第三章电感式传感器

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电感式传感器：利用线圈自感或互感量系数的变化来实现非电量电测的一种装置。可以进行如力、压力、压差、加速度、振动、工件尺寸均可测量。本章要点：1、自感式传感器的结构、工作原理。2、差动变压器的结构、工作原理、测量电路重点掌握差动螺线管式电感传感器。3、掌握差动相敏检波电路以及一次仪表的相关知识。4、电感式传感器的应用。第三章电感式传感器

10/24/20231传感器工作原理：N：线圈匝数；A：气隙的有效截面积；

0：真空磁导率；

：气隙厚度。

电感量计算公式

：固定任意两个量就可以进行某一个量的测量：变隙式、变面积式、螺线管式第一节自感式传感器10/24/20232自感式电感传感器常见的形式

a)变隙式b)变截面式c)单线圈螺线管式

10/24/20233先看一个实验：

将一只380V交流接触器线圈与交流毫安表串联后，接到机床用控制变压器的36V交流电压源上，如图所示。这时毫安表的示值约为几十毫安。用手慢慢将接触器的活动铁心（称为衔铁）往下按，我们会发现毫安表的读数逐渐减小。当衔铁与固定铁心之间的气隙等于零时，毫安表的读数只剩下十几毫安。

一、变隙式传感器10/24/20234电感传感器的基本工作原理演示F220V36V10/24/20235电感传感器的基本工作原理演示气隙变小，电感变大，电流变小10/24/20236一、变隙式传感器工作原理：

从公式看出：

电感量与气隙厚度成反比。与有效截面积A成正比。气隙厚度大，电感量变小，感抗小，线路电流大；气隙厚度小，电感量变大，感抗大，线路电流小。

N：线圈匝数；A：气隙的有效截面积；

0：真空磁导率；

：气隙厚度；f为电源频率；XL：：感抗

电感量计算公式

：10/24/20237变隙式传感器：灵敏度计算公式

：

为初始气隙厚度L0为初始电感量从公式看出：灵敏度与初始气隙厚度有关，呈非线性，测量较小位移较精确，为减小误差实际测量多采用差动形式。

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10/24/20238二、变面积式电感传感器的基本工作原理

线性区较小，灵敏度较低，使用少。三、单线圈螺线管式电感传感器单线圈螺线管式电感传感器，当衔铁工作在螺线管的中部时，可以认为线圈内磁场强度是均匀的，此时线圈电感量L与衔铁插入深度l大致成正比。特点与应用范围：结构简单，制作容易，但灵敏度稍低，适用于测量稍大一点的位移。10/24/20239四、差动电感传感器的特性

1、结构如图

1-差动线圈2-铁心3-衔铁4-测杆5-工件

差动电感传感器的结构要求是两个导磁体的几何尺寸完全相同，材料性能完全相同；两个线圈的电气参数（电感、匝数、直流电阻、分布电容）和几何尺寸完全相同。10/24/202310四、差动电感传感器的特性

2、特性

在变隙式差动电感传感器中，当衔铁随被测量移动而偏离中间位置时，两个线圈的电感量一个增加，一个减小，形成差动形式。抵消温度、噪声干扰，从而减小测量误差。

从灵敏度公式看出灵敏度为非差动2倍。10/24/202311

曲线1、2为L1、L2的特性，3为差动特性

如图单线圈电感传感器与差动式电感传感器的特性比较，差动式电感传感器的线性范围较大。

结论：差动形式测量误差小、线性范围宽、灵敏度大。10/24/202312五、测量转换电路

1、桥式测量转换电路相邻两工作臂Z1、Z2是差动电感传感器的两个线圈阻抗。另两臂为激励变压器的二次绕组。输入电压约为10V左右，频率约为数千赫，输出电压取自A、B两点。阻抗为高品质因数

10/24/20231310/24/202314当衔铁处于中间位置时桥路平衡：输出电压：Uo=0。当衔铁下移时：下线圈感抗增加，而上线圈感抗减小时。输出电压绝对值增大，其相位与激励源同相。输出电压：衔铁上移时：输出电压的相位与激励源反相。

输出电压：10/24/2023152、相敏检波电路：在桥路的输出端接上普通仪表，显示不出相位和衔铁的位移方向如果输出电压在送到指示仪前经过一个能判别相位的检波电路，则不但可以反映位移的大小（的幅值），还可以反映位移的方向（的相位）。这种检波电路称为相敏检波电路。

相敏检波电路的输出电压为直流，其极性由输入电压的相位决定。当衔铁向下位移时，检流计的仪表指针正向偏转。当衔铁向上位移时，仪表指针反向偏转。采用相敏检波电路，得到的输出信号既能反映位移大小，也能反映位移方向。10/24/202316相敏检波输出特性曲线a）非相敏检波b）相敏检波1—理想特性曲线2—实际特性曲线

