第4章 电感式传感器

第四章电感式传感器变磁阻式传感器电磁感应被测非电量自感系数L互感系数M测量电路U、I、f自感式传感器互感式传感器电涡流式传感器电感式接近传感器1电感式传感器特点:结构简单灵敏度和分辨率高线性度和重复性比较好电感式传感器缺点：频率响应较低分辨率和示值误差与测量范围有关存在交流零位信号2第一节变磁阻式传感器一、结构和工作原理总磁阻线圈匝数空气导磁率磁导率导磁率H/m3AL=f(A)4二、等效电路1.铜损电阻2.涡流损耗电阻h—涡流的“穿透深度”，可用表示，为导磁体材料的电阻率。当涡流穿透深度小于薄片厚度的一半时，上式可简化为将以上等式整理可得线圈的平均匝长53.并联寄生电容总等效损耗电阻串联等效阻抗考虑并联电容C时，等效阻抗为式中当电感相对变化6衔铁下移

三、变气隙式电感传感器输出特性7忽略高次项：动态测量范围：0.001~1mm衔铁上移

忽略高次项：8四、差动自感传感器1.结构和工作原理上下两个磁体的几何尺寸、材料、电气参数完全一致。初始状态电桥平衡，衔铁上下移动时，两只电感线圈的电感量不一样，电桥不平衡，输出电压。92、输出特性衔铁下移：

忽略高次项：提高一倍单个线圈差动式103、测量电路1、交流电桥式测量电路差动自感传感器：11初始位置

衔铁下移

2、变压器式交流电桥12衔铁上移衔铁下移3、谐振式测量电路谐振式调频电路谐振式调幅电路13第二节互感式传感器当衔铁在中间位置时，当衔铁向上移动时，当衔铁向下移动时，一、结构和工作原理14二、等效电路15（1）衔铁位于中间位置时，16（3）当衔铁下移时，（2）当衔铁上移时，17灵敏度：18三、测量电路——辨别移动方向、消除零点残存电压1、差动整流电路19正半周负半周电压输出型全波整流电路20①当衔铁在中间位置时，②当衔铁向上移动时，③当衔铁向下移动时，212、相敏检波电路正半周负半周（1）二极管相敏检波电路22U1与U2同相U1与U2反相？23特点：结构简单、灵敏度高、线性度好、测量范围宽测量范围：±2mm~±200mm测量精度：0.2%~0.3%（2）集成化相敏检波电路24四、误差因素分析激励电压的幅值与频率的影响。温度变化的影响。零点残余电压。零点残余电压包括（1）基波正交分量（2）基波同相成分（3）二次谐波（4）三次谐波（5）电磁干扰波25两次级绕组相位相差不等于180º时的差动输出电压、衔铁正反向偏离中间位置时，两次级输出电势值合成后次级输出的空载电压衔铁在中间位置时两次级电势数值26消除零点残余电压可采用的方法（1）从设计和工艺上保证结构对称性（2）选用合适的测量线路（3）采用补偿线路调相位式残余电压补偿电路27电位器调零点残余电压补偿电路R或L补偿电路28把上述三种类型比较一下，气隙型自感传感器灵敏度高，因为原始气隙一般取得很小，它的主要缺点是：非线性严重，为了限制非线性误差，示值范围只能较小；它的自由行程小，因为衔铁在运动方向上受到铁心限制；制造装配困难。由于这些原因，近年来这种类型的使用逐渐减少，不过在一些特殊场合下还使用。截面型自感传感器灵敏度较低。截面型的优点是具有较好的线性，因而示值范围可取大些，自由行程可按需要按排，制造装配也较方便。螺管型自感传感器的灵敏度比截面型的更低，但示值范围大，线性也较好，同时还具备自由行程可任意按排、制造装配方便等优点。此外。螺管型与截面型相比，批量生产中的互换性好。29截面型传感器往往要和仪器电箱配合使用，不易互换，而螺管传感器较能保证其特性大体一致，这对装配、调试、使用都带来方便，尤其在使用两个（和差测量）或多个（多点测量）传感器时，这一点更为重要。螺管型传感器的线圈形状对其线性度及稳定度有较大影响，要求线圈骨架的形状及尺寸稳定不变，线圈绕制要均匀一致，这一点在设计制造时要加以注意。由于具有上述优点，而灵敏度低的问题可在放大电路方面加以解决，目前螺管型传感器的应用越来越多。30第三节电涡流式传感器金属导体：线圈：线圈与金属导体间的距离电阻率、相对导磁率、厚度大小线圈激励信号频率31一、基本原理高频反射式电涡流传感器结构CZF1型涡流传感器32涡流区和线圈几何尺寸关系2R——电涡流区外径2r——电涡流区内径涡流渗透深度ρ——导体电阻率（Ω.cm）f——交变磁场的频率μr——相对导磁率33一、等效电路34品质因素等效电阻等效电感无涡流影响时的Q值短路环阻抗其中35补充：电涡流形成范围1、电涡流的径向形成范围J0为金属导体表面电涡流密度最大值；Jr为半径r处的金属导体表面电涡流密度（1）电涡流径向形成范围大约在传感器线圈外半径ras的1.8~2.5倍范围内；（2）电涡流密度在ri=0处为零；（3）电涡流的最大值在r=ras附近的一个狭窄区域内；（4）可以用一个平均半径为ras（ras=(ri+ra)/2）的短路环来集中表示分散的电涡流（图中阴影部分）362、电涡流强度与距离的关系I1—线圈激励电流；I2—金属导体中等效电流；X—线圈到金属导体表面距离；ras—线圈外径以上分析表明：电涡流强度与距离x呈非线性关系，且随着x/ras的增加二迅速减小；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）的条件下才能得到较好的线性和较高的灵敏度。电涡流强度与距离归一化曲线373.电涡流的轴向贯穿深度贯穿深度指把电涡流强度减小到表面强度的1/e处的表面厚度。电涡流密度轴向分布曲线d—金属导体中某一点与表面的距离；Jd—沿H1轴向d处的电涡流密度；J0—金属导体表面电涡流密度，即电涡流密度最大值；H—电涡流轴向贯穿的深度（趋肤深度）。38三、测量电路1、调频式电路392、调幅式电路最大最大无M：有M：降低降低石英晶体振荡器恒流源：f0、i040低频透射式涡流传感器多用于测定材料厚度。发射线圈ω1和接收线圈ω2分别放在被测材料G的上下，低频(音频范围)电压e1加到线圈ω1的两端后，在周围空间产生一交变磁场，并在被测材料G中产生涡流i，此涡流损耗了部分能量，使贯穿ω2的磁力线减少，从而使ω2产生的感应电e2减小。e2的大小与G的厚度及材料性质有关，实验与理论证明，e2随材料厚度h增加按负指数规律减小。因而按e2的变化便可测得材料的厚度。41变磁阻式传感器的应用变隙电感式压力传感器结构图42变隙式差动电感压力传感器43差动变压器式传感器的应用差动变压器式加速度传感器原理图

