自感式传感器

自感式传感器第1页，课件共33页，创作于2023年2月内容利用测量电路改变磁路的磁阻，导致线圈电感量的变化，或利用被测量改变传感器电容量，或改变等效阻抗等，实现非电量转换。本章主要介绍自感式传感器、差动变压器、电涡流式传感器、电容式传感器的工作原理与应用。第2页，课件共33页，创作于2023年2月8.1自感式传感器

8.1.1工作原理8.1.2变气隙式自感传感器8.1.3变面积式自感传感器8.1.4螺线管式自感传感器8.1.5自感式传感器测量电路8.1.6自感式传感器应用举例第3页，课件共33页，创作于2023年2月8.1.1工作原理

线圈自感

Ψ——线圈总磁链,单位：韦伯；I——通过线圈的电流，单位：安培；W——线圈的匝数；Rm——磁路总磁阻，单位：1/亨。a)气隙型b)截面型

c)螺管型自感式传感器原理图第4页，课件共33页，创作于2023年2月

li

——各段导磁体的长度；u

i——各段导磁体的磁导率；Si

——各段导磁体的截面积；

δ

——空气隙的厚度；u0

——真空磁导率S——空气隙截面积变气隙型传感器变截面型传感器

图c中，线圈中放入圆形衔铁，自感可变，螺管型传感器。图a中气隙较小，可近似为：可得：第5页，课件共33页，创作于2023年2月8.1.2变气隙式自感传感器

通常气隙的磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻

L与δ之间是非线性关系

(8.1.6)可得：则：第6页，课件共33页，创作于2023年2月当衔铁处于初始位置时，初始电感量为：当衔铁上移Δδ时，则代入式（8.1.6）式并整理得第7页，课件共33页，创作于2023年2月上式用泰勒级数展开成如下的级数形式

同理，当衔铁随被测物体的初始位置向下移动时，有(8.1.11)(8.1.13)第8页，课件共33页，创作于2023年2月泰勒级数泰勒级数的定义:若函数f（x）在点的某一邻域内具有直到（n+1）阶导数，则在该邻域内f（x）的n阶泰勒公式为：以上函数展开式称为泰勒级数。泰勒级数在近似计算中有重要作用。在泰勒公式中，取x0=0，得到的级数称为麦克劳林级数。第9页，课件共33页，创作于2023年2月对式（8.1.11）（8.1.13）作线性处理，即忽略高次项后可得灵敏度为变间隙式自感传感器的测量范围与灵敏度及线性度是相矛盾的，因此变隙式自感式传感器适用于测量微小位移场合。为了减小非线形误差，实际中广泛采用差动变隙式电感传感器第10页，课件共33页，创作于2023年2月差动变隙式电感传感器

1-铁芯；2-线圈；3-衔铁当衔铁向上移动时，两个线圈的电感变化量ΔL1、ΔL2

第11页，课件共33页，创作于2023年2月对上式进行线性处理，即忽略高次项得

灵敏度k0为（1）差动变间隙式自感传感器的灵敏度是单线圈式传感器的两倍。（2）单线圈是忽略以上高次项，差动式是忽略以上高次项，因此差动式自感式传感器线性度得到明显改善。第12页，课件共33页，创作于2023年2月8.1.3变面积式自感传感器传感器气隙长度保持不变，令磁通截面积随被测非电量而变，设铁芯材料和衔铁材料的磁导率相同，则此变面积自感传感器自感L为灵敏度变面积式自感传感器在忽略气隙磁通边缘效应的条件下，输入与输出呈线性关系；因此可望得到较大的线性范围。但是与变气隙式自感传感器相比，其灵敏度降低。铁芯和衔铁磁阻气隙磁阻第13页，课件共33页，创作于2023年2月8.1.4螺线管式自感传感器1-螺线管线圈Ⅰ；2-螺线管线圈Ⅱ；3-骨架；4-活动铁芯L10，L20——分别为线圈Ⅰ、Ⅱ的初始电感值；rc为活动铁心半径，2lc为活动铁心长度(8.1.21)初始位置：第14页，课件共33页，创作于2023年2月当铁芯移动（如右移）后，使右边电感值增加，左边电感值减小

