第5章电感传感器

1第5章电感式传感器2

第5章电感式传感器

利用电磁感应原理，将被测非电量（位移、压力、振动等）转换为电感量的变化，再转换为电压、电流等电量的变化，实现测量。类型：自感式（变气隙、螺线管式）、变压器式、涡流式。特点：

1、结构简单，工作可靠，寿命长；

2、灵敏度高，分辨率高（0.1）；

3、性能稳定，重复性好，线性度好；

4、输出信号强，不用放大器，可达几十到几百毫伏。3§5.1自感式传感器

利用电感元件把被测非电量转换为电感的自感系数的变化。5.1.1闭磁路自感传感器1、工作原理：磁路由铁芯和气隙组成，总磁阻RM铁芯磁阻：

—铁芯磁通路上第i段的磁导率（H/m）气隙磁阻：总磁阻：

当铁芯工作在非饱和状态时，第一项可忽略。4由电感的定义：∵∴

（5-3）由式5-3可知，L与l0、S0、等参数有关，与电容传感器类似，可以构成变气隙式l0，变面积式S0，变磁导率式等各类传感器。根据式(5-3)可以形成三种类型的自感式传感器改变气隙厚度δ(a)改变导磁面积S0(b)利用铁芯在螺管线圈中的直线位移改变总的磁阻(c)

也可认为是改变有效线圈匝数

N三种传感器均可用以测量变换为直线位移的物理参量由公式(5-3)可见，L与各参数的变化关系并不相同

如改变气隙类型，L与δ不是线性关系——与电容传感器类似

72、等效电路

并非纯电感，存在线圈的铜损耗，铁芯的涡流以及磁滞损耗，这些可用有功电阻R表示，还有L的感抗，分布电容C的容抗，可用图5.2描述。

ZM—铁芯部分的磁阻抗，Z0—空气隙磁阻抗，83、非线性和灵敏度由式5-3知，变气隙面积S型为线性关系，而变气隙长度l型为非线性关系（图5－3）初始气隙l0，初始电感：

当衔铁位移,电感变为：

电感变化量为：

灵敏度为：

当很小时，高次项迅速衰减，非线性减小，但测量范围变小。9变气隙差动电感的几种组合形式115.1.2开磁路电感传感器在螺线管中插入铁芯，当铁芯处于不同位置，螺线管具有不同电感值。灵敏度低，适于测量大位移（几到数百毫米），电感量与位移量呈线性关系。根据电磁场理论，空芯电感线圈的电感量为：

r—内径l—长度插入铁芯后，电感增长值为：

lc

—铁芯插入长度

当l>>r,lc>>rc时,

总电感量为：

总电感量L与铁芯的直线位移近似成线性关系。12

差动螺线管：两个完全相同的螺线管相接，初始铁芯处于对称位置，L10=L20。（图5.6）初始电感：当铁芯移动后：

（单个线圈）

单个线圈灵敏度：可知：lc、rc↑，L0↑，但K↓。铁芯材料的选择：13

§5.2

差动变压器式电感传感器把被测量转换成线圈的互感变化来测量（互感传感器）特点：结构简单，测量精度高，灵敏度高，测量范围宽.5.2.1工作原理螺线管式差动变压器15

5.2.2等效电路初级线圈的电流为：次级线圈的感应电压为：互感系数：

—初级线圈的磁通穿过N2次级线圈的部份。穿过N2的磁链：16分子分母同乘然后按计算得到输出阻抗（串联）:

输出电压为：输出幅度：零点残余电压e。—

传感器在零位时，两个次级绕组的电压不能完全抵消，产生电压输出。17

5.2.4差动变压器传感器的误差

1、激励源频率和幅度不稳定引起的误差。

2、温度、湿度变化，使几何尺寸变化。

3、两电感线圈（次级）等效参数不对称，不平衡误差。（几何尺寸，电气性能不平衡）产生零点残余电压e。补偿方法：①设计和工艺；②拆圈实验法；③电路。（如桥路中调零电位器）5.2.3差动变压器传感器参数的选取注意保持两个次级绕组的一致性。R/r比值越大，线性越好，但灵敏度越低。1820§5.3电涡流式传感器特点：非接触式测量，测量范围大，结构简单，不受介质影响，频带宽，抗干扰能力强。5.3.1工作原理及等效电路在线圈中通过正弦交流电，在线圈周围空间会产生交变磁场，当金属导体靠近时，就会产生涡流。涡流的大小与金属导体的电阻率，磁导率，厚度d，线圈与金属导体的距离x，线圈励磁电流的角频率等参数有关。21

