第四章-电感传感器教材

第四章电感传感器电感传感器气隙型螺管型电感线圈的等效电路电感传感器的测量电路差动变压器式传感器工作原理主要特性补偿技术测量电路应用第四章电感传感器

是利用线圈自感和互感的变化实现非电量电测的装置，可测量位移、振动压力、应变等。主要特征是有线圈绕组。主要特点是结构简单；输出功率大；输出阻抗小；分辨率高，线性度、重复性好；但频率响应低，不宜做高频动态测量。电感传感器的分类按转换原理划分，可分为自感式和互感式。前者常称为电感传感器；后者称为差动变压器式传感器。根据结构不同可分为气隙型和螺管型。第一节电感传感器1、气隙型电感传感器根据磁路理论，有：

N：线圈匝数；：磁路总磁阻。

忽略磁路损耗，总磁阻为：

1：铁芯；2：衔铁；

0：气隙当气隙变化时，电感随之改变，但两者间是非线性的。气隙型电感传感器的工作原理

一般有S1=S2=S，，并设气隙总长为,磁路总长为，则磁阻有：一般有，所以。则有：当输入信号为0时，有：气隙型传感器的工作原理

当有输入信号时，设（1）衔铁移动使气隙总长度减小，则电感增加，有：在一定条件下作级数展开，并忽略二阶以上小项，有：

气隙型传感器的工作原理（2）衔铁移动使气隙总长度增加，则电感减小，有：

在一定条件下作级数展开，并忽略二阶以上小项，有：

气隙型传感器的主要性能灵敏度：线性度：说明：（1）气隙型传感器为非线性传感器；（2）气隙增加与减少时的电容变化不等，且随着输入信号相对变化的增加而增加；结论：气隙型传感器只能用于微位移测量（0.1——1mm）。（3）差动式气隙型电感传感器衔铁移动使气隙长度变化，则电感变化有：在一定条件下作级数展开，并忽略二阶以上小项，有：差动式气隙型电感传感器的主要性能灵敏度：线性度：说明：（1）差动式电感传感器的灵敏度比非差动式的提高1倍；（2）差动式电感传感器的线性度有所改善。2、螺管型传感器的工作原理铁芯在线圈中工作位置的选择；初始电感：韦伯.安培/米

式中分别为进入螺线管的铁芯长度和螺线管长度；分别为铁芯和螺线管半径；N为线圈匝数；为铁芯的相对磁导率。螺管型传感器的工作原理有输入信号时，有：，则有：电感由于铁芯位移产生的变化量为：有输出信号的相对变化为：差动式螺管型传感器铁芯在线圈中的工作位置：输出信号：说明：灵敏度提高了一倍；存在由于磁场的非均匀性导致的非线性，有差动式结构的测量范围一般为：5—50mm。3、电感线圈的等效电路铜损电阻

涡流损耗电阻和磁滞损耗电阻并联寄生电容C：由线圈的固有电容和电缆分布电容组成。等效阻抗：构成总损耗电阻电感线圈的等效电路电感此时的相对变化为：可得到与电容传感器相类似的结论，即电感传感器的使用条件应与标定条件一致。4、电感传感器的测量电路交流电桥半桥工作

其中、为差动式电感传感器，另两臂为固定电阻，且有==，。在理想条件下有：变压器电桥其中、仍为差动式电感传感器，另两臂为变压器次级线圈。变压器电桥特点：元件少，输出阻抗小。理想条件下的输出电压：初条件：，有。有输入信号时：，（正向移动）

有：反之，有

不仅可以测量输入信号的大小，而且可以判断其方向第二节差动变压器式传感器变压器副边是由材料（参数）、结构和尺寸相同的两个线圈反向串联而成；且变压器原、副边之间的互感随铁芯移动作相应变化。初级线圈电流：两个次级线圈感应电压：

