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1、,3.1 自感式传感器,3.1.1 工作原理 3.1.2 变气隙式自感传感器 3.1.3 变面积式自感传感器 3.1.4 螺线管式自感传感器 3.1.5 自感式传感器测量电路 3.1.6 自感式传感器应用举例,3.1.1 工作原理,线圈自感,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,l i 各段导磁体的长度； U i各段导磁体的磁导率； S i 各段导磁体的截面积； 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,线圈中放入圆形衔铁 可变自
2、感 螺管型传感器。,3.1 自感式传感器,3.1.1 工作原理 3.1.2 变气隙式自感传感器 3.1.3 变面积式自感传感器 3.1.4 螺线管式自感传感器 3.1.5 自感式传感器测量电路 3.1.6 自感式传感器应用举例,3.1.2 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与之间是非线性关系,当衔铁处于初始位置时， 初始电感量为,当衔铁上移时，则 ， 代入式（3.1.6）式并整理得,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,对式（3.1.11）（3.1.13）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
3、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,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L1、L2,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。,3.1 自感式传感器,3.1.1 工作原理 3.1.2 变气隙式自感传感器 3.1.3 变面积式自感传感器 3.1.4 螺线管式自感传感器 3
4、.1.5 自感式传感器测量电路 3.1.6 自感式传感器应用举例,3.1.3 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。,3. 测量电路,电感式传感器的测量电路主要有交流电桥式、变压器式交流电桥以及谐振式等几种形式。,1)交流电桥,交流电桥一般为了提高灵敏度和改善线性度，电感线圈接成差动形式，如图3-4所示，桥臂Z1和Z2是差动传感器的两个线圈，
5、另外两个相邻的桥臂用纯电阻R代替。其输出电压 为,图3-4 交流电桥,当电桥平衡时，即Z1Z3 =Z2Z4,，电桥输出电压 =0，当桥臂阻抗发生变化时，引起电桥不平衡， 不再为0，通过 的变化，可以确定桥臂阻抗的变化。,现以变气隙型差动传感器为例，假设衔铁上移，则Z1=Z0+Z，Z2= Z0-Z，Z是衔铁在中间位置时单个线圈的复阻抗，Z是衔铁偏离中心位置时单线圈阻抗的变化量，Z3=Z4=R，则电桥输出电压 为,则,任务3.1 电机转轴直径的检测,2)变压器式交流电桥,如图3-5图示为变压器式交流电桥。Z1、Z2为差动传感器两线圈的阻抗，另两臂为电源变压器的两个二次线圈。,图3-5 变压器式交流
6、电桥,当负载阻抗为无穷大时，输出空载电压 为：,当传感器的衔铁处于中间位置，即Z1=Z2=Z0，此时有 =0，电桥平衡。当传感器衔铁上移时，则Z1= Z0+Z，Z2= Z0-Z，电桥输出电压为,衔铁上下移动相同距离时，输出电压相位相反，大小随衔铁的位移而变化。由于 是交流电压，输出指示无法判断位移方向，必须配合相敏检波电路来解决。,3)谐振式测量电路,谐振式测量电路分为谐振调幅式和谐振式调频式电路两种，分别如图3-6和图3-7所示。,（a）调幅电路图（b）UO与电感L的关系曲线（a）调频电路图（b）UO与电感L的关系曲线 图3-6 谐振式调幅电路 图3-7 谐振式调频电路,（1）谐振式调幅电路
7、,在调幅电路图3-6a中，传感器电感L与电容C，变压器原边串联在一起，接入交流电源，变压器副边将有电压U0输出，输出电压的频率与电源频率相同，而幅值随着电感L 而变化。 图3-6b所示为输出电压U0与电感L的关系曲线，其中L0为谐振点的电感值，此电路灵敏度很高，但线性差，适用于线性要求不高的场合。,（2）谐振式调频电路,调频电路的基本原理是传感器电感L变化将引起输出电压频率的变化。一般是把传感器电感L和电容C接入一个振荡回路中，见图3-7a。 其振荡频率为,当L变化时，振荡频率随之变化，根据f的大小即可测出被测量的值。图3-7b表示f与L的特性，它具有明显的非线性关系。,3.1 自感式传感器,
8、3.1.1 工作原理 3.1.2 变气隙式自感传感器 3.1.3 变面积式自感传感器 3.1.4 螺线管式自感传感器 3.1.5 自感式传感器测量电路 3.1.6 自感式传感器应用举例,3.1.4 螺线管式自感传感器,1-螺线管线圈； 2-螺线管线圈； 3-骨架； 4-活动铁芯,L10，L20分别为线圈、的初始电感值；,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。,式(3.1.21)和式(3.1.24)可简化为,3.1 自感式传感器,3.1.1 工作原理 3.1.2 变气隙式自感传感器 3
9、.1.3 变面积式自感传感器 3.1.4 螺线管式自感传感器 3.1.5 自感式传感器测量电路 3.1.6 自感式传感器应用举例,3.1.5 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,1.调幅电路,(1) 变压器电路,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,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180 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,(2) 相敏检波电路,当衔铁偏离中间位
10、置而使Z1=Z+Z增加，则Z2=Z-Z减少。 这时当电源u上端为正，下端为负时， 电阻R1上的压降大于R2上的压降； 当u上端为负，下端为正时，R2上压降则大于R1上的压降， 电压表V输出上端为正，下端为负。,非相敏整流和相敏整流电路输出电压比较 (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，,(3) 谐振式调幅电路,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。,2.调频电路,传感器自感变化将引起输出电压频率的变化,灵敏度很高，但线性差，适用于线性要求不高的场合,3.调相电路,传感器电感变化将
11、引起输出电压相位变化,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,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,气隙型、变压器电桥 传感器,传感器灵敏度的单位为 mV/(mV) 电源电压为1V，衔铁偏移1m时，输出电压为若干毫伏,3.1 自感式传感器,3.1.1 工作原理 3.1.2 变气隙式自感传感器 3.1.3 变面积式自感传感器 3.1.4 螺线管式自感传感器 3.1.5 自感式传感器测量电路 3.1.6 自感式传感器应用举例,3.1.6 自感式传感器应用举例,自感式位移传感器 自感式压力传感器,1. 自感式位移传感器,1 传感器引线 2 铁心套筒 3 磁芯 4 电 感 线 圈 5 弹 簧 6 防转件 7 滚 珠 导 轨 8 测 杆 9 密封件 10玛瑙测端,2.自感式压力传感器,变隙式自感压力传感器结构图,变隙差动式电感压力传感器,End the 3.1,
