第三章电感传感器

第三章电感传感器第1页，共55页，2023年，2月20日，星期三第3章电感传感器优点：具有很高的灵敏度和精确度，非常好的线性特性和重复性以及性能稳定、工作可靠、寿命长。在位移、振动、压力、流量等参数测量中应用广泛。缺点：不适合测量接近或高于传感器激励电源频率的动态信号。第2页，共55页，2023年，2月20日，星期三磁阻（Rm）

互感（M）涡流传感器互感传感器自感传感器自感（L）被测量4.1自感传感器4.2互感传感器（差动变压器）4.3涡流传感器4.4电感传感器的应用第3页，共55页，2023年，2月20日，星期三3.1自感传感器3.1.1

简单的自感传感器3.1.2

差动自感传感器3.1.3

自感传感器测量电路第4页，共55页，2023年，2月20日，星期三

线圈的电感L：

w—线圈匝数；—磁路的总磁阻。l：各段导磁体的磁路平均长度；μ：各段磁导率；

S：各段导磁体的横截面积；

δ：空气隙的厚度。3.1.1

简单的自感传感器第5页，共55页，2023年，2月20日，星期三因为铁芯的导磁能力远远大于气隙的导磁能力，有可以得到三种结构类型的自感传感器：①改变气隙厚度δ的自感传感器；②改变气隙截面积

S

的自感传感器；③改变导磁系数μ的自感传感器。第6页，共55页，2023年，2月20日，星期三第7页，共55页，2023年，2月20日，星期三1．改变气隙厚度的自感传感器

当δ=0时，L并不等于∞，而是接近于无气隙情况下由导磁体的磁阻决定的自感值，如图中虚线所示。

当气隙δ过大时，漏磁增加，灵敏度减小；当δ=∞时，自感L与衔铁无关，完全取决于空气磁阻（漏磁磁阻）.因此，衔铁的测量行程是非常小的,最大示值范,原始气隙δ一般在0.1~0.5mm之间。第8页，共55页，2023年，2月20日，星期三2．改变气隙截面积S

的自感传感器

电感L与气隙截面积S成正比。优点:示值范围较大，具有较好的线性。当S趋向最大值时，由于气隙的影响，气隙的磁阻将占主导地位，从而使L趋于常数，出现非线性。第9页，共55页，2023年，2月20日，星期三3．改变导磁系数μ的自感传感器（1）螺管插铁型自感传感器（2）压磁式自感传感器第10页，共55页，2023年，2月20日，星期三（1）螺管插铁型自感传感器假设线圈内磁场强度是均匀的，电感相对变化量与衔铁位移相对变化量成正比。优点:自由行程大，示值范围大；制造简单，稳定可靠。缺点:灵敏度低。第11页，共55页，2023年，2月20日，星期三（2）压磁式自感传感器原理:利用铁磁材料的压磁效应。铁磁材料在受外力作用时，材料内部产生应力或应力的变化，引起铁磁材料导磁率μ的变化。该类型传感器用于测量压力、拉力、变矩、扭力、扭矩、重量等。第12页，共55页，2023年，2月20日，星期三压磁效应的物理解释：电子自旋产生的元磁矩。在相邻的原子间，由于元磁矩之间的互相作用力，它驱使相邻的元磁矩平行排列在同一方向上，在物质内部形成许多小区域—磁畴。在无外作用下，各磁畴的磁化强度互相抵消，因而总体不显磁极性。第13页，共55页，2023年，2月20日，星期三有外磁场作用时，磁畴的磁化方向将转向与外磁场平行的方向，铁磁材料呈现磁化现象。在磁化过程当中，各磁畴之间的界限发生移动，因而产生机械变形—磁致伸缩效应。在外力的作用下，引起铁磁材料内部发生应变，使各磁畴之间的界限发生移动，从而使磁畴的磁化方向转变，铁磁材料的磁化强度也发生相应的变化—压磁效应。第14页，共55页，2023年，2月20日，星期三磁弹性应变片试件受力变形，引起应变片变形并改变其导磁率，从而使应变计线圈的阻抗相应地发生变化。第15页，共55页，2023年，2月20日，星期三简单的自感传感器的缺点：①在测量时，线圈始终有一定的激励电流存在，衔铁永远受单一线圈产生的磁场力作用；②线圈电阻受温度影响较大，有温度误差；③电感值受激励电源波动的影响；④不能反映被测量的变化方向。第16页，共55页，2023年，2月20日，星期三3.1.2

差动自感传感器等效测量电路当衔铁向上移动，线圈1的阻抗增加为，线圈2的阻抗减小为，电桥将有输出电流或电压。第17页，共55页，2023年，2月20日，星期三优点:对于干扰、电磁吸力、温度补偿等有一定的补偿作用；改善特性曲线的非线性；提高传感器的灵敏度；如在输出端接入相敏整流电路，可知道衔铁位移的方向，并能消除残余电压。第18页，共55页，2023年，2月20日，星期三交流电桥式交流变压器式谐振式3.1.3

自感传感器测量电路第19页，共55页，2023年，2月20日，星期三

1）交流电桥式第20页，共55页，2023年，2月20日，星期三

1）交流电桥式测量电路把传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂Z1和Z2,另外二个相邻的桥臂用纯电阻代替,对于高Q值（Q=ωL/R）的差动式电感传感器,其输出电压式中:L0——衔铁在中间位置时单个线圈的电感;ΔL——单线圈电感的变化量。将ΔL=L0（Δδ/δ0）代入得f（Δδ/δ0）,电桥输出电压与Δδ有关。第21页，共55页，2023年，2月20日，星期三

