导率的螺线管型自感传感器。 变间隙型 变截面(jimin)型 螺线管型 图5-2 三种自感式传感器第七页，共34页。 变间隙变间隙(jin x)型自感传感器输出特性型自感传感器输出特性 当衔铁(xinti)处于初始位置时

5、，初始电感量为： 当衔铁(xinti)上移 时，传感器气隙减小 ，即0 ， 则此时输出电感为：20002NSL2020000000022()2()12NSNSLLLL 第八页，共34页。 当 时， 同理，当衔铁向下(xin xi)移动 时，有：012300000001.1LLLLL 23000001.LL23000001.LL第九页，共34页。 将以上两式作线性处理(chl)，忽略高次项，可得： 灵敏度K 为：00LL00LLK 由此可见，变间隙型电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾，用于测量微小位移时比较(bjio)精确。第十页，共34页。 变截面变截面(jimin)型电感传感器型电感

6、传感器图5-3 变截面(jimin)型电感传感器初始初始(ch sh)电感：电感：20000020000002()(1)2NSLSSSNSSSLLSLLKSS 有较大的线性范围 与变气隙厚度型相比，灵敏度降低。第十一页，共34页。 螺线管电感螺线管电感(din n)传感器传感器 螺线管电感传感器由一空心螺线管和位于螺线管内的圆柱形铁芯组成。 当传感器工作时，铁芯伸入螺线管内的长度(chngd) x 发生变化，从而引起螺线管自感 L 的变化。图5-4 螺线管电感(din n)传感器原理图第十二页，共34页。 22202(1)arcNLr lr xl自感(z n)量 L 与铁芯伸入螺线管累长度 x

7、 的关系： L 与 x 的线性关系是经过若干近似后得出的； 增加线圈(xinqun)匝数 N，增大铁芯直径 rc ，可提高灵敏度； 螺线管型通常比气隙型线性工作范围大。第十三页，共34页。 v 三种自感(z n)传感器的比较v 变间隙(jin x)型传感器线性度差，测量范围小； 变截面型，螺线管型传感器线性度好，测量范围大； 变间隙(jin x)型传感器灵敏度高，变截面型，螺线管型传感器 灵敏度低。第十四页，共34页。 差动电感差动电感(din n)传感器传感器 变间隙(jin x)型 变截面型 螺线管型图5-5 三种(sn zhn)差动式电感传感器第十五页，共34页。 v 变间隙(jin x

8、)型差动电感传感器 由两个简单电感传感器与两个等值电阻构成 一交流电桥； 激励电压 Ue ，输出电压 Ua ； 两电感传感器参数相同，衔铁为二者所共有； 衔铁位于中间位置时，两传感器自感量相等， 交流电桥平衡， Ua = 0； 衔铁偏离中间位置时，两传感器自感量不再 相等，电桥失衡(sh hn)，产生输出电压，输出电压 取决于衔铁的位移。 图5-3 变间隙(jin x)型差动电感传感器第十六页，共34页。 当衔铁处于中间位置时，两个传感器具有相同的初始自感量： 当衔铁从中间位置起向上(xingshng)位移 时,两传感器的自感量分别为： 20002NSL 衔铁(xinti)位于中间位置时 的初

9、始气隙长度 2320010000001.2()1NSLLL2320020000001.2()1NSLLL 第十七页，共34页。 灵敏度 K 为： 结论(jiln)：差动式在灵敏度与线性度方面比单线圈式均有所 提高。 24120000021.LLLLL002LLK 灵敏度是单线圈的 2 倍； 非线性项中比单线圈少了奇次项，因此(ync)线性度也提高了。 第十八页，共34页。 电涡流电涡流(wli)式电感传感器式电感传感器 根据法拉第电磁感应定律，金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生(chnshng)感应电流，称之为电涡流或涡流。这种现象称为电涡流效应。 电涡流式传感器就是在这种涡流效应的基

10、础上建立起来的。 可以测量位移、厚度、加速度等物理量，其本身不与被测对象接触。 在一些生理测量中，这种传感器具有独特的优点： 被测对象可以脱离电源 传感器对被测对象不产生(chnshng)附加阻力第十九页，共34页。 图5-6 电涡流(wli)式传感器原理图 传感器线圈中通以正弦交变电流 高频 I 1 时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场H 1 ，使置于此磁场中的金属导体中感应电涡流I 2 ，I 2 又产生新的交变磁场H 2 。根据愣次定律， H 2 的作用(zuyng)将反抗原磁场H 1 ，由于磁场H 2 的作用(zuyng)，涡流要消耗一部分能量，导致传感器线圈的电感量发生变化。第二十页，