根据等效电路，按基尔霍夫电压定律可列出如下方程：解出、，求出线圈受金属导体影响后的等效阻抗Z。

Req、Leq分别为线圈受到金属导体影响后的有功电阻和等效电感。线圈的品质因素为：

电气参数Z、Req、Leq、Qeq均是M的函数，即距离x的函数。∴可通过测量以上电气参数的变化测量使其变化的非电量22

5.3.2电涡流的形成范围

1、涡流强度与距离的关系电涡流强度I2随线圈与导体间的距离x与线圈外径r0s的比值的增大而迅速减小。应使x/r0s<1。

2、电涡流的径向形成范围在导体半径等于线圈半径处，r=r0，电涡流密度最大。

r>1.8r0时，jx<j0×0.5%。j0—r=r0处的电涡流密度。

3、电涡流的轴向贯穿深度（由于集肤效应，磁场不能透过所有厚度的金属）。导磁率越低，电阻率越高，激励频率越低，轴向贯穿深度越大。电涡流强度与距离的关系电涡强度与距离x呈非线性关系,且随着x/ras的增加而迅速减小。当利用电涡流式传感器测量位移时,只有在x/ras<<1(一般取0.05～0.15)的范围才能得到较好的线性和较高的灵敏度2624

§5.4电感式传感器的测量电路

5.4.1自感式传感器的测量电路

1、脉冲调宽式测量电路

变气隙差动电感传感器与电容传感器脉冲宽度调制电路相似。25∵令R1=R2，并将代入上式:平均电压正比于输入非电量。如直接用

则：262、交流电桥测量电路设，，，，则：当：ωL>>0时，当有位移时，∴采用相敏捡波电路捡出位移量方向。系统灵敏度：

变压器式交流电桥6当传感器衔铁上移时,即Z1=Z+ΔZ,Z2=Z-ΔZ,此时当传感器衔铁下移时,即Z1=Z-ΔZ,Z2=Z+ΔZ,此时285.4.2差动变压器式传感器测量电路

1、精密二极管捡波测量电路初始,,

衔铁向上位移,,

衔铁向下位移,,

29在e1正半周，放大器A输出为负，D2截止，D1导通，UA=Σ虚地点电压≈0在e2负半周，放大器B输出为正，D4截止，D3导通，UB=Σ虚地点电压≈0在e1负半周，放大器A输出为正，D2导通,D1截止在e2正半周，放大器B输出为负，D4导通,D3截止30

2、差动变压器相敏捡波测量电路311）当振荡变压器5、6、7的极性为5“－”、7“+”的半周时，D1、D2导通，D3、D4截止。相敏捡波器工作情况如图a所示。Ux为差动变压器输出放大后的信号.①②若：

负载，为表头内阻。式①－②，再用代入得：

322）在另一半周内，D1、D2截止，D3、D4导通，如图b所示。这时Ux不再向表头输送电流，可见是半波捡波。C2的滤波作用，使表头内流过半波捡波平均电流。33

3）设在前半周参考电压极性不变，但传感器磁芯位移方向改变。使Ux极性为⊕、Ө所示，则流过表头的电流如虚线所示。该电路既能捡出被测量信号的大小，又有判断其方向，所以称为相敏捡波。

4）D3、D4的作用是在后半周内给C1提供放电的通路，否则C1被电荷堆积而堵塞，不能正常工作。345.4.3电涡流传感器测量电路

1、电桥测量电路传感器线圈A、B，电容C1、C2与电阻R1、R2组成电桥的4个臂。与电感、电容传感器交流电桥类似。352、谐振测量电路（1）调频式电路：原理框图

把涡流传感器的线圈接入谐振回路，以谐振频率作为输出量。采用鉴频器将频率变化转换为电压变化。传感器与振荡器连接电缆分布电容（150-100Pf/m）影响较大。几皮法变化使振荡频率发生几千赫变化。尽量将振荡器电容与传感器线圈装在一起。36

（2）调幅式测量电路与调频法不同，LC组成的并联谐振，电路不是工作在谐振状态，而是工作在失谐状态。

初始，谐振频率刚好谐振于激励频率。

37测量时：当传感器接近被测导体.非磁性材料：L↓，回路电阻有功分量增加，Z↓，U0↓。软磁材料：L↑，回路电阻有功分量增加，Z↓，U0↓。38

§5.5电感式传感器的应用一、微型血压计（电感式）

温度补偿：同时热胀冷缩。可同时测量血压波形和心音。

心音>50Hz，血压频谱<20Hz。压力膜片位移x电感传感器磁芯位移振荡器3940

二、变压器式婴儿呼吸监视仪

两个带铁芯的线圈对称安置在婴儿两侧肋骨边缘处。呼吸→肺活量变化→两线圈距离变化→互感变化→副边感应电压变化41

自动增益控制作用：（1）自动补偿由于长期工作引起线圈位移而造成的非呼吸运动伪差。（2）可以不必在每次测量时都因传感器位置差别而调节灵敏度。