传感器原理及检测技术_第3章_电感式传感器A部分

1、1 第3章 电感式传感器23 电感式传感器 电感式传感器可用来测量位移、压力、流量、振动等非电量，其主要特点是结构简电感式传感器可用来测量位移、压力、流量、振动等非电量，其主要特点是结构简单、工作可靠、灵敏度高；测量精度高、输出功率较大；可实现信息的远距离传输、单、工作可靠、灵敏度高；测量精度高、输出功率较大；可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应用。但其灵敏度、线性度和测记录、显示和控制，在工业自动控制系统中被广泛应用。但其灵敏度、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。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。

2、 电感式传感器是建立在电磁感应的基础上，利用线圈自感或互感来实现非电量的检电感式传感器是建立在电磁感应的基础上，利用线圈自感或互感来实现非电量的检测。测。 主要电感式传感器种类：主要电感式传感器种类： 自感式传感器（利用自感原理）； 差动变压器式传感器（利用互感原理）； 电涡流式传感器（利用涡流原理）； 压磁式传感器。2022-4-2333.1 自感式传感器 参见图参见图3-13-1，自感式传感器由线圈、铁心和衔铁三部分组，自感式传感器由线圈、铁心和衔铁三部分组成。成。 铁心和衔铁由导磁材料制成；铁心和衔铁由导磁材料制成； 自感式传感器是把被测量的变化转换成自感自感式传感器是把被测量的变化转换

3、成自感L L的变化，的变化，通过一定的转换电路转换成电压或电流输出；通过一定的转换电路转换成电压或电流输出； 按磁路几何参数变化形式的不同，自感式传感器可分为按磁路几何参数变化形式的不同，自感式传感器可分为变气隙式、变截面积式和螺线管式三种变气隙式、变截面积式和螺线管式三种4图3-1a，变气隙式传感器3.1 自感式传感器 5图3-1b，变截面积式传感器3.1 自感式传感器 6图3-1c，螺线管式传感器3.1 自感式传感器 7工作原理演示气隙变小，电感变大，电流变小F F8内容3.1.1 3.1.1 基本工作原理基本工作原理 3.1.2 3.1.2 自感式传感器的测量电路自感式传感器的测量电路

4、3.1.3 3.1.3 自感式传感器应用自感式传感器应用93.1.1 基本工作原理 线圈的自感量等于线圈中通入单位电流所产生的磁链数，线圈的自感量等于线圈中通入单位电流所产生的磁链数，即线圈的自感系数即线圈的自感系数 为磁链，为磁链， 为磁通（为磁通（WbWb），），I I 为流过线圈的电流（为流过线圈的电流（A A），），N N 为线圈匝数。根据磁路欧姆定律：为线圈匝数。根据磁路欧姆定律： ， 为磁导率，为磁导率，S S 为磁路截面积，为磁路截面积， 为磁路总长度。为磁路总长度。/LININ/NIS ll002sRm10线圈的电感量 为磁路的磁阻为磁路的磁阻 ( (参考参考P63P63式式3

5、-2)3-2) 变磁阻式传感器 2022SNRNLm11应用前提 只要被测非电量能够引起空气隙长度或等效截面积发生变只要被测非电量能够引起空气隙长度或等效截面积发生变化，线圈的电感量就会随之变化。化，线圈的电感量就会随之变化。 电感式传感器从原理上可分为变气隙长度式和变气隙截面电感式传感器从原理上可分为变气隙长度式和变气隙截面式两种类型，前者常用于测量直线位移，后者常用于测量式两种类型，前者常用于测量直线位移，后者常用于测量角位移。角位移。 12自感式传感器131变气隙式（闭磁路式）自感传感器 由电感式可知，变气隙长度式传感器的线性度差、示值范由电感式可知，变气隙长度式传感器的线性度差、示值范

6、围窄、自由行程小，但在小位移下灵敏度很高，常用于小围窄、自由行程小，但在小位移下灵敏度很高，常用于小位移的测量。位移的测量。 1线圈 2铁芯 3衔铁142螺线管式（开磁路式）自感式传感器 螺线管式自感式传感器常采用差动式。螺线管式自感式传感器常采用差动式。 它是在螺线管中插入圆柱形铁芯而构成的。其磁路是开放的，气隙磁它是在螺线管中插入圆柱形铁芯而构成的。其磁路是开放的，气隙磁路占很长的部分。有限长螺线管内部磁场沿轴线非均匀分布，中间强，路占很长的部分。有限长螺线管内部磁场沿轴线非均匀分布，中间强，两端弱。插入铁芯的长度不宜过短也不宜过长，一般以铁芯与线圈长两端弱。插入铁芯的长度不宜过短也不宜过

