第4章电感传感器

1、本章学习内容本章学习内容：1.1.变磁阻式传感器变磁阻式传感器 2.2.差动变压器式传差动变压器式传感器感器3.3.涡流式传感器涡流式传感器 原理与应用原理与应用第四章、电感式传感器第四章、电感式传感器电感式传感器电感式传感器电感式传感器综述电感式传感器综述被测物理量被测物理量位移位移振动振动压力压力流量流量比重比重的变化的变化传感器传感器自感系数自感系数 L互感系数互感系数 M的变化的变化电路电路电压电压电流电流电感式传感器电感式传感器电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。量转化为电感量的一种装置。电感传感器优点：电感传

2、感器优点：灵敏度高，分辨力高，位移：灵敏度高，分辨力高，位移：0.1 m ；精度高，线性特性好，非线性误差：精度高，线性特性好，非线性误差：0.05% 0.1 % ；性能稳定，重复性好性能稳定，重复性好 ；结构简单可靠、输出功率大、输出阻抗小、结构简单可靠、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、寿抗干扰能力强、对工作环境要求不高、寿命长命长 能实现信息的远距离传输、记录、显示和能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制等。控制等。 电感式传感器电感式传感器电感式传感器电感式传感器 电感式传感器电感式传感器自感型自感型可变磁阻型可变磁阻型涡流式涡流式互感型互感型电感式传感器分类

3、：电感式传感器分类：差动变压差动变压器型器型4.1 4.1 自感型自感型-可变磁阻式可变磁阻式一、工作原理一、工作原理 将被测对象的微小变化将被测对象的微小变化( x) 电感的变化电感的变化 ( L) 传感器运动部分与衔铁相连，传感器运动部分与衔铁相连，测物理量时，运动部分位移测物理量时，运动部分位移 衔衔铁位移铁位移 气隙厚度气隙厚度 变化变化 线圈线圈自感系数自感系数L变化变化 电感式传感器电感式传感器若若 很小，且不考虑磁路铁损，则很小，且不考虑磁路铁损，则 根据电工学：线圈中的电感量根据电工学：线圈中的电感量 mRWL2衔衔铁铁气气隙隙铁铁芯芯RRRRm AAlRniiiim012 l

4、i 各导磁体长度各导磁体长度 空气隙间隙空气隙间隙 i 各导磁体相对导磁率各导磁体相对导磁率 0 空气隙导磁系数空气隙导磁系数 Ai 各导磁体截面积各导磁体截面积 A 空气隙截面积空气隙截面积 因为因为 铁芯铁芯、 衔铁衔铁 气隙气隙，所以，所以，R铁芯铁芯+R衔铁衔铁R气隙气隙 ARm02 2022AWRWLM二. .电感传感器的三种型式电感传感器的三种型式电感式传感器电感式传感器电感传感器的分类比较电感传感器的分类比较三三.特性特性 灵敏度灵敏度输出特性输出特性 (以变气隙为例以变气隙为例)气隙变化量为气隙变化量为，相应的电感变化为，相应的电感变化为： 可见输出特性为非线性关系可见输出特性

5、为非线性关系202002AWLLK即：传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾即：传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾 电感式传感器电感式传感器 200001 LL差动型式差动型式电感式传感器电感式传感器四四. .测量电路测量电路 交流电桥式测量电路 变压器式交流电桥 谐振式测量电路 电感式传感器电感式传感器 CjLjRCjLjRZ RLQ LCLjLCRZ22211 电感式传感器电感式传感器 差动式的输出电压差动式的输出电压 差动传感器电感的总差动传感器电感的总变化量变化量 忽略高次项，忽略高次项，灵敏度灵敏度K K0 0 4020002112 LLLL0002 LLK0022LLUZZUU

6、 交流电桥式测量电路特点交流电桥式测量电路特点 差动式变间隙电感传感器比单线圈式的差动式变间隙电感传感器比单线圈式的灵敏度高一倍灵敏度高一倍 差动式的线性度得到明显改善。差动式的线性度得到明显改善。电感式传感器电感式传感器变压器式交流电桥变压器式交流电桥 。22121122120UZZZZUUZZZU电感式传感器电感式传感器 LCf214.2.4.2.互感型互感型-差动变压差动变压1122112iWiM 1112MidtdiMe tisin1若MIjE112 电感式传感器电感式传感器基本结构：基本结构：变隙式差动变压器iUBbaiIA1W1aW2aCW1bW2be2ae2boU22U1U12(

7、a)(b)图 4-11 差动变压器式传感器的结构示意图 （a）、 （b） 变隙式差动变压器; 电感式传感器电感式传感器图 4-11 差动变压器式传感器的结构示意图 （c）、 （d） 螺线管式差动变压器; (c)1U2U2U1U(d )基本结构：基本结构：螺线管式差动变压器电感式传感器电感式传感器图 4-11 差动变压器式传感器的结构示意图 （e）、 （f）变面积式差动变压器2U1U01U2U(e)( f )基本结构：基本结构：变面积式差动变压器电感式传感器电感式传感器一、差动变压器原理一、差动变压器原理u u 初级线圈的激励电压初级线圈的激励电压 r r1 1、L L1a1a 初级线圈的电阻和

8、电感初级线圈的电阻和电感L L2a2a、L L2b2b 次级线圈的电感次级线圈的电感 r r2a2a、r r2b2b 次级线圈的电阻次级线圈的电阻 W W1 1 初级线圈的匝数初级线圈的匝数 W W2121、W W2 2 次级线圈的匝数次级线圈的匝数Ur1L1aL2aL2baE2bE2r2ar2boURLI1电感式传感器电感式传感器在初级线圈中在初级线圈中 次级线圈中的感应电势次级线圈中的感应电势 感应电势的有效值感应电势的有效值 UMMkULRMMUbaba)()()(21210 111LjRUI 12IMjEaa12IMjEbb111220)()(LjRUMMjIMMjEEUbababa

