第三章电感传感器

传感与检测技术武汉理工大学自动化学院Copyright©2004WUT.AllRightsReserved.第三章电感传感器第一节自感式传感器第二节互感式传感器第三节电涡流式传感器电感传感器电感式传感器电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。分类:电感式传感器自感型可变磁阻型涡流式互感型电感式传感器1.自感型--可变磁阻式a)可变导磁面积型b）差动型c）单螺管线圈型d）双螺管线圈差动原理:电磁感应电感式传感器2互感型--差动变压器工作原理:互感现象.WW1W2Esx-xEwEout电感式传感器3涡流式原理:涡流效应原线圈的等效阻抗Z变化：优点：⑴.结构简单、可靠、测量压力小、寿命长；⑵.分辨率高（位移变化0.01μm，角度变化0.1O）；⑶.重复性好，线性度优良（非线性误差可达0.05%～0.1%）；⑷.输出信号强，不经放大的输出电压可达几十到几百毫伏。缺点：

存在交流零位信号，不适于高频动态信号测量。第一节自感式传感器一、自感电动势与电感

根据法拉第电磁感应定律，每匝产生的感应电动势为，当线圈为N时，则整个线圈的自感电动势为：磁链与电流成正比，其比例常数称自感L或称为电感

因此对于一个磁路按欧姆定律可写成下列形式：

代入式（3-2）得：

第一节自感式传感器自感型--可变磁阻式a)可变导磁面积型b）差动型c）单螺管线圈型d）双螺管线圈差动原理:电磁感应第一节自感式传感器二、工作原理因为导磁体的磁导率远大于空气磁导率，即气隙磁阻远大于铁心和衔铁的磁阻，所以线圈的自感为

特性曲线

图3－2自感传感器特性曲线自感传感器一般有三种类型：1.改变空气隙厚度的自感传感器；2.改变气隙截面积的自感传感器；3.螺管式自感传感器。

三、电感计算及特性分析1．气隙型传感器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△δ，则

一般取△δ=（0.1～0.2）δ0

当时，上式用台劳级数展开成级数形式为：

作线性处理，忽略高次项，可得

气隙型电感传感器的灵敏度为：结论：传感器的测量范围小，K大。非线性误差

结论：变气隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾，所以变气隙式电感传感器用于测量微小位移时是比较精确的。2.差动自感传感器⑴.结构

为了减小非线性，可利用两只完全对称的单个电感传感器合用一个活动衔铁，构成差动式电感传感器，如差动式气隙电感传感器、差动螺管电感传感器等。其测量电路可使用非平衡电桥、相敏整流电路等。

差动自感传感器原理图

差动自感传感器原理图

⑵.工作原理①.初态（平衡态）：②.动铁芯向上移位时：设I1和I2保持初态值，即：I1=I2所以Uo=IZL=2ΔIZL

⑵.工作原理（续）③.动铁芯向下移位时：Uo=IZL=－2ΔIZL

动铁位移时，输出电压的大小和极性将跟随位移的变化而变化。

结论：在衔铁位移时，两输出电流变化量大小相等，极性相反，且大小是2∆I关系。输出电压跟随输出电流做相应变化。＋——上移－——下移衔铁位移量变化量大小变化极性（方向）（衔铁位移方向）电感的相对变化量为

差动电感传感器的输入输出特性为灵敏度为：上式用台劳级数展开成级数形式为

作线性处理，忽略高次项，可得

非线性误差为：3．螺管型电感传感器差动螺管式电感传感器的电感相对变化量为

3.1电感式传感器双螺管线圈差动型传感器及测量电路~交流电桥螺管式电感传感器的特点：⑴.结构简单，制造装配容易；⑵.因空气隙大，磁路的磁阻高，故灵敏度低，但线性范围大；⑶.因磁路大部分为空气，易受外部磁场干扰；⑷.因磁阻高，为达到某一电感量，需增加线圈匝数，故线圈分布电容大；⑸.要求线圈框架几何尺寸和形状必须稳定，否则影响其线性和确定性。三、差动自感传感器测量电路1．基本交流测量电桥主要有调幅、调频、调相电路（1）初态时：由于动铁居中，即Z1=Z2=Z，Uo=0，说明电桥处于平衡状态。