7、长，一般以铁芯与线圈长度比为度比为0.50.5、半径比趋于、半径比趋于1 1为宜。铁磁材料的选取决定于供桥电源的频率，为宜。铁磁材料的选取决定于供桥电源的频率，500Hz500Hz以下多用硅钢片，以下多用硅钢片，500Hz500Hz以上多用薄膜合金，更高频率则选用铁以上多用薄膜合金，更高频率则选用铁氧体。从线性度考虑，匝数和铁芯长度有一最佳数值，应通过实验选氧体。从线性度考虑，匝数和铁芯长度有一最佳数值，应通过实验选定。定。 15结构 差动式电感传感器对外界差动式电感传感器对外界影响，如温度的变化、电影响，如温度的变化、电源频率的变化等基本上可源频率的变化等基本上可以互相抵消，衔铁承受的以互相

8、抵消，衔铁承受的电磁吸力也较小，从而减电磁吸力也较小，从而减小了测量误差。小了测量误差。 1测杆 2衔铁 3线圈 16特性 从输出特性曲线（如图从输出特性曲线（如图4-54-5所示）所示）可以看出，差动式电感传感器可以看出，差动式电感传感器的线性较好，且输出曲线较陡，的线性较好，且输出曲线较陡，灵敏度约为非差动式电感传感灵敏度约为非差动式电感传感器的两倍。器的两倍。 1、2L1、L2的特性 3差动特性 173.1.2 自感式传感器的转换（测量）电路 自感式传感器的测量电路用来将电感量的变化转换成相应的电压或电自感式传感器的测量电路用来将电感量的变化转换成相应的电压或电流信号，以便供放大器进行放

9、大，然后用测量仪表显示或记录。流信号，以便供放大器进行放大，然后用测量仪表显示或记录。 测量电路有交流分压式、交流电桥式和谐振式等多种，常用的差动式测量电路有交流分压式、交流电桥式和谐振式等多种，常用的差动式传感器大多采用交流电桥式传感器大多采用交流电桥式 。 交流电桥的种类很多，差动形式工作时其电桥电路常采用双臂工作方交流电桥的种类很多，差动形式工作时其电桥电路常采用双臂工作方式。两个差动线圈式。两个差动线圈Z1Z1和和Z2Z2分别作为电桥的两个桥臂，另外两个平衡臂分别作为电桥的两个桥臂，另外两个平衡臂可以是电阻或电抗，或者是带中心抽头的变压器的两个二次绕组或紧可以是电阻或电抗，或者是带中心

10、抽头的变压器的两个二次绕组或紧耦合线圈等形式。耦合线圈等形式。 181变压器交流电桥 （调幅） 电桥有两臂为传感器的差动电桥有两臂为传感器的差动线圈的阻抗，所以该电路又线圈的阻抗，所以该电路又称为差动交流电桥称为差动交流电桥 变压器式交流电桥电路图 19分析 设设O O点为电位参考点，根据电路的基本分析方法，可得到点为电位参考点，根据电路的基本分析方法，可得到电桥输出电压为电桥输出电压为 当传感器的活动铁芯处于初始平衡位置时，两线圈的电感当传感器的活动铁芯处于初始平衡位置时，两线圈的电感相等，阻抗也相等，即，其中表示活动铁芯处于初始平衡相等，阻抗也相等，即，其中表示活动铁芯处于初始平衡位置时每

11、一个线圈的阻抗。位置时每一个线圈的阻抗。 电桥输出电压，电桥处于平衡状态。电桥输出电压，电桥处于平衡状态。 1oABAB2121()2ZUUVVUZZ20变化时 当铁芯向一边移动时，则一个线圈的阻抗增加当铁芯向一边移动时，则一个线圈的阻抗增加 （P64P64）10ZZZ20ZZZ0o22001()222ZZZUUUZZ 21变化后的电压 当传感器线圈为高当传感器线圈为高Q Q值时，则线圈的电阻远小于其感抗值时，则线圈的电阻远小于其感抗 当活动铁芯向另一边（反方向）移动时当活动铁芯向另一边（反方向）移动时 （L L为电感量，不是长度）为电感量，不是长度） 差动式自感传感器采用变压器交流电桥为测量

