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1、第3章 电感式传感器及其应用 利用磁路磁阻变化引起传感器线圈的电感（自感或互感）变 化来检测非电量的机电转换装置。 电感式： L变化 差动变压器式： M变化 电涡流式： L、M变化 厚度传感器 优点：结构简单、工作可靠、测量精度高。 应用领域：常用来检测位移、振动、力、加速度、应变、流 量等物理量，是应用较广的一类传感器。 探伤传感器 第3章 电感式传感器及其应用 3.1 自感式传感器 结构组成：线圈1、铁芯2和衔铁3三部分 一、结构及工作原理 铁芯和衔铁之 间留有空气隙 被测物与衔铁 相连 被测物移动衔铁空气隙变化磁 路磁阻改变线圈电感量变化输出 电压、电流或频率变化实现对被测 物位移的检测
2、。 工作过程： 第3章 电感式传感器及其应用 设线圈的匝数为N, 流过线圈的电 流为I（A）,穿过线圈的磁通为 (Wb), 则电感量 根据磁路定理得： 式中, R1、R2和R分别为铁芯、衔铁和空气隙的磁阻。 l1、l2和分别为磁通通过铁芯、衔铁和气隙的长度(m), S1、S2和S 分别为铁芯、衔铁和气隙的横截面积(m2), 1、2和0分别为铁芯 、衔铁和空气的导磁率(H/m)。 0=410-7 H/m。 工作原理 ：(导出电感L与衔铁位移关 系) 第3章 电感式传感器及其应用 一般导磁体的导磁率远大于空气的导磁率(大数千倍乃至 数万倍), 即有 得 结论： 线圈匝数N确定之后, 只要气隙长度和
3、气隙截面S二者 之一发生变化, 传感器的电感量就会发生变化。 变气隙长度电感传感器：常用来测量线位移 变气隙截面电感传感器： 常用于测量角位移 结构见图3.1 第3章 电感式传感器及其应用 a 变气隙式传感器 b 变截面式传感器 图3.1 自感式传感器结构图 第3章 电感式传感器及其应用 二、自感式传感器灵敏度及特性分析 以变气隙长度传感器为例，设自感式传感器初始气隙为0，初 始电感量为L0，衔铁位移引起的气隙变化量为，从式3-4可 知，L与之间是非线性关系，L与A之间是线性关系，特性曲 线如图3.2表示。 衔铁上移时，传感器气隙减小， 即=0，则此时输出电感为 L=L0+L： 第3章 电感式
4、传感器及其应用 忽略高次项得 同理可得，衔铁下移时，传感器气隙增大，即=0+ ，则此时输出电感为L=L0-L，有： 综上所述，设气隙式传感器的灵敏度为K，则有： 当忽略高次项时, L 才与成线性关系 第3章 电感式传感器及其应用 变气隙式传感器的输出特性是非线性的 ， /0 越小, 高次项 迅速减小, 非线性可得到改善，而/ ，非线性增大; 非线性与测量范围的要求相矛盾，一般取/ =0.10.2; 增大灵敏度方法：减小0 ; 与 引起的L的变化大小不同，且越大， L相差 越大。 可见： 第3章 电感式传感器及其应用 两只完全相同电感式传感器合用一个活动衔铁便 构成了差动式电感传感器。 传感器的
5、两只电感线圈接 成交流电桥的相邻的两臂, 另外两个桥臂由电阻组成。 三、差动式电感传感器 Usr Usc1 2 Z1Z2 R3 R4 Usc Usr 两只完全对称的简单电感 传感器合用一个活动衔铁 上、下两个导磁体几何尺 寸、形状、材料完全相同 上、下两个的线圈电气参 数（R、L、W）完全相同 。 第3章 电感式传感器及其应用 Usr Usc1 2 当衔铁偏离中间位置向上或向下移动时, 两边气隙不等, 两只电感线圈的 电感量一增一减, 电桥失去平衡。 电桥输出电压的幅值大小与衔铁移动 量的大小成比例, 其相位则与衔铁移动方向有关。 假定向上移动时输出电压的相位为正, 而向下移动时相位将反向18
6、0为负 。 因此, 如果测量出电压的大小和相位, 就能决定衔铁位移量的大小和方 向。 在起始位置时, 衔铁处于中间位置, 两边的气隙相等, 两只线圈的电感 量相等, 电桥处于平衡状态, 电桥 的输出电压Usc=0。 第3章 电感式传感器及其应用 假定电桥输出端的负载为无穷大, 则得输出电压 Z1Z2 Z3 Z4 Usc Usr 第3章 电感式传感器及其应用 当某一时刻, 设衔铁向上位移, 则上下两边气隙不等, 阻抗也 随之改变, 上边增加了1=jL1, 下边减少了2=jL2, 则 Z1=Z0+Z1, Z2=Z0-Z2。 电桥的另两臂是相同的电阻, 即 Z3=Z4=R, 由 得 ： 由于Z1-Z
7、2比Z0小得多, 故可略去, 则得 Z1Z2 Z3 Z4 Usc Usr 第3章 电感式传感器及其应用 可见, 电桥的输出与(L1+L2)成比例。 第3章 电感式传感器及其应用 K：差动电感传感器连成四臂电桥的灵敏度, 表示衔铁单位移 动量引起的电桥输出电压。 提高灵敏度K的途径：提高电桥的电压、减小起始气隙 差动式与单线圈电感式传感器相比，具有下列优点： 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； 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； 电磁吸力对测力变化的影响也由于能相互抵消而减小。 第3章 电感式传感器及其应用 四、自感式电感传感器
