第4章电感传感器

本章学习内容：1.变磁阻式传感器2.差动变压器式传感器3.涡流式传感器原理与应用第四章、电感式传感器电感式传感器电感式传感器综述被测物理量位移振动压力流量比重的变化传感器自感系数L互感系数M的变化电路电压电流电感式传感器

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。电感传感器优点：灵敏度高，分辨力高，位移：0.1m；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；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、寿命长能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制等。电感式传感器电感式传感器

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分类：差动变压器型4.1自感型--可变磁阻式

一、工作原理

将被测对象的微小变化(x)

电感的变化(L)

传感器运动部分与衔铁相连，测物理量时，运动部分位移衔铁位移气隙厚度变化线圈自感系数L变化电感式传感器若很小，且不考虑磁路铁损，则

根据电工学：线圈中的电感量li

各导磁体长度

空气隙间隙i

各导磁体相对导磁率

0

空气隙导磁系数Ai

各导磁体截面积A

空气隙截面积因为

铁芯、

衔铁>>

气隙，所以，R铁芯+R衔铁<<R气隙

二.电感传感器的三种型式

气隙变化型—变气隙的间隙

(a)面积变化型—变气隙的截面积S(b)螺管型—变衔铁与线圈重合长度(c)电感式传感器电感传感器的分类比较三.特性

灵敏度输出特性

(以变气隙为例)气隙变化量为∆δ，相应的电感变化为：

可见输出特性为非线性关系即：传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾

电感式传感器差动型式

为了增加灵敏度，改善线性，往往做成差动式的。差动优点：（1）.大大的改善了线性，减小线性误差；（2）.使灵敏度提高一倍。电感式传感器四.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的等效电路

等效线圈阻抗为品质因数

线圈阻抗化简为：电感式传感器交流电桥式测量电路

差动式的输出电压差动传感器电感的总变化量

忽略高次项，灵敏度K0

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灵敏度高一倍差动式的线性度得到明显改善。

电感式传感器变压器式交流电桥

桥路输出电压

衔铁上、下移动相同距离时，输出电压相位相反，大小随衔铁的位移而变化。电感式传感器调频测量电路

振荡频率

当变化时，振荡频率随之变化，根据频率的大小即可测出被测量的值，频率与电感有严重的非线性关系。

调幅测量电路4.2.互感型--差动变压（原理）差动变压器本身是变压器，利用互感原理，所以也称互感传感器。互感现象：线圈N1输入电流i1，

N2产生感应电势e12

电感式传感器基本结构：变隙式差动变压器图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;基本结构：螺线管式差动变压器电感式传感器图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基本结构：变面积式差动变压器电感式传感器一、差动变压器原理u

初级线圈的激励电压r1、L1a

初级线圈的电阻和电感L2a、L2b

次级线圈的电感r2a、r2b

次级线圈的电阻

W1

初级线圈的匝数W21、W2

次级线圈的匝数电感式传感器原理推导在初级线圈中

次级线圈中的感应电势

感应电势的有效值讨论：初始位置，衔铁处于中间位置

当衔铁上升L

当衔铁下降LU0与E2a同相

U0与E2b同相

电感式传感器二、输出特性

从理论上讲，在衔铁处于中间位置时输出电压应为零，但实际存在零点残余电压，它由这样一些因素引起：两个次级线圈不对称初级线圈铜耗电阻的存在导磁体靠近的安装位置、铁芯长度等激磁频率的高低铁磁材质不均匀线圈间存在分布电容电感式传感器三、测量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：电感式传感器相敏检波电路电感式传感器讨论:当位移时，u2与us同频同相，当位移时，u2与us同频反相。

当u2与us均为正半周时,VD1、VD4截止M点+VD2、VD3导通O点-当u2与us均为负半周时,VD2、VD3截止M点+VD1、VD4导通O点-负载RL两端得到的电压U0始终为正

当us均为正半周时,VD1、VD4截止M点-VD2、VD3导通O点+当us均为负半周时,VD2、VD3截止M点-VD1、VD4导通O点+负载RL两端得到的电压U0始终为负

图4-20波形图（a）被测位移变化波形图;（b）差动变压器激磁电压波形;（c）差动变压器输出电压波形

(d)相敏检波解调电压波形；

(e)相敏检波输出电压波形四、应用差动变压器位移传感器电感式传感器案例：板的厚度测量

~案例：张力测量压力测量加速度测量液面高度测量1-悬臂梁2-差动变压器一、原理:涡流效应4.3涡流式电感式传感器原线圈的等效阻抗Z变化：电感式传感器电涡流效应与被测体的电阻率ρ有关磁导率μ以及几何形状r有关线圈几何参数、线圈中激磁电流频率f有关，还与线圈与导体间的距离x有关高频反射式涡流传感器—自感型低频透射式涡流传感器—互感型根据激励频率不同分为电感式传感器二、电涡流形成范围电涡流的径向形成范围

①

电涡流径向形成范围大约在传感器线圈外径ras的1.8～2.5倍范围内，且分布不均匀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

的短路环来集中表示分散的电涡流（图中阴影部分）。

电感式传感器图4-25电涡流密度J与半径r的关系曲线电涡流强度与距离的关系

电涡流强度I与距离x呈非线性关系

在x/ras<<1时，有较好的线性和灵敏度。

电涡流的轴向贯穿深度

I1——线圈激励电流；

I2——金属导体中等效电流；涡流传感器的结构及特性

三.电涡流传感器测量电路调频式电路图4-28调频式测量电路(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Ｖ1)以及射极输出电路两部分组成。振荡器的频率为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L、电容器C和石英晶体组