12、电路时，电桥输出电压差动式自感传感器采用变压器交流电桥为测量电路时，电桥输出电压既能反映被测体位移量的大小，又能反映位移量的方向，且输出电压既能反映被测体位移量的大小，又能反映位移量的方向，且输出电压与电感变化量呈线性关系。与电感变化量呈线性关系。 o202LUUL 222调频与调相 P64P64调频电路工作原理；调频电路工作原理； P65P65调相电路工作原理；调相电路工作原理； 233带相敏整流的交流电桥 上述变压器式交流电桥中，由于采用交流电源，则不论活上述变压器式交流电桥中，由于采用交流电源，则不论活动铁芯向线圈的哪个方向移动，电桥输出电压总是交流的，动铁芯向线圈的哪个方向移动，电桥输

13、出电压总是交流的，即无法判别位移的方向。即无法判别位移的方向。 常采用带相敏整流的交流电桥。常采用带相敏整流的交流电桥。24结构带相敏整流的交流电桥电路 25（1）初始平衡位置时 当差动式传感器的活动当差动式传感器的活动铁芯处于中间位置时，铁芯处于中间位置时，传感器两个差动线圈的传感器两个差动线圈的阻抗阻抗Z Z1=1=Z Z2=2=Z Z0 0，其等效，其等效电路如图所示。电路如图所示。 铁芯处于初始平衡位置时的等效电路 26（2）活动铁芯向一边移动时 当活动铁芯向线圈当活动铁芯向线圈的一个方向移动时，的一个方向移动时，传感器两个差动线传感器两个差动线圈的阻抗发生变化，圈的阻抗发生变化，等效

14、电路如图所示。等效电路如图所示。 铁芯向线圈一个方向移动时的等效电路 2022-4-2327结果oDCii20001221 ()2ZZUVVUUZZZZoDCi200121 ()2ZUVVUZZZ在Ui的正半周 在Ui的负半周 2022-4-2328 只要活动铁芯向一方向移动，无论在交流电源的正只要活动铁芯向一方向移动，无论在交流电源的正半周还是负半周，电桥输出电压均为正值。半周还是负半周，电桥输出电压均为正值。 2022-4-2329（3）活动铁芯向相反方向移动时 当活动铁芯向线圈的另一个方向移动时，用上述分析方法当活动铁芯向线圈的另一个方向移动时，用上述分析方法同样可以证明，无论在的正半周

15、还是负半周，电桥输出电同样可以证明，无论在的正半周还是负半周，电桥输出电压均为负值。压均为负值。 2022-4-2330应用 采用带相敏整流的交流电采用带相敏整流的交流电桥，其输出电压既能反映桥，其输出电压既能反映位移量的大小，又能反映位移量的大小，又能反映位移的方向，所以应用较位移的方向，所以应用较为广泛。为广泛。 1理想特性曲线 2实际特性曲线2022-4-23313.1.3 自感式传感器应用 用于测量位移，还可以用于测量振动、应变、厚度、压力、用于测量位移，还可以用于测量振动、应变、厚度、压力、流量、液位等非电量。流量、液位等非电量。 2022-4-23321自感式测厚仪 采用差动结构，其测量电路为带相采用差动结构，其测量电路为带相敏整流的交流电桥。当被测物体的敏整流的交流电桥。当被测物体的厚度发生变化时，引起测杆上下移厚度发生变化时，引起测杆上下移动，带动可动铁芯产生位移，从而动，带动可动铁芯产生位移，从而改变了气隙的厚度，使线圈的电感改变了气隙的厚度，使线圈的电感量发生相应的变化。此电感变化量量发生相应的变化。此电感变化量经过带相敏整流的交流电桥测量后，经过带相敏整流的交流电桥测量后，送测量仪表显示，其大小与被测物送测量仪表显示，其大小与被测物的厚度成正比。的厚度成正比。 1可动铁