Xie第三章(6)电感式传感器

第三章传感器基本原理（5）

−电感式传感器内容提要：电感式传感器概述自感式传感器差动变压器式传感器电涡流式传感器电感式传感器的应用1.电感式传感器概述利用电磁感应原理，将被测的物理量（如位移、压力、流量、振动等）转换成线圈的自感系数L或互感系数M的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出，实现由非电量到电量转换的装置。种类：自感式传感器：将非电量转换成自感系数变化差动变压器式传感器：将非电量转换成互感系数变化电涡流式传感器：利用电涡流效应将非电量转换成线圈的电感或阻抗变化2.自感式传感器由衔铁、铁芯和匝数为W的线圈构成。主要用来测量位移或可以转换成位移的被测量。磁阻RM包括铁芯、衔铁的磁阻和空气隙的磁阻，即铁磁材料各段的磁阻之和空气隙的磁阻R为：则电感L为：因为铁磁材料其磁阻与空气隙磁阻相比较小，计算时可忽略不计,

传感器测量物理量时衔铁的运动部分产生位移，导致线圈的电感值发生变化，线圈的电感L为：

当线圈及铁芯一定时，W为常数，如果改变或S时，L值会引起相应变化。电感传感器利用这一原理做成。电感传感器是一个带铁芯的可变电感，由于线圈的铜耗、铁芯的涡流损耗、磁滞损耗以及分布电容的影响，它并非呈现纯电感。自感式传感器的等效电路等效电路中L为电感，Rc为铜损电阻，Re电涡流损耗电阻，磁滞损耗电阻Rh，C为传感器等效电路的等效电容。当电感传感器确定后，这些参数即为已知量。忽略分布电容且不考虑各种损耗时，电感传感器阻抗Z为：当考虑并联分布电容时，阻抗Zs为：

考虑分布电容时，电感传感器的有效串联电阻和有效电感都增加了，而线圈的有效品质因数却减小，此时，电感传感器有效灵敏度为：考虑分布电容后，电感传感器的灵敏度增加了。因此，必须根据测试时所用电缆长度对传感器进行标定，或者相应调整并联电容。品质因数Q为：当电感传感器Q值高时，即1/Q2<<1K=常见的自感式传感器变间隙式变面积式螺管式自感式传感器的结构类型及特性变间隙式电感传感器线圈电感与气隙长度的关系为非线性关系，非线性度随气隙变化量的增大而增大，只有当很小时，忽略高次项的存在，可得近似的线性关系。所以，单边变间隙式电感传感器存在线性度要求与测量范围要求的矛盾。线圈电感的相对变化量为：若/0<<1，可得同理可得当衔铁向下移动时的L/L0为：

衔铁移动时，空气隙将从原始的0发生的变化。电感增量为：

若使得衔铁向上移动取为-，电感为：泰勒级数展开变面积式电感传感器起始状态时，铁芯当衔铁随被测量上、下移动时，S=(a-x)h与衔铁在气隙出正对着，截面积为S0=ah。线圈电感L为：线圈电感L与面积S（或x）呈线性关系，灵敏度k为一常数，即正确选择线圈匝数、铁芯尺寸可提高灵敏度。一般选用差动式结构更好。螺线管式电感传感器由螺线管形线圈、磁性材料制成的柱形铁芯和外套组成。L和x呈线性关系，灵敏度K为：

当l/r>>1时，可认为管内磁感应强度为均匀分布。

当x<<1时，可推得线圈的电感量L为:

设线圈长度和平均半径分别为l和r，铁芯进入线圈的长度和铁芯半径分别为x和ra，铁芯有效磁导率为0。3.差动变压器式传感器差动变压器上下两只铁芯上均有一个初级线圈W1(也称励磁线圈)和一个次级线圈W2(也叫输出线圈)。上下两个初级线圈串联后接交流励磁电源Usr，两个次级线圈则按电势反相串联。工作原理：当衔铁处于中间位置时，1＝

2，初级线圈中产生交变磁通1和2，在次级线圈中便产生交流感应电势。由于两边气隙相等，磁阻相等，所以1＝

2，次级线圈中感应出的电势e21=e22，由于次级是按电势反相连接的，结果输出电压Usc=0。当衔铁偏离中间位置时，两边气隙不等(即12)，次级线圈中感应的电势不再相等(即e21e22)，便有电压Usc输出。Usc的大小及相位取决于衔铁的位移大小和方向。分析差动变压器式传感器的输出特性初级线圈的电流为：当有气隙变化时，两个初级线圈的电感值分别为：次级线圈的输出电压Usc为两个线圈感应电势之差：感应电势分别为：初始时，初级线圈的阻抗分别为：M1及M2为初级与次级之间的互感系数，其值分别为：

设初级、次级线圈的匝数分别为W1、W2，当有气隙时，传感器的磁回路中的总磁阻近似值为R。

初始状态时，初级线圈电感为：上下两个磁系统中的磁通，代入式中得：忽略2，整理式子得，当>>R时，传感器的灵敏度为：差动变压器式传感器的特性几乎完全是线性的，灵敏度不仅取决于磁系统的结构参数，同时取决于初、次级线圈的匝数比及激磁电源电压的大小，可通过改变匝数比及提高电源电压的办法来提高灵敏度。4.电涡流式传感器电感线圈产生的磁力线经过金属导体时，金属导体就会产生感应电流，该电流的流线呈闭合回线，类似水涡形状，故称之为电涡流。电涡流式传感器是以电涡流效应为基础，由一个线圈和与线圈邻近的金属体组成。当线圈通入交变电流I时，在线圈的周围产生一交变磁场H1，处于该磁场中的金属体上产生感应电动势，并形成涡流。金属体上流动的电涡流也将产生相应的磁场H2，H2与H1方向相反，对线圈磁场H1起抵消作用，从而引起线圈等效阻抗Z或等效电感L或品质因数相应变化。金属体上的电涡流越大，这些参数的变化亦越大。金属导体置于交变磁场中会产生电涡流，且该电涡流产生磁场的方向与原磁场方向相反的一种物理现象。采用电涡流式传感器并配用相应的测量线路，可得到与该被测量相对应的电信号(电压、电流或频率)输出。该方法常用来测量位移、金属体厚度、温度等参数，并可作探伤用。R1、L1线圈原有的电阻、电感；R2、L2电涡流等效短路环的电阻和电感；励磁电流的角频率；M线圈与金属体之间的互感系数；U电源电压5.电感式传感器的应用液位测量衔铁随浮子运动反击出液位的变化，从而使差动变压器有一相应的电压输出。