11、共34页。 图5-7 电涡流(wli)式传感器等效电路图222212122222222222UMMZRRjLLIRLRL ( , , ,)Zfx 第二十一页，共34页。 线圈阻抗随金属导体的电阻率 、磁导率 、线圈激励电流的角频率 以及线圈与金属导体的距离(jl) x 等参数变化。( , , ,)Zfx 如果保持上式中其它参数不变，而只改变(gibin)其中一个参数， 传感器线圈阻抗 Z 就仅仅是这个参数的单值函数.通过与传感器配用的测量电路测出阻抗 Z 的变化量，即可实现对该参数的测量。测量方法：第二十二页，共34页。 测量测量(cling)电路电路 电感(din n)传感器实现了把被测量的

12、变化转变为电感(din n)量的变化，为了测出电感(din n)量的变化，就要用测量电路把电感(din n)量的变化转化成电压（或电流）的变化。 把传感器电感(din n)接入不同的转换电路后，原则上可将电感(din n)变化转换成电压(或电流)的幅值、频率、相位的变化，它们分别称为调幅、调频、调相电路。第二十三页，共34页。 v 电感传感器等效电路v 电感传感器的线圈并非纯电阻，有功分量包括：线圈线v绕电阻、涡流损耗(snho)电阻和磁滞损耗(snho)电阻，这些都可以折合成v为有功电阻，其总电阻值用 R 来表示；无功分量包括：线圈v的自感 L ,线圈间分布电容。图5-8 电感(din n)

13、传感器等效电路等效(dn xio)线圈阻抗：近似处理得：ZRj L第二十四页，共34页。 调幅调幅(dio f)电路电路交流电桥式测量(cling)电路图5-9 交流电桥测量(cling)电路 把传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂 Z1、Z2， 另外两个桥臂用纯电阻 R 代替； Z 是衔铁在中间位置时单个线圈的阻抗， Z1、 Z2 分别是衔铁偏移中心位置时两线圈阻抗的变化量。 当衔铁上移时， Z1 = Z + Z1，Z2 = Z - Z2 当衔铁下移时， Z1 = Z - Z1，Z2 = Z + Z2第二十五页，共34页。 在 的情况(qngkung)下：LR差动式传感器：02LL00UU 同

14、理，当衔铁(xinti)下移时：00UU 当衔铁(xinti)上移时：第二十六页，共34页。 v 变压器式交流电桥变压器式交流电桥图5-9 变压器式交流电桥 电桥两臂 Z1、Z2 为传感器线圈阻抗，另外(ln wi)两桥臂为交流变压器次级线圈的1/2 阻抗。当负载阻抗为无穷大时，桥路输出电压： 当传感器的衔铁处于(chy)中间位置，即 Z1 = Z2 = Z，此时有 ，电桥平衡。00U 第二十七页，共34页。 当传感器衔铁(xinti)上移：如 Z1 = Z + Z，Z2 = Z - Z当传感器衔铁(xinti)下移：如 Z1 = Z - Z，Z2 = Z + Z可知：衔铁(xinti)上下移

15、动相同距离时，输出电压相位相反，大小随衔铁(xinti)的位移而变化。由于 是交流电压， 输出指示无法判断位移方向，必须配合相敏检波电路来解决。21021222ZZUZ UL UUZZZL 21021222ZZUZ UL UUZZZL第二十八页，共34页。 调频调频(dio pn)电路电路 图5-10 调频(dio pn)电路 基本原理是传感器电感(din n) L 变化将引起输出电 压频率 f 的变化。 通常把传感器电感(din n) L 和电容 C 接入一个振荡 回路中，当 L 变化时， f 随之变化，根据 f 的大小可测出被测量的值。第二十九页，共34页。 调相电路调相电路(dinl) 图5-10 调相电路(dinl) 调相电路的基本原理是传感器电感 L 变化将引起输出电压(diny)相位 的变化。第三十页，共34页。 电感式传感器的应用电感式传感器的应用(yngyng) 自感式传感器和差动式传感器主要用于位移测量，凡是能转换成位移变化的参数，如力、压力、压差、加速度、振动、应变、转矩、流量、比重、工件(gngjin)尺寸等均可测量。电感式压力(yl)传感器第三十一页，共34页。 v 电涡流(wli)传感器的应用电感式