10/24/202317第二节差动变压器式传感器

电源中用到的“单相变压器”有一个一次线圈（又称为初级线圈），有若干个二次线圈（又称次级线圈）。当一次线圈加上交流激磁电压Ui后，将在二次线圈中产生感应电压UO。

一、差动变压器式传感器的结构与工作原理

一次线圈衔铁测杆二次线圈10/24/202318差动变压器式传感器的结构与工作原理

差动变压器式传感器是把被测位移量转换为一次线圈与二次线圈间的互感量M的变化的装置。当一次线圈接入激励电源之后，二次线圈就将产生感应电动势，当两者间的互感量变化时，感应电动势也相应变化。由于两个二次线圈采用差动接法，故称为差动变压器。目前应用最广泛的结构型式是螺线管式差动变压器。

差动变压器的结构原理如图。在线框上绕有一组输入线圈（称一次线圈）；在同一线框的上端和下端再绕制两组完全对称的线圈（称二次线圈），它们反向串联，组成差动输出形式。图中标有黑点的一端称为同名端，通俗说法是指线圈的“头”。

10/24/202319二、差动变压器式传感器的差动连接方法

结构特点：两个二次线圈反向串联，组成差动输出形式。二次线圈线圈N21、N22

的有关端点正确地连接起来10/24/202320差动变压器式传感器的差动连接方法

差动变压器的结构形式较多,应用最多的是螺线管式差动变压器结构：中间初级，两边次级铁芯在骨架中间可上下移动这种传感器根据变压器的基本原理制成，并将次级线圈绕组用差动形式连接它可测量1—100mm范围内机械位移。次级次级骨架初级衔铁次级次级初级10/24/202321三、灵敏度与线性度1、灵敏度

差动变压器的灵敏度一般可达0.5~5V/mm，行程越小，灵敏度越高。为了提高灵敏度，励磁电压在10V左右为宜。电源频率以1~10kHz为好。2、线性范围差动变压器线性范围约为线圈骨架长度的1/10左右。能达到100mm以上。10/24/202322四、测量转换电路

差动变压器的输出电压是交流分量，它与衔铁位移成正比，其输出电压如用交流电压表来测量时，无法判别衔铁移动的方向。解决办法：（1）采用差动相敏检波电路（2）采用差动整流电路10/24/20232310/24/2023242、Rp的作用：Rp用来微调电路平衡的。

分析测量转换电路1、差动整流电路：

差动变压器的二次电压、分别经VD1～VD4、VD5～VD8两个普通桥式电路整流，变成直流电压Uao和Ubo。由于Uao与Ubo是反向串联的，该电路是以两个桥路整流后的直流电压之差作为输出的，所以称为差动整流电路。Uc3=Uab=Uao-Ubo铁芯T在中间位置：Uo=0T上移：Uo＞0T下移：Uo＜010/24/202325b图是当衔铁上移时的各点输出波形。当差动变压器采用差动整流测量电路时，应恰当设置一次线圈和二次线圈的匝数比，使、在衔铁最大位移时，仍然能大于二极管死区电压（0.5V）的10倍以上，才能克服二极管的正向非线性的影响，减小测量误差。3、低通滤波电路：Ｃ3、Ｃ4、Ｒ3、Ｒ4组成低通滤波电路，其时间常数τ必须大于Ｕi周期的十倍以上。4、差动减法放大器：A及R21、R22、Rf、R23组成差动减法放大器，用于克服a、b两点的对地共模电压。10/24/202326第三节电感式传感器的应用

自感式电感传感器和差动变压器式传感器主要用于位移测量，凡是能转换成位移变化量的参数，如力、压力、压差、加速度、振动、工件尺寸均可测量。10/24/202327一、位移测量

轴向式电感测微器的内部结构：1—引线电缆2—固定磁筒3—衔铁4—线圈5—测力弹簧6—防转销7—钢球导轨（直线轴承）8—测杆9—密封套10—测端11—被测工件12—基准面10/24/202328轴向式电感测微器的外形

航空插头红宝石测头测量过程测量时红宝石（或钨钢）测端接触被测被测物尺寸的微小变化使衔铁在差动线圈中产生位移，造成差动线圈电感量的变化此电感变化通过电缆接到交流电桥，电桥的输出电压反映了被测体尺寸的变化测微仪器的最小量程为

3μm。其它感辨头10/24/202329模拟式及数字式电感测微仪该仪表各档量程为±3、±10、±30、±100um相应指示表的分度值为0.1、0.5、1.5um分辨力达0.1um，精度为0.1%左右。10/24/202330二、电感式滚柱直径分选装置

1—气缸2—活塞3—推杆4—被测滚柱5—落料管6—电感测微器7—钨