任务四电感式(课堂用)综述

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1、1 任务任务4 4 电感式传感器电感式传感器 2 概述 u电感式传感器是利用电磁感应原理将被测非电量如位移 、压力、流量、重量、振动等转换成线圈自感量L或互感量 M的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出 的装置。 u按其转换方式不同，可分为自感型和互感型两种。 u优点:结构简单，工作可靠寿命长，测量精度高，零点稳 定，输出功率较大等。 u缺点:灵敏度、线性度和测量范围相互制约，传感器自身 频率响应低，不适用于快速动态测量。 3 电感式传感器电感式传感器 电磁电磁 感应感应 被测非电量被测非电量自感系数自感系数L L 互感系数互感系数MM 测量测量 电路电路 U U、I I、f f 自

2、感式传感器自感式传感器 互感式传感器互感式传感器 4 F 220V 实验：实验： 1.4.1 1.4.1 自感式传感器自感式传感器 5 气隙变小，电感变大，电流变小气隙变小，电感变大，电流变小 F 6 1. 1. 变磁阻式传感器变磁阻式传感器 1 1）结构与工作原理）结构与工作原理 uu铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢 片或坡莫合金制成，在铁芯和片或坡莫合金制成，在铁芯和 衔铁之间有气隙，气隙厚度为衔铁之间有气隙，气隙厚度为 ，传感器的运动部分与衔铁传感器的运动部分与衔铁 相连。相连。 uu当衔铁移动时，气隙厚度当衔铁移动时，气隙厚度发发 生改变，引起磁路中磁阻变化生改变，

3、引起磁路中磁阻变化 ，从而导致电感线圈的电感值，从而导致电感线圈的电感值 变化，只要能测出这种电感量变化，只要能测出这种电感量 的变化，就能确定衔铁位移量的变化，就能确定衔铁位移量 的大小和方向。的大小和方向。 7 uu根据电感定义，线圈中电感量：根据电感定义，线圈中电感量： 其中：其中：I I 通过线圈的电流；通过线圈的电流； NN线圈的匝数；线圈的匝数； 每匝线圈产生的磁通每匝线圈产生的磁通。 uu由磁路欧姆定律，得磁通表达式：由磁路欧姆定律，得磁通表达式： 两式联立得：两式联立得： 磁路总磁阻。磁路总磁阻。 线圈 铁芯 衔铁 磁动势 8 铁芯材料的导磁率铁芯材料的导磁率(H/m)(H/m

4、)； 衔铁材料的导磁率衔铁材料的导磁率(H/m)(H/m)； 铁芯的磁路总长度铁芯的磁路总长度(m)(m)； 衔铁的磁路总长度衔铁的磁路总长度(m)(m)； 铁芯的截面积铁芯的截面积( )( )； 衔铁的截面积衔铁的截面积( )( )； 空气的导磁率空气的导磁率(4 H/m)(4 H/m)； 气隙的截面积气隙的截面积( )( )； 气隙的厚度气隙的厚度(m)(m)。 uu若忽略磁路磁损，则磁路总磁阻为若忽略磁路磁损，则磁路总磁阻为: : 铁芯磁阻铁芯磁阻: : 空气气隙磁阻空气气隙磁阻: : 9 uu通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻 uu则可近似认为：则可近

5、似认为： uu联立前几式，可得联立前几式，可得 10 uu上式表明，当线圈匝数为常数时，电感上式表明，当线圈匝数为常数时，电感L L仅仅是磁路中仅仅是磁路中 磁阻磁阻 的函数，只要改变的函数，只要改变 或或 A A 均可导致电感变化，均可导致电感变化，L L 与与 成反比，与成反比，与A A成正比成正比。 uu因此变磁阻式传感器又可分为因此变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度变气隙厚度 的传感器和的传感器和 变气隙面积变气隙面积 A A 的传感器。的传感器。 uu使用最广泛的是变气隙厚度使用最广泛的是变气隙厚度 式电感传感器。式电感传感器。 1-20 可变磁阻式传感器的典型结构 (a)可变导 磁面

