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1、第三章 传感器基本原理（5） 电感式传感器,内容提要： 电感式传感器概述 自感式传感器 差动变压器式传感器 电涡流式传感器 电感式传感器的应用,1.电感式传感器概述,利用电磁感应原理，将被测的物理量（如位移、压力、流量、振动等）转换成线圈的自感系数L或互感系数M的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出，实现由非电量到电量转换的装置。 种类： 自感式传感器：将非电量转换成自感系数变化 差动变压器式传感器：将非电量转换成互感系数变化 电涡流式传感器：利用电涡流效应将非电量转换成线圈的电感或阻抗变化,2.自感式传感器,由衔铁、铁芯和匝数为W的线圈构成。 主要用来测量位移或可以转换成位移的被测
2、量。,则电感L为：,因为铁磁材料其磁阻与空气隙磁阻相比较小，计算时可忽略不计,传感器测量物理量时衔铁的运动部分产生位移，导致线圈的电感值发生变化，线圈的电感L为：,当线圈及铁芯一定时，W为常数，如果改变或S时，L值会引起相应变化。电感传感器利用这一原理做成。,电感传感器是一个带铁芯的可变电感，由于线圈的铜耗、铁芯的涡流损耗、磁滞损耗以及分布电容的影响，它并非呈现纯电感。,自感式传感器的等效电路,等效电路中L为电感，Rc为铜损电阻，Re电涡流损耗电阻，磁滞损耗电阻Rh，C为传感器等效电路的等效电容。 当电感传感器确定后，这些参数即为已知量。,忽略分布电容且不考虑各种损耗时，电感传感器阻抗Z为：,
3、当考虑并联分布电容时，阻抗Zs为：,考虑分布电容时，电感传感器的有效串联电阻和有效电感都增加了，而线圈的有效品质因数却减小，此时，电感传感器有效灵敏度为：,考虑分布电容后，电感传感器的灵敏度增加了。因此，必须根据测试时所用电缆长度对传感器进行标定，或者相应调整并联电容。,K =,常见的自感式传感器 变间隙式 变面积式 螺管式,自感式传感器的结构类型及特性,变间隙式电感传感器,线圈电感与气隙长度的关系为非线性关系，非线性度随气隙变化量的增大而增大，只有当很小时，忽略高次项的存在，可得近似的线性关系。所以，单边变间隙式电感传感器存在线性度要求与测量范围要求的矛盾。,衔铁移动时，空气隙将从原始的0发
4、生的变化。,电感增量为：,若使得衔铁向上移动取为-，电感为：,泰勒级数展开,变面积式电感传感器,起始状态时，铁芯当衔铁随被测量上、下移动时，S=(a-x)h与衔铁在气隙出正对着，截面积为S0=ah。线圈电感L为：,线圈电感L与面积S（或x）呈线性关系，灵敏度k为一常数，即,正确选择线圈匝数、铁芯尺寸可提高灵敏度。一般选用差动式结构更好。,螺线管式电感传感器,由螺线管形线圈、磁性材料制成的柱形铁芯和外套组成。,L和x呈线性关系，灵敏度K为：,当l/r1时，可认为管内磁感应强度为均匀分布。,当x1时，可推得线圈的电感量L为:,设线圈长度和平均半径分别为l和r，铁芯进入线圈的长度和铁芯半径分别为x和
5、ra，铁芯有效磁导率为0。,3.差动变压器式传感器,差动变压器上下两只铁芯上均有一个初级线圈W1(也称励磁线圈)和一个次级线圈W2(也叫输出线圈)。上下两个初级线圈串联后接交流励磁电源Usr，两个次级线圈则按电势反相串联。,工作原理：当衔铁处于中间位置时，1 2，初级线圈中产生交变磁通1和2 ，在次级线圈中便产生交流感应电势。由于两边气隙相等，磁阻相等，所以1 2 ，次级线圈中感应出的电势e21=e22，由于次级是按电势反相连接的，结果输出电压Usc=0。当衔铁偏离中间位置时，两边气隙不等(即1 2)，次级线圈中感应的电势不再相等(即e21e22)，便有电压Usc输出。Usc的大小及相位取决于
6、衔铁的位移大小和方向。,分析差动变压器式传感器的输出特性,初级线圈的电流为：,当有气隙变化时，两个初级线圈的电感值分别为：,次级线圈的输出电压Usc为两个线圈感应电势之差：,感应电势分别为：,初始时，初级线圈的阻抗分别为：,M1及M2为初级与次级之间的互感系数，其值分别为：,设初级、次级线圈的匝数分别为W1、W2，当有气隙时，传感器的磁回路中的总磁阻近似值为R。,初始状态时，初级线圈电感为：,上下两个磁系统中的磁通， 代入式中得：,忽略2，整理式子得，,当R时，,传感器的灵敏度为：,差动变压器式传感器的特性几乎完全是线性的，灵敏度不仅取决于磁系统的结构参数，同时取决于初、次级线圈的匝数比及激磁
7、电源电压的大小，可通过改变匝数比及提高电源电压的办法来提高灵敏度。,4.电涡流式传感器,电感线圈产生的磁力线经过金属导体时，金属导体就会产生感应电流，该电流的流线呈闭合回线，类似水涡形状，故称之为电涡流。电涡流式传感器是以电涡流效应为基础，由一个线圈和与线圈邻近的金属体组成。,当线圈通入交变电流I时，在线圈的周围产生一交变磁场H1，处于该磁场中的金属体上产生感应电动势，并形成涡流。金属体上流动的电涡流也将产生相应的磁场H2， H2与H1方向相反，对线圈磁场H1起抵消作用，从而引起线圈等效阻抗Z或等效电感L或品质因数相应变化。金属体上的电涡流越大，这些参数的变化亦越大。,采用电涡流式传感器并配用
8、相应的测量线路，可得到与该被测量相对应的电信号(电压、电流或频率)输出。该方法常用来测量位移、金属体厚度、温度等参数，并可作探伤用。,R1、L1线圈原有的电阻、电感； R2、L2电涡流等效短路环的电阻和电感； 励磁电流的角频率； M线圈与金属体之间的互感系数； U电源电压,5.电感式传感器的应用,液位测量 衔铁随浮子运动反击出液位的变化，从而使差动变压器有一相应的电压输出。,电涡流探伤 在非坏性检测领域，电涡流传感器被用作有效的探伤技术，如用来测试金属材料的表面裂纹、热处理裂痕、以及焊接部位的探伤等。 探伤时，使传感器与被测物体距离保持不变。当有裂纹出现时，金属导电率、导磁率将发生变化，即涡流损耗改变，从而使传感器阻抗发生变化，导致测量电路的输出电压改变，达到探伤目的。,