根据以上两式，可以求得每只线圈的灵敏度为两只线圈的灵敏度大小相等，符号相反，具有差动特征。

考虑，lc与l，rc与r是同数量级，式(8.1.21)和式(8.1.24)可简化为(8.1.24)可见，当l与lc为常数时，增加W，ur，rc都可以使L0，k1，k2提高。第15页，课件共33页，创作于2023年2月8.1.5自感式传感器测量电路1.调幅电路2.调频电路3.调相电路4.自感传感器的灵敏度第16页，课件共33页，创作于2023年2月1.调幅电路

(1)变压器电路交流电桥，输出空载电压初始平衡状态，Z1=Z2=Z,u0=0衔铁偏离中间零点时使用元件少，输出阻抗小,获得广泛应用

u0z2z1u/2u/2传感器第17页，课件共33页，创作于2023年2月传感器衔铁移动方向相反时

空载输出电压

两种情况的输出电压大小相等，方向相反，即相位差1800，为了判别衔铁位移方向，就是判别信号的相位，要在后续电路中配置相敏检波器来解决。第18页，课件共33页，创作于2023年2月(2)相敏检波电路组成：Z1、Z2为传感器两线圈的阻抗，Z3＝Z4构成另两个桥臂，U为供桥电压，U。为输出。原理：当衔铁在中间位置时，Zl=Z2＝Z，电桥平衡，Uo＝0。若衔铁上移，Z1增大,Z2减小。如供桥电压为正半周，即A点电位高于B点，二极管D1、D4导通，D2、D3截止。在A—E—C—B支路中C点电位由于Z1增大而降低；在A—F—D—B支路中，D点电位由于Z2减小而增高。因此D点电位高于C点，输出信号为正。如供桥电压为负半周，B点电位高于A点，二极管D2、D3导通，D1、D4截止。在B—C—F－A支路中，点电位由于Z2减小而比平衡时降低；在B—D—E—A支路中，D点电位则因Z1增大而比平衡时增高。因此D点电位仍高于C点，输出信号仍为正。同理可以证明，衔铁下移时输出信号总为负。输出信号的正负代表了衔铁位移的方向。第19页，课件共33页，创作于2023年2月(a)非相敏整流电路；（b）相敏整流电路使用相敏整流，输出电压U0不仅能反映衔铁位移的大小和方向，而且还消除零点残余电压的影响。非相敏整流和相敏整流电路输出电压比较第20页，课件共33页，创作于2023年2月(3)谐振式调幅电路组成：传感器电感L、固定电容C和变压器T串联。原理：变压器二次侧输出，幅值随电感L变化而变化。性能：电路的灵敏度很高，但是线性差，适用于线性要求不高的场合。第21页，课件共33页，创作于2023年2月2.调频电路传感器电感L、固定电容C并联接入振荡电路，传感器自感变化将引起输出电压频率的变化，振荡频率为：

GCLf灵敏度很高，但线性差，适用于线性要求不高的场合。

Lf0第22页，课件共33页，创作于2023年2月3.调相电路

传感器电感变化将引起输出电压相位变化组成：相位电桥，一臂为传感器L（高Q值），另一臂为固定电阻R。根据向量关系，有：当L有微小变化时，相应相位变化为：第23页，课件共33页，创作于2023年2月4.自感传感器的灵敏度

传感器结构灵敏度转换电路灵敏度总灵敏度

自感传感器的灵敏度是指传感器结构（测头）和转换电路综合在一起的总灵敏度。下以调幅电路为例分析。第24页，课件共33页，创作于2023年2月

上式分三项，第一项决定于传感器的类型，第二项决定于转换电路的形式，第三项决定于供电电压的大小。

传感器灵敏度的单位为mV/(μm·V)，电源电压为1V，衔铁偏移1μm时，输出电压为若干毫伏。气隙型、变压器电桥传感器

根据8.1.15根据8.1.29变气隙传感器高Q值电感第25页，课件共33页，创作于2023年2月8.1.6自感式传感器应用举例1.自感式位移传感器2.自感式压力传感器第26页，课件共33页，创作于2023年2月1.自感式位移传感器下图所示是一个测量尺寸用的轴向自感式传感器测头测杆电感线圈磁芯原理：电感线圈配置成差动形式，弹簧产生复原力。测量端有位移，测杆移动带动磁芯移动，产生差动电感，信号输出，位移消失，复位。用于几何测量，如位移、轴的跳动、零件受热变形等。第27页，课件共33页，创作于2023年2月第28页，课件共33页，创作于2023年2月第29页，课件共33页，创作于2023年2月第30页，课件共33页，创作于2023年2月第31页，课件共33页，创作于2023年2月2.自感式压力传感器变隙式自感压力传感器