8、应用 u变气隙电感式压力传感器：结构如图，由膜盒、铁 芯、衔铁及线圈等组成，衔铁与膜盒的上端连在一起 当液体/气体进入膜盒时，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 指示值就反映了被测压力的大 小。 第3章 电感式传感器及其应用 u变气隙式差动电感压力传感器 ：主要由C形弹簧管、衔铁、铁 芯和线圈等组成。 被测压力C形弹簧管产生变形自由端发生位移衔铁运动 线圈1和线圈2中的电感变化（一个电感量增大，另一个电感 量减小）通过电桥电路转换成电压输出。 由于输出电压与被测压力之间成比例关系，所以
9、只要用检测仪 表测量出输出电压，即可得知被测压力的大小。 第3章 电感式传感器及其应用 3.2 互感式传感器 互感式传感器：被测的非电量线圈互感量M变化的传感器 基本原理：根据变压器原理制成，且次级绕组都用差动形式 连接，故也称差动变压器式传感器。 结构形式：变隙式、变面积式和螺线管式等 在非电量测量中，应用最多的是螺线管式差动变压器，它可 以测量1100mm范围内的机械位移，并具有测量精度高、 灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点。 第3章 电感式传感器及其应用 差动变压器式传感器, 简称差动变压器, 是一个有可动铁芯和 两个次级线圈的变压器。 传感器的可动铁芯和待测物相连, 两个次级线圈接成
10、差动形式, 可动铁芯的位移利用线圈的互 感作用转换成感应电动势的变化, 从而得到待测位移。 一、差动变压器式传感器结构及原理 第3章 电感式传感器及其应用 由于互感, 初级线圈的交流电在两个次级线圈分别产生感 应电动势E21和E22。 又因接成差动形式, 即两个感应电动势反 向串联, 则输出电压 设两个次级线圈完全相同, 当铁芯处在中间位置时, 感应 电动势E21=E22,此时 Usc=E21-E22=0 第3章 电感式传感器及其应用 当铁芯向上移动时, 次级线圈2中穿过的磁通减少, 感应电动 势E22也减少, 而次级线圈1中穿过的磁通增多, 感应电动势E21也 增大, 则 Usc=E21-E
11、220 反之, 当铁芯向下移动时, 则 Usc=E21-E220 可见, 输出电压的大小和符号反映 了铁芯位移的大小和方向。 第3章 电感式传感器及其应用 差动变压器有多种结构形式。图 (a)是形结构, 衔铁为 平板形, 灵敏度较高, 但测量范围较窄, 一般用于测量几微米 到几百微米的机械位移。 图 (b)是衔铁为圆柱形的螺管形差 动变压器, 可测一毫米至上百毫米的位移。 此外还有衔铁 旋转的用来测量转角的差动变压器, 通常可测到几角秒的微 小角位移。 第3章 电感式传感器及其应用 二、 差动变压器的输出特性 图 (a)所示形差动变压器, 当不考虑铁损、漏感且忽略铁芯 和衔铁的磁阻, 在次级线
12、圈开路时有 式中, 1 和2分别为次级线圈1和2的磁通匝链数, 则 式中N2为两次级线圈匝数。 第3章 电感式传感器及其应用 设衔铁向上移动了, 则 式中除I1外均为已知, 为此, 需要求出初级线圈中的激 磁电流I1。 当次级线圈中无电流时(负载为无穷大) 第3章 电感式传感器及其应用 式中, Z11=R11+jL11, Z12=R12+jL12。 R11、R12， L11、L12， Z11、Z12分别表示上下初级线圈的铜电阻, 电感和复阻抗, 其中 该式中含有2项, 这是引起非线性的因素。 第3章 电感式传感器及其应用 如果忽略2项, 并设R11=R12=R1, 上式可改写为 把 代入上式,
13、 整理后得 式中,Q=L0/R, 为品质因数。 第3章 电感式传感器及其应用 由上式可知, 输出电压中包含与电源电压Usr同相的 基波分量和相位差90的正交分量。 这两个分量都同气 隙的相对变化量/0有关。 Q值提高, 正交分量将减小 。 因此,希望差动变压器具有高的Q值。 Q值很高时, 上 式可简化成 输出电压Usc与衔铁位移之间 是成比例的, 其输出特性曲线如 图3.12所示。 第3章 电感式传感器及其应用 由图可见, 单一线圈的感应电动势E21或E22与铁芯的位移不成线性 , 两个线圈差接以后, 输出电压就与铁芯的位移成线性关系了。 上式中负号的意义是, 当向上为正时, 输出电压Usc与
14、电源电压 Usr反相, 当向下为负时, 两者同相。 第3章 电感式传感器及其应用 由差动变压器的灵敏度表达式 传感器的灵敏度：随电源电压Usr和变压比N2/N1的增大而 提高, 随起始间隙增大而降低。 一般情况下取N2/N1=12, 太大时, 次级线圈的输出阻抗过高, 易受外部干扰的影响 。 必须注意, 位移量要限制在一定范围内, 0一般在0.5 mm左右。 0过大, 灵敏度要降低, 而且边缘磁通将增大到 不能忽略的程度, 从而使非线性增大。 在实际输出特性 中, 当0=0时, 还存在着零位电压U0。 第3章 电感式传感器及其应用 三、差动变压器传感器应用 差动变压器式传感器可以直接用于位移测量，也可以测 量与位移有关的任何机械量，如振动、加速度、应变、 比重、张力和厚度等。 第3章 电感式传感器及其应用 1. 位移的测量 差动变压器仍以位移测量为其主要用途，它可以作为精密 测量仪的主要部件，对零件进行多种精密测量工作，如内 径、外径、不平行度、粗糙度、不垂直度、振摆、偏心和 椭圆度等;作为轴承滚动自动分选机的主要测量部件，可以 分选大、小钢球、圆柱、圆锥等;用于测量各种零件膨胀、 伸长、应变