双螺管线圈差动型传感器及测量电路~交流电桥（2）动铁上移时：

δ1↓→L1↑→Z1↑=Z+ΔZ

δ2↑→L2↓→Z2↓=Z－ΔZ

（3）动铁下移时：同理可得

2．带相敏整流的交流电桥工作原理：（1）初态时：由于动铁居中，即Z1=Z2=Z，由于桥路结构对称，此时UB=UC，即Uo

=0。（2）动铁上移时：

Z1↑=Z+ΔZ，Z2↓=Z－ΔZ，即Z1＞Z2→I1＜I2，

此时

Uo

=UB－UC=UBD+UDC=I1R－I2R=R（I1－I2）＜0

指示表指针左偏，读数为负，表明动铁在上移。（3）动铁下移时：

Z1↓=Z－ΔZ，Z2↑=Z+ΔZ，即Z2＞Z1→I1＞I2，此时Uo

=UB－UC=R（I1－I2）＞0

指示表指针右偏，读数为正，表明动铁在下移。测量电桥引入相敏整流后还可以消除残余电压

图3－7基本测量电桥输出特性

图3－8带相敏整流电桥输出特性3.调频电路4.调相电路5.传感器灵敏度自感传感器的灵敏度指传感器结构（测头）和转换电路综合在一起的总灵敏度。

传感器结构的灵敏度即电感值相对变化与引起这一变化的衔铁位移之比

转换电路的灵敏度即空载输出电压与电感相对变化之比传感器的灵敏度为：在工厂生产中测定的传感器的灵敏度是把传感器接入转换电路后进行的，其单位为：

mv/(μm·V)。

四、影响传感器精度的因素分析1.电源电压和频率的波动影响

电源电压的波动一般允许为5%～10%。严格对称的交流电桥可补偿频率波动的影响。2.

温度变化的影响

为补偿温度变化的影响，在结构设计时要合理选择零件的材料（注意各种材料的膨胀系数之间的配合），在制造和装配工艺上应使差动式传感器的两只线圈的电气参数（电阻、电感、匝数）和几何尺寸尽可能一致。上述措施可在对称电桥电路中有效地补偿温度的影响。3.非线性特性的影响

除采用差动式结构外，还须限制衔铁的最大位移量

4.输出电压与电源电压之间的相差

采用相敏整流电路，和高Q值传感器，一般Q值不应低于3～4。5.电桥的残余不平衡电压——零点残余电压零点残余电压产生的原因：

⑴.差动式两个电感线圈的电气参数以及导磁体的几何尺寸不可能完全对称；

⑵.传感器具有铁损即磁芯磁化曲线的非线性；

⑶.电源电压中含有高次谐波；

⑷.线圈中有寄生电容，线圈与外壳、铁芯间有分布电容；

零点残余电压的危害很大，会降低测量精度，削弱分辨力，易使放大器饱和。

减小零点残余电压的措施是减少电源中的谐波成分，减小电感传感器的激磁电流，使之工作在磁化曲线的线性段。为了消除电桥的零点残余电压，在差动电感电桥的电路中通常再接入两只可调电位器，当电压有零点残余电压时，可以反复调节两只电位器，使电桥实现平衡。六、自感式传感器的应用

思考题：

1.简述变隙式自感传感器的工作原理？写出单线圈和差动线圈自感传感器的灵敏度计算公式？输出特性？

2.带相敏整流的电桥电路具有哪些优点？

检测与转换技术武汉理工大学自动化学院Copyright©2003WUT.AllRightsReserved.第三章电感传感器互感型--差动变压器工作原理:互感现象.WW1W2Esx-xEwEout第三章电感传感器互感传感器——将被测量转换为传感器件的互感变化量的传感器。第二节差动变压器（互感传感器）一、工作原理设：一、工作原理则：又：故：其有效值为