9、初始位置，衔铁处于中间位置初始位置，衔铁处于中间位置 00UMMMba当衔铁上升当衔铁上升 L MMMaMMMb当衔铁下降当衔铁下降 L U0与与E2a同相同相 U0与与E2b同相同相 ULRMU21210)(2MMMaMMMbULRMU21210)(2电感式传感器电感式传感器二、输出特性二、输出特性电感式传感器电感式传感器三、三、 测量电路测量电路差动整流电路差动整流电路 差动整流电路 ，输入一交流信号时 整流电路的输出电压为 ：68242UUU电感式传感器电感式传感器相敏检波电路相敏检波电路电感式传感器电感式传感器讨论:l当位移当位移 时，时，u u2 2与与u us s同频同相，同频同相

10、，0 xl当位移当位移 时，时， u u2 2与与u us s同频反相同频反相。 0 x当当u u2 2与与u us s均为正半周时均为正半周时, ,V VD1D1、V VD4D4截止截止 M M点点+ +V VD2D2、V VD3D3导通导通 O O点点- -当当u u2 2与与u us s均为均为负负半周时半周时, , V VD2D2、V VD3D3截止截止 M M点点+ +V VD1D1、V VD4D4导通导通 O O点点- - 当当u us s均为正半周时均为正半周时, ,V VD1D1、V VD4D4截止截止 M M点点- -V VD2D2、V VD3D3导通导通 O O点点+ +当

11、当u us s均为均为负负半周时半周时, ,V VD2D2、V VD3D3截止截止 M M点点- -V VD1D1、V VD4D4导通导通 O O点点+ + 图图4-20 波形图波形图（a） 被测位移变化波形图被测位移变化波形图; （b） 差动变压器激磁电压差动变压器激磁电压波形波形; （c） 差动变压器输出电压差动变压器输出电压波形波形 (d) 相敏检波解调电压波相敏检波解调电压波形；形； (e) 相敏检波输出电压波相敏检波输出电压波形形 四、四、 应用应用差动变压器位移传感器差动变压器位移传感器电感式传感器电感式传感器案例：案例：板的厚度测量板的厚度测量 案例：案例：张力测量张力测量11B

12、2Ax(t)1-悬臂梁2-差动变压器一、原理一、原理: :涡流效应涡流效应4.3 4.3 涡流式涡流式电感式传感器电感式传感器原线圈的等效阻抗原线圈的等效阻抗Z Z变化：变化：),(ZZ 电感式传感器电感式传感器电涡流效应与电涡流效应与 被测体的电阻率被测体的电阻率有关有关 磁导率磁导率以及几何形状以及几何形状r r有关有关 线圈几何参数、线圈中激磁电流频率线圈几何参数、线圈中激磁电流频率f f有关，有关， 还与线圈与导体间的距离还与线圈与导体间的距离x x有关有关高频反射式涡流传感器高频反射式涡流传感器 自感型自感型低频透射式涡流传感器低频透射式涡流传感器 互感型互感型根据激励频率不同分为根

13、据激励频率不同分为电感式传感器电感式传感器二、电涡流形成范围二、电涡流形成范围 电涡流的径向形成范围电涡流的径向形成范围 电涡流径向形成范围大约在传感器线圈外电涡流径向形成范围大约在传感器线圈外径径ras的的1.82.5倍范围内，且倍范围内，且分布不均匀分布不均匀 电涡流密度在电涡流密度在ri=0处为零。处为零。 电涡流的最大值在电涡流的最大值在r=ras附近的一个狭窄区附近的一个狭窄区域内。域内。 可以用一个平均半径为可以用一个平均半径为ras 的短路环来集中的短路环来集中表示分散的电涡流（图中阴影部分）表示分散的电涡流（图中阴影部分）。 电感式传感器电感式传感器图4-25 电涡流密度J与半

14、径r的关系曲线 1.00.80.60.40.2Jr /J0r/ras32101233r/ras2hxriraras11电涡流线圈；2等效短路环；3电涡流密度分布 电涡流强度与距离的关系电涡流强度与距离的关系 电涡流强度电涡流强度I I与距离与距离x x呈非线性关系呈非线性关系 在在x/rx/rasas11时，有时，有较好的线性和灵敏度较好的线性和灵敏度。 电涡流的轴向贯穿深度电涡流的轴向贯穿深度 fhr 0 22121asrxxIII1线圈激励电流； I2金属导体中等效电流；hddeJJ/0涡流传感器的结构及特性涡流传感器的结构及特性三三.电涡流传感器测量电路电涡流传感器测量电路图4-28 调

15、频式测量电路 (a) 测量电路框图； (b) 振荡电路 传感器线圈接入LC振荡回路，当传感器与被测导体距离x改变时，在涡流影响下，传感器的电感变化，将导致振荡频率的变化，该变化的频率是距离x的函数，即f=L(x), 该频率可由数字频率计直接测量，或者通过f-V变换，用数字电压表测量对应的电压。 振荡器电路如图4 - 28(b)所示。它由克拉泼电容三点式振荡器(C2、C3、L、C和1)以及射极输出电路两部分组成。振荡器的频率为 CxLf)(21为了避免输出电缆的分布电容的影响，通常将L、C装在传感器内。 此时电缆分布电容并联在大电容C2、C3上，因而对振荡频率f的影响将大大减小。 由传感器线圈由传感器线圈L、电容器、电容器C和石英晶体组成的石和石英晶体组成的石英晶体振荡电路如图英晶体振荡电路如图4-29所示。石英晶体振荡器起所示。石英晶体振荡器