44电感测微仪是一个差动式自感传感器测量微位移装置，其测量电路由传感线圈和电阻组成交流测量电桥，电桥输出交流电压经放大后送相敏检波器，检波输出直流电压由直流电压表或显示其输出。45力平衡式差压计是一个差动变压器测量电路，N1、N22、N21分别为差动变压器初级线圈和两级线圈，V1、V2和C为半波整流电容电路。当动铁处于中间位置时，膜盒亦在正中位置时此时膜盒的上下压力相同，即P1=P2，差动变压器输出电压U=0。当P1和P2大小不同时膜盒产生位移，带动差动变压器输出电压U≠0，其大小盒极性即表示动铁位移的大小和方向，从而可测出P1与P2的压力差。46涡流式传感器的应用1.低频透射式涡流厚度传感器透射式涡流厚度传感器结构原理图472.高频反射式涡流厚度传感器高频反射式涡流测厚仪测试系统图483.电涡流式转速传感器电涡流式转速传感器工作原理图49例4-1如图所示气隙型电感传感器，衔铁断面积S=4×4mm2，气隙总长度lδ=0.8mm，衔铁最大位移Δlδ=±0.08mm，激励线圈匝数N=2500匝，导线直径d=0.06mm，电阻率ρ=1.75×10-6Ω.cm。当激励电源频率f=4000Hz时，忽略漏磁及铁损，要求计算：（1）线圈的电感值；（2）电感的最大变化；（3）当线圈外断面积为11×11mm2时求其直流电阻值；（4）线圈的品质因素；（5）当线圈存在200pF分布电容与之并联后其等效电感值变化多大？50例4-2试证明图（a）U形差动变压器输出为V形特性。（1）设电感线圈铜损、铁损