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1、1第 4 章 电感式传感器（6 学时）电感式传感器是利用线圈自感或互感的变化来实现测量的一种装置。可以用来测量位移、振动、压力、流量、重量、力矩、应变等多种物理量。电感式传感器的核心部分是可变自感或可变互感，在被测量转换成线圈自感或互感的变化时。一般要利用磁场作为媒介或利用铁磁体的某些现象。这类传感器的主要特征是具有线圈绕组。本章主要内容电感式传感器种类很多，一般分为自感式和互感式两大类。习惯上讲的电感式传感器通常指自感式传感器，而互感式传感器由于是利用变压器原理，又往往做成差动形式，所以常称为差动变压器式传感器。4.1 自感式传感器 (变磁阻式传感器）4.2 互感式传感器（差动变压器式传感器
2、）4.3 电涡流式传感器 4.4 电感式传感器的应用本章教学目标及重点、难点一. 教学要求1.了解自感式电感传感器的工作原理，2. 掌握变间隙自感式传感器的灵敏度3.了解差动式变间隙自感式传感器的优点4.掌握检测线路交流变压器式电桥的工作原理及其特点。26.了解差动变压器的工作原理及其结构；了解零点残余电压的产生和解决方法。7. 了解电感式传感器的应用。8. 了解电涡流传感器的工作原理，二. 重点及难点重点：变间隙式电感传感器的工作原理，差动式变间隙电感传感器的优点。差动变压器的原理和应用。差动变压器零点残余电压的消除方法。难点：电涡流传感器的原理和影响电涡流传感器的因数。电涡流传感器的应用高
3、频反射式和低频透射式。9. 掌握影响电涡流传感器的因数以及电涡流传感器测量位移和温度的机理。10. 掌握电涡流传感器的应用高频反射式电涡流传感器和低频透射式电涡流传感器的应用。34.1 自感式传感器 变磁阻式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料制成。在铁芯和衔铁之间有气隙，传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度 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。 一. 变气隙厚度的自感式传感器(变磁阻式传感器）1. 基本结构：由线圈、铁芯和衔铁三部分组成，如图4-1所示。图 4-1 变气隙
4、厚度的自感式传感器2. 工作原理：把被测量转换成线圈的自感L变化，通过一定的电路转换成电压或电流输出。图中A1、A2分别为定铁芯和衔铁(动铁芯) 的截面积， 为气隙厚度，I 为通过线圈的电流(单位：A) ， W为线圈的匝数。在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为，传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导4致电感线圈的电感值发生变化。因此，只要能测出电感线圈电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。线圈自感系数为： mRWIL2、W线圈总磁链和匝数；I流过线圈电流；Rm磁路的总磁阻；由于气隙较小，可认为气隙磁场是均匀的，如果忽略磁路损耗，那么总磁阻为
5、： AlRniim012li 、 i、A i 各段导磁体的长度的长度及对应的磁导率和截面积。、 0、A空气隙的长度及对应的磁导率和截面积。 0=410-7 H/m由于铁芯的磁导率远大于空气隙的磁导率，所以空气磁阻R m0远大于铁磁物质的磁阻，略去铁芯的磁阻后可得： 200AWL当衔铁随外力向上移动 时，气隙长度减少为 =0，则自感变为： 02L则自感变化量为： 001当 时， （4-1）0 30200 )()(1L 同理，当衔铁随外力向下移动 时，气隙长度增大为 =0+5，自感变化量为： （4-2）30200 )()(1L忽略式（4-1）和（4-2）中的高次项，有 0L3. 灵敏度 0LS4.
6、 输出特性L 与 之间是非线性关系， 特性曲线如图 4-2 所示。从提高灵敏度的角度看，初始空气隙 0 应尽量小。其结果是被测量的范围也变小。同时， 将增大，使灵敏度的非线性也将增加。0如采用增大空气隙等效截面积和增加线圈匝数的方法来提高灵敏度，则必将增大传感器的几何尺寸和重量。这些矛盾在设计传感器时应适当考虑。与截面型自感传感器相比，气隙型的灵敏度较高 。但其非线性严重，自由行程小，制造装配困难。因此近年来这种类型的使用逐渐减少。差动式传感器其灵敏度与单极式比较。其灵敏度提高一倍，非线性大大减小。L oL0L0 LL0 20SWRLm6为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变隙式电感传感
7、器。二差动变隙式电感传感器1. 基本结构及工作原理为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变隙式电感传感器，如图 4-2 所示。 图 4-2 差动变隙式电感传感器衔铁上下移动 ：两个线圈的电感变化量 L1、L 2 分别由式（4-10 ）及式（4-12 ）表示， 差动传感器电感的总变化量L=L1+L2, 具体表达式为 sU L1L2RoRo1 221312304020021 21 LLL 2001L30200272. 灵敏度 02LS由此可知： 差动式变间隙电感传感器的灵敏度是单线圈式的两倍。 差动式的非线性项(忽略高次项)：单线圈的非线性项（忽略高次项)：由于 /0 2LC 时，上式可近似为