二、螺管型差动变压器1.结构（a）结构 （b）等效电路图3－14差动变压器原理图

2.基本特性当铁芯位于线圈中心位置时，U1=U2，UO=0；

当次级开路时，初级线圈的交流电流为：次级线圈感应电势为：差动变压器的空载输出电压为：

其幅值为：输出阻抗为：

⑴.磁芯处于中间平衡位置时

M1=M2=MUO=0⑵.磁芯上升时

M1=M+ΔM,M2=M-ΔM⑶.磁芯下降时设M1=M-ΔM,M2=M+ΔM

输出电压还可以写成：3.主要性能

（1）

输出电压特性

图中Uo为动铁4与次线某线圈完全不耦合时的输出电压，称之为残余电压。ΔX表示动铁4与次级某线圈实际位移的范围。

(a)单个线圈(b)差动两线圈（2）灵敏度

差动变压器在单位电压激励下，铁芯移动单位距离时所产生的输出电压。以mv/mm.V表示。提高差动变压器的灵敏度可采用如下途径：①在初级线圈热容量允许范围内适当增加激励电压U1。适当增加激励频率，也可以提高灵敏度。

②在低频段，若R1＞＞ωL1，则由（3－20）式可得③适当增加动铁芯截面积，以减小磁路磁阻，同时减小铁损。

④适当增加次级线圈的匝数N2，一般取N2=（1～2）N1。实际应用中提高差动变压器的灵敏度的途径：提高线圈的Q值，为此可增大差动变压器的尺寸。一般线圈长度为直径的1.5-2.0倍为恰当。选择较高的激励频率增大铁芯直径，使其接近于线圈架内径，但不触及线圈架。二节式差动变压器的铁芯长度为全长的60%-80%。铁芯采用导磁率高，铁损小，涡流损耗小的材料在不使线圈过热的条件下尽量提高激励电压。三、转换电路1．反串电路2.桥路灵敏度只有反串电路的一半，但可利用RP进行电气调零，不再需要另外配置调零电路。

空载输出电压3．差动整流电路下面结合（b）全波电压输出电路，分析差动整流电路的工作原理。

设某瞬间载波为正半周，此时差动变压器两个次级线圈的相位关系为A正B负，、C正D负，则由上线圈供电的电流路径为：

A→1→2→9→11→4→3→B电容C1两端的电压为U24，电容C2两端的电压位U68。差动变压器的输出电压为上述两电压的代数和，即U2=U24-U68

。同理，当某瞬间为负半周时，即两次级线圈的相位关系为A负B正、C负D正，按上述分析，可得差动变压器输出电压U2的表达式仍为U2=U24-U68。

当铁心在中间位置时，U24=U68，所以U2=0；

当衔铁在零位以上时，因为U24>U68，则U2>0；

当衔铁在零位以下时，因为U24<U68，则U2<0。

铁心在零位以上或以下时，输出电压的极性相反，于是零点残余电压会自动抵消。4.相敏检波电路

电路工作原理为：①当差动变压器铁心在中间位置时，e=0，只有er起作用，此时可得电压降UCB和UDB大小相等，方向相反，故输出UCD=0 。②若铁心上移，e≠0，设e和er同相，由于er>>e，故er正半周时，D1、D2导通，D3、D4截止，D1回路内总电势为er+e/2，D2回路内总电势为er-e/2，故回路电流i1>i2，输出电压UCD=R0（i1-i2）>0。

er负半周时，D1、D2截止，D3、D4导通，D3回路内电势为er-e/2，D4路内总电势为er+e/2，故回路电流i4>i3，输出电压UCD=R0（i4-i3）>0，因此铁心上移时输出电压UCD>0 。③类似，当因此铁心下移时，e和er反相，输出电压UCD<0。

由此可见，该电路能判别铁心移动的方向。

相敏整流放大器单片集成电路LZXI

功能：把输入交流信号经过全波整流后变为直流信号，并能鉴别输入信号相位等功能。

四、零点残余电压的补偿产生零点残余电压的主要原因：两个绕组不能绝对对称。

铁芯的磁化曲线的非线性。消除零点残余电压的方法：保证对称性

选用合适的测量线用补偿线路补偿零点残余电压的电路

五、应用举例加速度计用传感器测振线路方块图

3.3电感式传感器应用:厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,压缩,垂直度;

压力,流量,液位;张力,重力,负荷量;扭