6、积型；（b）差动型；（c）单螺管线圈型；（d）双螺管圈差动型 图1 - 20(a)是可变导磁面 积型，其自感L与Ao呈线性 关系，这种传感器灵敏度较 低。 12 2 2）变气隙式电感传感器输出特性）变气隙式电感传感器输出特性 设电感传感器初始气隙为设电感传感器初始气隙为 ，初始电感量为，初始电感量为 ，衔铁位，衔铁位 移引起的气隙变化量为移引起的气隙变化量为，可知，可知L L与与之间之间是非线性是非线性关关 系，特性曲线如图所示，初始电感量为：系，特性曲线如图所示，初始电感量为： 图图 变隙式电感传感器的变隙式电感传感器的L-L-特性特性 灵敏度灵敏度S S：电感变化与引起该：电感变化与引起该

7、 变化的机械位移变化之比变化的机械位移变化之比, ,若若 变化范围很小。变化范围很小。 13 uu变间隙式电感传感器的变间隙式电感传感器的测量范围与线性度相矛盾测量范围与线性度相矛盾。 uu变间隙式电感式传感器用于测量微小位移时是变间隙式电感式传感器用于测量微小位移时是 比较精确的。比较精确的。 14 这种结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对温度这种结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对温度 变化、电源频率变化等的影响也可以进行补偿，从而减少变化、电源频率变化等的影响也可以进行补偿，从而减少 了外界影响造成的误差。了外界影响造成的误差。 差动式自感传感器差动式自感传感器 在实际使用中，常采用

8、两个相同的传感线圈共用一个衔在实际使用中，常采用两个相同的传感线圈共用一个衔 铁，构成差动式自感传感器，两个线圈的电气参数和几何铁，构成差动式自感传感器，两个线圈的电气参数和几何 尺寸要求完全相同。尺寸要求完全相同。 1 2 34 4 差动式自感传感器差动式自感传感器 1-1-线圈线圈 2-2-铁芯铁芯 3-3-衔铁衔铁 4-4-导杆导杆 如右图所示，当衔铁如右图所示，当衔铁3 3移动时，一移动时，一 个线圈的电感量增加，另一个线个线圈的电感量增加，另一个线 圈的电感量减少，形成差动形式圈的电感量减少，形成差动形式 。 提高一倍提高一倍 15 差动式与单线圈电感式传感器相比，具有下列优点：差动

9、式与单线圈电感式传感器相比，具有下列优点： 线性好；线性好； 灵敏度提高一倍，即衔铁位移相同时，输出信号大一倍；灵敏度提高一倍，即衔铁位移相同时，输出信号大一倍； 温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度的影响，温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度的影响， 由于能互相抵消而减小。由于能互相抵消而减小。 图122高频反射式涡流 传感器 3 3）涡电流式传感器）涡电流式传感器 涡电流式传感器的变换原理是利用金属体在交变磁场中 的祸电流效应。如图1 - 22所示为一个高频反射式涡流传感 器的工作原理。 uu根据法拉第定律，当传感器线圈通以根据法拉第定律，当传感器线圈通以 正弦交变电流时，线圈

10、周围空间必然产正弦交变电流时，线圈周围空间必然产 生正弦生正弦交变磁场交变磁场，使置于此磁场中的金，使置于此磁场中的金 属导体中感应属导体中感应电涡流电涡流， 又产生新的交变又产生新的交变 磁场。磁场。 uu新的交变磁场根据愣次定律新的交变磁场根据愣次定律 的作用将的作用将 反抗原磁场，导致传感器线圈的等效阻反抗原磁场，导致传感器线圈的等效阻 抗发生变化，此电涡流的闭合流线的圆抗发生变化，此电涡流的闭合流线的圆 心同线圈在金属板上的投影的圆心重合心同线圈在金属板上的投影的圆心重合 。 分析表明，影响该传感器高频线圈阻抗Z的因素，除 了线圈与金属板间距离以外，还有金属板的电阻率， 磁导率 以及线