8、： 等效损耗电阻eR等效电感L2. 测量电路电感式传感器的测量电路有交流电桥式、 变压器式交流电桥以及谐振式等。自感式传感器实现了把被测量的变化转变为电感量的变化。为了测出电感量的变化，同时也为了送入下级电路进行放大和处理。CjLjRZ)( 222222 )1()1( QLCjLCZeeLjRLCjLCRZ221)1(12就要用转换电路把电感变化转换成电压(或电流) 变化。把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( 或电流) 的幅值、频率、相位的变化，它们分别称为调幅、调频、调相电路。(1) 调幅电路：调幅电路的一种主要形式是交流电桥 变压器式交流电桥电路结构：变压器式交
9、流电桥测量电路如图 4-7 所示，电桥两臂Z1、Z 2 为传感器线圈阻抗，另外两桥臂为交流变压器次级线圈的1/2 阻抗。 当负载阻抗为无穷大时，桥路输出电压为： 工作原理：当传感器的衔铁处于中间位置，即 Z1=Z2=Z0 ，此时有 ，电桥平衡。当传感器衔铁上移：如 Z1= Z0+ Z，Z 2= Z0Z， 当传感器衔铁下移：如 Z1= Z0-Z ，Z 2= Z0+Z， 此时 由此可知：衔铁上下移动相同距离时，输出电压大小相等、相位相反，电压大小随衔铁的位移而变化。由于 是交流电压，输出指示U2211o UUZ 0oUC 2U2Z1Z2 oUABD-图图 4-7 变压器式交流电桥0ULUoULUo
10、13无法判断位移方向。当衔铁在中间位置时输出电压 并不为零，此0U电压称为零点残余电压，如图 4-8 所示。为了消除零点残余电压的影响，并判别衔铁位移方向，必须配合相敏检波电路来解决。 相敏检波电路如图 4-9(a)所示是一种相敏整流电桥电路，电桥由差动式自感传感器 Z1、Z 2 和平衡电阻 R1、R 2（R 1=R2）组成，VD1 VD2 构成相敏整流器。电桥的一个对角线接交流电源 ，另一个对角线接电压U表 PV，当衔铁处于中间位置时，Z 1=Z2=Z0，输出电压 ，消除0了零点残余电压的影响，其输出特性曲线如图 4-9（b）所示。当衔铁偏离中间位置而使 Z1=Z0+Z，Z 2=Z0-Z 时
11、。若电源电图 4-8 变压器式交流电桥输出特性曲线图 4-9(a) 相敏整流电桥电路 图 4-9（b）输出特性曲线14压 上端为正，下端为负，VD1 和 VD4 导通， VD2 和 VD3 关断，u电阻 R2 上的压降大于 R1 上的压降；若电源电压 下端为正，上端为u负，VD1 和 VD4 关断，VD2 和 VD3 导通，电阻 R1 上的压降大于R2 上的压降，则输出电压 下端为正，上端为负。0u当衔铁偏离中间位置而使 Z1=Z0-Z，Z 2=Z0+Z 时，输出电压与上述情况相反，即下端为负，上端为正。比较两种情况，相敏0u整流电桥输出电压 的大小相等、极性相反。输出电压的大小表示0u衔铁位
12、置移量 x 的大小，而极性反映了衔铁移动的方向。(2) 调频电路：调频电路的基本原理是传感器电感 L 的变化将引起输出电压频率的变化。通常把传感器电感 L 和电容 C 接入一个振荡回路中，其振荡频率 ，如图 4-10（a）所示。当 L 变化时，振荡频率)2(1Cf随之变化，根据 f 的大小即可测出被测量的值。当 L 有了微小变化L 后，频率变化 f 为 LfLCf 2)(423图 4-10（b）表示 f 与 L 的关系曲线，它具有严重的非线性关系。 (3)调相电路GC L ffo L(a) (b)图 4-10 谐振式调频电路 图4-8 谐振式调频电路 15调相电路的基本原理是传感器电感 L 变
13、化将引起输出电压相位 的变化。图 4-11(a)所示是一个相位电桥，一臂为传感器 L，另一臂为固定电阻 R。设计时使电感线圈具有高品质因数。忽略其损耗电阻，则电感线圈与固定电阻上压降 与 互相垂直，如图 4-11(b)所LUR示。当电感 L 变化时，输出电压 的幅值不变，相位角 随之变0化。 与 L 的关系为:RLarctn2当自感 L 有微小变化量 L 时，输出电压相位角的变化量 为式中 -电源角频率L2)(120LRU在这种情况下，当 L 有微小变化 L 后，输出电压相位变化 为它表现在电桥预平衡时，无法实现平衡，最后总要存在着某个输出值 U0，这称为零点残余电压。七 自感式传感器的特点以
14、及应用 自感式传感器有如下几个特点：灵敏度比较好，目前可测 0.1m 的直线位移，输出信号比较大、图 4-11(b) 调相电路矢量图图 4-11(a) 调相电路原理图 16信噪比较好；测量范围比较小，适用于测量较小位移；存在非线性；消耗功率较大，尤其是单极式电感传感器，这是由于它有较大的电磁吸力的缘故；工艺要求不高，加工容易。 测气体压力的电感传感器， 压差传感器1. 变磁阻式传感器的应用当压力进入膜盒时，膜盒的顶端在压力 P 的作用下产生与压力 P大小成正比的位移，于是衔铁也发生移动， 从而使气隙发生变化， 流过线圈的电流也发生相应的变化，电流表 A 的指示值就反映了被测压力的大小。2. 变隙式差动电感压力传感器图 4-13 为变隙式差动电感压力传感器。它主要由 C 形弹簧管、 1C2 P图 4-13 变隙式差动电感压力传感器 PUA图 4-12 变隙电感式压力传感器结构图 17衔铁、 铁芯和线圈等组成。 当被测压力进入 C 形弹簧管时，C 形弹簧管产生变形，其自由端发生位移，带动与自由端连接成一体的衔铁运动，使线圈 1 和线圈 2中的电感发生大小相等、符号相反的变化。即一个电感量增大，另一个电感量减小。电感的这种变化通过电桥电路转换成电压输出
