第4章 电感式传感器

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第4章电感式传感器4.1变磁阻式传感器4.2差动变压器式传感器

4.3电涡流式传感器

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第4章电感式传感器概述

传感器原理及应用

电感式传感器利用电磁感应定律将被测非电量(如位移、压力、流量、振动)转换为电感系数或互感系数的变化。按传感器结构可分为：自感式、互感式、电涡流式。

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第4章电感式传感器概述

传感器原理及应用电感粗糙度仪接近式传感器

各种电感式传感器

非接触式位移传感器

测厚传感器

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第4章电感式传感器概述

传感器原理及应用

电感应用

电感传感器测量滚珠直径，实现按误差分装塞选

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第4章电感式传感器

传感器原理及应用

优点：有结构简单,工作可靠,测量精度高,零点稳定,输出功率较大等一系列优点,缺点：其主要缺点是灵敏度、线性度和测量范围相互制约,传感器自身频率响应低,不适用于快速动态测量。这种传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制,

在工业自动控制系统中被广泛采用。这类传感器的主要特征是具有线圈绕组。

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传感器原理及应用

4.1变磁阻式传感器(自感式)4.1.1工作原理

结构:由线圈、铁芯、衔铁三部分组成。铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为σ;传感器运动部分与衔铁相连，衔铁移动时σ发生变化，引起磁路的磁阻Rm变化，使电芯线圈的电感值L变化；只要改变气隙厚度或气隙截面积就可以改变电感。

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传感器原理及应用

4.1变磁阻式传感器(自感式)4.1.1工作原理在铁芯和衔铁之间有气隙,气隙厚度为δ,传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时,气隙厚度δ发生改

变,引起磁路中磁阻变化,从而导致电感线圈的电感值变化,因此只要能测出这种电感量的变化,就能确定衔铁位移量的大小和方向。设Rm——磁路总磁阻。对于变隙式传感器,由于气隙很小,所以可以认为气隙中的磁场是均匀的。若忽略磁磁阻是磁路对磁通路磁损,则磁路总磁阻为具有阻碍作用的物理量

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传感器原理及应用

4.1变磁阻式传感器(自感式)4.1.1工作原理L1L22Rm=SSS112200式中:μ1——铁芯材料的导磁率;μ2——衔铁材料的导磁率;L1——磁通通过铁芯的长度;L2——磁通通过衔铁的长度;

S1——铁芯的截面积;S2——衔铁的截面积;μ0——空气的导磁率;

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4.1变磁阻式传感器(自感式)4.1.1工作原理S0——气隙的截面积;——气隙的厚度。寻常气隙磁阻远大于铁

芯和衔铁的磁阻,即

2L1u0s0u1s12L2u0s0u2s2

则可近似为

2Rm=us00

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传感器原理及应用

4.1变磁阻式传感器(自感式)4.1.1工作原理线圈自感可按下式计算：

N2L

N0S0Rm22

式中：N线圈匝数；Rm磁路总磁组；So气隙的截面积；σ气隙厚度；μo导磁率(真空、空气)

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4.1变磁阻式传感器(自感式)4.1.2输出特性L

电感初始气隙σ0处初始电感量为L0N20S0L020L0+ΔL0L0L0-ΔL0

衔铁位移Δσ引起的电感变化为：σ0

σ

N20S0LL0L2(0)

N20S0(1

20)

0

L01

0

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4.1变磁阻式传感器(自感式)4.1.2输出特性

Δσ/σ《1时，用泰勒级数展开

LL0LL0[1

0

(

0

)(2

0

)3]

衔铁上移时L223[1()]()()L0000000

衔铁下移时L223[1()]()()L0000000

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4.1变磁阻式传感器(自感式)4.1.2输出特性

对上式作线性处理忽略高次项时定义灵敏度

Lk0

LL00

L0

1

0

探讨：传感器测量范围与灵敏度和线性度相矛盾；变间隙式电感传感器用于小位移比较确切；一般Δσ/σ=0.1-0.2;为减小非线性误差，实际测量中多采用差动式。

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传感器原理及应用

4.1变磁阻式传感器(自感式)4.1.2输出特性

差动式原理：差动变隙式由两个一致的线圈和磁路组成。当被测量通过导杆使衔铁上下位移时，两个回路中磁阻发生大小相等、方向相反的变化，形成差动形式。

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传感器原理及应用

4.1变磁阻式传感器(自感式)4.1.2输出特性电感的变化为：

LL1L22L0

0

[1(

0

)(2

0

)]4

对上式进行线性处理并忽略高次项：L2差动式灵敏度为：L00LK0L02

0

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传感器原理及应用

4.1变磁阻式传感器(自感式)4.1.2输出特性

探讨：比较单线圈，差动式的灵敏度提高了一倍；差动式非线性项比单线圈多乘了(Δσ/σ)因子；不存在偶次项，因Δσ/σ

1,线性度得到改善。差动式的两个电感结构，可抵消温度、噪声干扰的影响。

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传感器原理及应用

4.1变磁阻式传感器(自感式)4.1.3测量电路(转换电路)电感式传感器的测量电路有交流电桥式、交流变压器式以

及谐振式等几种形式。将传感器电感接入不同的转换电路后，原则上可将电感变化转换成电压(电流)的幅值、频率、相位的变化，它们分别称为调幅、调频和调相。

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4.1变磁阻式传感器(自感式)4.1.3测量电路(转换电路)(1)交流电桥式

两个桥臂由一致线圈组成，另外两个为平衡电阻

交流电桥结构示意图

等效电路

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传感器原理及应用

因

4.1变磁阻式传感器(自感式)4.1.3测量电路(转换电路)(1)交流电桥式

Z1Z0jL1,Z2Z0jL