11、圈激磁角频率等。当改变其中某一因素 时，即可达到不同的变换目的。例如，变化，可作为位 移、振动测量；变化或 值，可作为材质鉴别或探伤等 。 1、欲测量镀层厚度，电涡流线圈的激励源频率约为 100KHZ2MHZ 。 2、用于测量小位移的螺线管式自感传感器以及差动变压 器线圈的激励源频率通常约为110KHZ。 18 测量电路测量电路 交流电桥式测量电路交流电桥式测量电路 R R1 1 R R2 2 Z Z2 2 Z Z1 1 差动的两个传感器线圈接成电桥的两个差动的两个传感器线圈接成电桥的两个 工作臂（工作臂（ Z Z1 1 、 Z Z2 2 为两个差动传感器线圈为两个差动传感器线圈 的复阻抗），

12、另两个桥臂用平衡电阻的复阻抗），另两个桥臂用平衡电阻 R R1 1 、 R R2 2 代替。代替。 设初始时设初始时 Z Z1 1= = Z Z 2 2= = Z Z = = R R 0 0+ + jLjL 0 0 ； R R1 1 = = R R2 2 = = R R ； 。 衔铁偏离中心位置后，衔铁偏离中心位置后，假设假设Z1=Z+Z; Z2=Z-Z ; ;还假设传感还假设传感 器线圈具有高器线圈具有高Q Q值值 19 1.4.2 1.4.2 互感式传感器互感式传感器 互感式传感器是把被测的非电量变化转换为互感式传感器是把被测的非电量变化转换为线圈互感量线圈互感量变变 化的传感器。化的传感

13、器。 它根据变压器的基本原理制成，并且次级绕组都用差动形它根据变压器的基本原理制成，并且次级绕组都用差动形 式连接，称为差动变压器式传感器。式连接，称为差动变压器式传感器。 图123互感现象 式中，M为比例系数，称为互感 ，其大小与两线圈相对位置及周围 介质的导磁能力等因素有关，它表 明两线圈之间的耦合程度。 20 1.1.结构与工作原理结构与工作原理 螺线管式差动变压器结构如图所示。它由一个初级线圈，螺线管式差动变压器结构如图所示。它由一个初级线圈， 两个次级线圈和插入线圈中央的圆柱形铁芯等组成。两个次级线圈和插入线圈中央的圆柱形铁芯等组成。 -活动衔铁；-导磁外壳；-骨架；-匝数为 的初级

14、绕组； -匝数为 的次级绕组；-匝数为 的次级绕组 图 螺线管式差动变压器结构图 21 当初级绕组加以激励电压时，根据变压器的工作原理，在当初级绕组加以激励电压时，根据变压器的工作原理，在 两个次级绕组中便会产生感应电势两个次级绕组中便会产生感应电势 和和 。 如果工艺上保证变压器结构完全对称，则当活动衔铁处于如果工艺上保证变压器结构完全对称，则当活动衔铁处于 初始平衡位置时，必然会使两互感系数初始平衡位置时，必然会使两互感系数 。根据。根据 电磁感应原理，将有电磁感应原理，将有 。 变压器两次级绕组反向串联变压器两次级绕组反向串联，因而，因而 ，即，即 差动变压器输出电压为零。差动变压器输出

15、电压为零。 22 活动衔铁向上移动时，由于磁阻的影响，活动衔铁向上移动时，由于磁阻的影响， 中磁通将大中磁通将大 于于 ，使，使 ，因而，因而 增加，而增加，而 减小减小 因为因为 ，所以，所以 也必将随也必将随x x变化。变化。 实际上，当衔铁位于中心位置时，差动变压器输出电压并实际上，当衔铁位于中心位置时，差动变压器输出电压并 不等于零，我们把差动变压器在零位移时的输出电压称为不等于零，我们把差动变压器在零位移时的输出电压称为 零点残余电压，它的存在使传感器的输出特性不过零点，零点残余电压，它的存在使传感器的输出特性不过零点， 造成实际特性与理论特性不完全一致。造成实际特性与理论特性不完全一致。 23 差动变压器输出的是交流电压，若用交流电压表测量，只能反映铁差动变压器输出的是交流电压，若用交流电压表测量，只能反映铁 芯位移的大小，不能反映移动方向。芯位移的大小，不能反映移动方向。 另外，其测量值必定含有零点残余电压。另外，其测量值必定含有零点残余电压。 为了达到