2）变压器式交流电桥电桥两臂Z1、Z2为传感器线圈阻抗,另外两桥臂为次级线圈的1/2阻抗。当负截阻抗为无穷大时,桥路输出电压

当传感器的衔铁处于中间位置,

即Z1=Z2=Z时有=0,电桥平衡。当传感器衔铁上移时,即Z1=Z+ΔZ,Z2=Z-ΔZ,此时第22页，共55页，2023年，2月20日，星期三

当传感器衔铁下移时,则Z1=Z-ΔZ,Z2=Z+ΔZ,此时从式(4-21）及式(4-22）可知,衔铁上下移动相同距离时,输出电压的大小相等,但方向相反,由于是交流电压,输出指示无法判断位移方向,必须配合相敏检波电路来解决。

第23页，共55页，2023年，2月20日，星期三

3）谐振式测量电路谐振式调幅电路谐振式调频电路第24页，共55页，2023年，2月20日，星期三

在调幅电路中,传感器电感L与电容C,变压器原边串联在一起,接入交流电源,变压器副边将有电压输出,输出电压的频率与电源频率相同,而幅值随着电感L而变化。

调频电路的基本原理是传感器电感L变化将引起输出电压频率的变化。一般是把传感器电感L和电容C接入一个振荡回路中,其振荡频率f=1/［2π（LC）1/2］。当L变化时,振荡频率随之变化,根据f的大小即可测出被测量的值。第25页，共55页，2023年，2月20日，星期三3.2互感传感器（差动变压器）3.2.1

互感传感器的结构类型和工作原理

3.2.2

互感传感器的特性第26页，共55页，2023年，2月20日，星期三结构大致可分为三类：衔铁平板式、螺管式、转角式。衔铁平板式螺管式3.2.1

互感传感器的结构类型和工作原理

第27页，共55页，2023年，2月20日，星期三差动变压器WW1W2Esx-x工作原理:互感现象.EwEout第28页，共55页，2023年，2月20日，星期三第29页，共55页，2023年，2月20日，星期三3.2.2互感传感器的特性

1.灵敏度

2.频率特性和相角特性3.线性范围4.温度特性5.吸引力6.零点残余电压及其消除方法第30页，共55页，2023年，2月20日，星期三1.灵敏度

①M：提高Q值，减小损耗；②：在额定条件下，提高激励电源电压是比较好的方法；③ω：过高损耗大，选择合理的铁芯。第31页，共55页，2023年，2月20日，星期三2.频率特性和相角特性

互感传感器的激磁频率范围一般是在10Hz~50kHz之间，激励频率至少要大于衔铁运动频率的十倍。具体应用时频率可在400~5kHz之间选择。当衔铁向下移动通过零点时，由于二次侧线圈反极性串联，电压相位将发生180◦变化，其理想特性如图实线所示，虚线为实际特性。第32页，共55页，2023年，2月20日，星期三3.线性范围

螺管式一般线性范围是线圈骨架长度的1/10到1/4，超出这一范围灵敏度减小，测量精度变差。4.温度特性

温度可产生①热胀冷缩；②电阻值变化；③影响铁芯的导磁特性、铁损、涡流损耗等。通常互感传感器的使用温度在80℃以下，特别制造的高温型可达150℃。5.吸引力

差动变压器的铁芯所受磁性吸引力的大小为：第33页，共55页，2023年，2月20日，星期三6.零点残余电压及其消除方法残余电压产生原因：①次级线圈的结构不对称；②激磁电压中的高次谐波及铁磁材料的磁滞等。消除方法：采用相敏整流电路。使图中的特性曲线1变成曲线2，不仅使输出能反映铁心的移动方向，而且使零点残余电压可以小到忽略不计的程度。第34页，共55页，2023年，2月20日，星期三3.3涡流传感器3.3.1原理3.3.2涡流传感器的结构形式第35页，共55页，2023年，2月20日，星期三涡流效应3.3.1原理涡流传感器:利用电涡流效应将被测物理量转化为电参数来进行测量。第36页，共55页，2023年，2月20日，星期三当线圈通有激磁电流i时，将产生交变磁场Φi。根据电磁感应定律，在被测导电体内便产生电涡流ie，此涡流又将产生一磁场Φe，Φe与Φi方向相反，因而抵消部分原磁场，从而导致线圈的电感量、阻抗和品质因数发生改变。涡流i的大小与ρ、μ、t、x，励磁电流角频率ω等参数相关。第37页，共55页，2023年，2月20日，星期三第38页，共55页，2023年，2月20日，星期三3.3.2涡流传感器的结构形式1.变间隙型涡流传感器2.变面积型涡流传感器第39页，共55页，2023年，2月20日，星期三3.螺管型涡流传感器第40页，共55页，2023年，2月20日，星期三4.低频透射涡流传感器

传感器有两个线圈组成，一个发射线圈，一个接受线圈，并分别位于被测材料的两侧。被测导体越厚，电涡流损耗越小，发射线圈的磁力线被抵消的越多，这样到达接受线圈的磁力线越小，感应电动势也就越小。第41页，共55页，2023年，2月20日，星期三3.4电感传感器的应用1.YDC型压力传感器由弹簧管、差动变压器组成。第42页，共55页，2023年，2月20日，星期三张力测量第43页，共55页，2023年，2月20日，星期三2.厚度测量第44页，共55页，2023年，2月20日，星期三板的厚度测量~第45页，共55页，2023年，2月20日，星期三第46页，共55页，2023年，2月20日，星期三3.加速度传感器第47页，共55页，2023年，2月20日，星期三4.LYD型转子流量传感器

输出电压大小与浮子的高度成正比浮子的高度又与流量成正比得到输出电压与流量的关系第48页，共55页，2023年，2月20日，星期三5.振幅计用多个传感器并排安放在轴侧，当轴