式中L1为初级线圈自感，M为两个次级线圈互感，为电源角频率。1、差动变压器式传感器工作原理空载输出电压：输出电压幅值：初始状态：（衔铁处于中间位置），有衔铁上移时：，有：衔铁下移时：，有：2、差动变压器式传感器主要特性近似条件：（1）忽略漏磁；（2）忽略动衔铁和外层铁磁壳上的磁阻。输入与输出的关系：

x：衔铁位移量；为灵敏度（c是结构参数）；

：为非线性系数。它与结构以及衔铁初始位置有关。

推导思路：安培环路定理（Bi）

磁链定义（）

互感定义（M）差动变压器式传感器主要特性灵敏度：时，有；时，有，近似与供电频率无关。一般有，。差动变压器式传感器主要特性线性度由于衔铁位移量与输出量之间不是线性关系，所以存在线性度。一般的线性范围是：温度效应小型低频：-0.3%/度；大型高频：（-0.1—0.05）%/度。存在的问题之一

输入与输出之间是非单值函数。即输出电压只反映位移量的大小，而不反映它的移动方向。解决方法：利用特殊的检测电路实现判向，如变压器电桥等。3、补偿技术交流源采取稳压措施以保证输出不受其漂移的影响。温度效应零点残余电压（e20）及其补偿现象：当差动变压器衔铁处于中间位置时，理想情况下输出应为零，但实际输出不为零，有一个几mv—几十mv的零点电压存在。零点残余电压（e20）及其补偿E20的成分：它包括与电源电压同频正交的分量；同相成分；以及其二次谐波、

三次谐波以及电磁干扰等。产生原因：（1）基波分量-由于次级线圈绕组结构不均匀造成；（2）高次谐波-由于导磁材料磁化曲线的非线性引起。零点残余电压的补偿方式结构补偿：制作时注意结构对称、均匀，并注意选材；并采用拆圈法对传感器进行组装。电路补偿法：

可采取加串并联电阻；或加并联电容；或加反馈绕组；或加反馈电容的方法。

其它存在的问题

输入与输出之间是非单值函数。即输出电压只反映位移量的大小，而不反映它的移动方向。解决方法：利用特殊的检测电路实现判向，如变压器电桥等。四、测量电路

所用电路的出发点：不仅能测量衔铁位移的大小，而且能测量移动的方向。

常采用的电路是：差动整流电路和相敏检波电路。1、差动整流电路

说明：无论电源是正半周还是负半周供电，都有：差动整流电路传感机制铁芯处于中间位置时，有：则有：。铁芯下移时，有：则有：。反之，有：。

可用该电路判断铁芯位移的大小和方向。2、二极管相敏检波电路

说明：er-调制电压，且；R-零点调节电位器；

-输出电压；移相器功能：使er和e1保持同相。二极管相敏检波电路工作条件：R1=R2=R；C1=C2=C；D1—D4性能相同工作机制：

1、铁芯在中间位置，有：e2=e21-e22=0。

输出电压等于0.相敏检波电路的工作机制

2、铁芯上移，有：。（1）设er为正半周，则有A+，B-；。

电阻上的电流流向：i1，i2；大小：。（2）设er为负半周，则有A-，B+

；。

电阻上的电流流向：i3，i4；大小：。

前者有：

后者有：

即铁芯上移时，输出电压大于0。相敏检波电路的工作机制

3、铁芯下移，有：。（1）设er为正半周，则有A+，B-；。

电阻上的电流流向：i1，i2

；。

（2）设er为负半周，则有A-，B+

；。电阻上的电流流向：。即铁芯下移时，输出电压小于0。i3，i4；相敏检波电路的结论和说明利用该电路可以实现对铁芯移动方向的判断！动态测量时，应与低通滤波器配合使用。5、差动变压器式传感器的应用常用于与位移有关的物理量的电测。（1）差动变压器式加速度传感器振幅的测量范围:0.1—5mm;频率的测量范围：0—150HZ。（2）微压力变送器测量范围：。输出电压：0—50mv；精度：1.5级。第四章电感传感器小结

——工作原理和主要性能电感传感器差动变压器式传感器气隙型螺管型第四章电感传感器小结

——测量电路电感传感器差动变压器式传感器气隙