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1、4.1 自感式传感器 4.2 互感式传感器 4.3 电涡流式传感器,第4章 电感式传感器,返回主目录,利用电磁感应原理将被测非电量(如位移、压力、流量、 振动等)转换成线圈自感L或互感M变化的装置称为电感式传感器 。常见的有下列三种：,4.1 自感式传感器,一、 工作原理 自感式传感器的结构如图 4 - 1 所示。它由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。 根据电感定义, 线圈中电感量可由下式确定:,式中: 线圈总磁链; I 通过线圈的电流; W线圈的匝数; 穿过线圈的磁通。,(4 - 1）,由磁路欧姆定律, 得,式中: Rm磁路总磁阻。若忽略磁路磁损, 则磁路总磁阻为,式中: 1铁芯材料的导磁率; l
2、1磁通通过铁芯的长度; 2衔铁材料的导磁率; l2磁通通过衔铁的长度; S1铁芯的截面积; S2衔铁的截面积; S0气隙的截面积; 气隙的厚度。 0空气的导磁率;,(4 - 3),(4 - 2),则式(4 - 3）可近似为 联立式(4 - 1）, 式(4 - 2）及式(4 - 5）, 可得,通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻, 即,(4 - 5）,(4 - 4）,(4 - 6）,上式表明, 当线圈匝数W为常数时, 电感L仅仅是磁路中磁阻Rm的函数, 只要改变或S0均可导致电感L变化, 因此自感式传感器又可分为变气隙厚度传感器和变气隙面积S0传感器。目前使用最广泛的是变气隙厚度的自感传感器。 二
3、、 输出特性 设自感传感器初始气隙为0, 初始电感量为L0, 衔铁位移引起的气隙变化量为, 从式(4 - 6）可知L与之间是非线性关系, 特性曲线如图(4 -2）所示, 初始电感量为,当衔铁上移时, 传感器气隙减小, 即=0-, 则此时输出电感为L = L0+L, 代入式(4 - 6）式并整理, 得,当/01时, 可将上式用台劳级数展开成级数形式为,同理，当衔铁下移时, 传感器气隙增加, 即=0+,，则此时输出电感为L = L0-L, 代入式(4 - 6）式并整理, 得,由上式可求得电感增量L和相对增量L/ L0的表达式, 即,(4 - 11）,(4 - 13）,(4 - 10）,(4 - 1
4、2）,对式(4 - 11）、 (4 - 13） 作线性处理，忽略高次项, 可得 (4 - 14） 其灵敏度K0为 (4 - 15),由此可见, 变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾, 所以变隙式电感式传感器用于测量微小位移时是比较精确的。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。,图 4 - 3 所示为差动变隙式电感传感器的原理结构图。 由图可知, 差动变隙式电感传感器由两个相同的电感线圈L1、L2和磁路组成。当衔铁往上移动时, 两个线圈的电感变化量L1、L2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 L1L2, 其具体表达
5、式为,对上式进行线性处理，忽略高次项得,其灵敏度K0为,比较单线圈和差动两种变间隙式电感传感器的特性, 可以得到如下结论: 差动式比单线圈式的灵敏度高一倍。 由于它忽略的是(/0)3以上的高次项，又因为(/0)1。所以，差动式的线性度得到明显改善。 注：构成差动的两个变隙式电感传感器在结构尺寸、材料、电气参数等方面均应完全一致。,三、 测量电路 电感式传感器的测量电路有交流电桥式、 交流变压器式以及谐振式等几种形式。 1. 交流电桥式测量电路 图 4 - 4所示为交流电桥测量电路, 把传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂Z1和Z2, 另外二个相邻的桥臂用纯电阻代替, 其输出电压,当传感器衔铁上移
6、时，即 Z1ZZ1，Z2ZZ2，则,当传感器衔铁下移时，即 Z1ZZ1，Z2ZZ2，则,从上两式可知, 衔铁上、下移动相同距离时, 输出电压的大小相等, 但方向相反, 由于电源是交流电压, 故输出电压不能反映位移的方向, 必须配合相敏检波电路来解决。,下图是一个常用的相敏检波电路 当衔铁上移时， Z1ZZ1增加，而Z2ZZ2减少。分析可知，无论UAC是正半波还是负半波，输出U0=UMO-UNO0，即总是上端为负，下端为正。,同理可知，当衔铁下移时, Z1ZZ1减少, 而Z2ZZ2增加。无论UAC是正半波还是负半波，输出U0=UMO-UNO0，即总是上端为正，下端为负。 由上分析可知，用此种电路
7、测量，得到的直流输出电压不但能反映衔铁位移的大小，还能反映衔铁位移的方向。且测量精度较高。,2. 变压器式交流电桥 变压器式交流电桥测量电路如图 4 - 5所示, 电桥两臂Z1、 Z2为传感器线圈阻抗, 另外两桥臂为交流变压器次级线圈的 一半，其电压为初级线圈电压的1/2。当负截阻抗为无穷大时, 桥路输出电压,当传感器的衔铁处于中间位置时，有Z1= Z2=Z, 电桥平衡。 即,当传感器衔铁上移时, 即Z1=Z+Z, Z2=Z-Z, 此时,从式(4 - 21）及式(4 - 22）可知, 衔铁上下移动相同距离时, 输出电压大小相等, 但方向相反, 由于电源是交流电压, 故输出无法反映位移方向, 也
8、必须配合相敏检波电路来解决。请同学们自己设计出它的相敏检波电路。,(4 - 21）,(4 - 22）,当传感器衔铁下移时, 则Z1=Z-Z, Z2=Z+Z, 此时,3. 谐振式测量电路 谐振式测量电路有谐振式调幅电路和谐振式调频电路两种。 谐振式调幅电路如图 4 - 6 所示，在调幅电路中, 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 4 - 6（b）所示为输出电压与电感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。,谐振式调频电路如
9、图 4 - 7 所示，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, 其振荡频率 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 4 - 7（b）表示 f 与L的特性, 它具有明显的非线性关系。,四、 自感式传感器的应用 图 4 - 8 所示是变隙电感式压力传感器的结构图。 它由膜盒、 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, 电流表指示
10、值就反映了被测压力的大小。 图 4 - 9 所示为变隙式差动电感压力传感器。它主要由C形弹簧管、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。由于输出电压与被测压力之间成比例关系, 所以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。 ,4.2 互感式传感器, 把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化的传感器称为互感式传感器。这种传感器是根据变压器的基
11、本原理制成的, 并且次级绕组都用差动形式连接, 故又称差动变压器式传感器。 差动变压器结构形式较多, 有变隙式、 变面积式和螺线管式等, 但其工作原理基本一样。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。,一、螺线管式差动变压器 1. 工作原理 螺线管式差动变压器结构如图 4 -10 所示, 它由初级线圈, 两个次级线圈和插入线圈中央的圆柱形铁芯等组成。 螺线管式差动变压器按线圈绕组排列的方式不同可分为一节、二节、三节、四节和五节式等类型, 如图 4 - 11 所示。 一节式灵敏度高,
12、 三节式零点残余电压较小, 通常采用的是二节式和三节式两类。,下面以三节式为例进行介绍： 差动变压器式传感器中两个次级线圈反向串联, 并且在忽略铁损、 导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下, 其等效电路如图 4 - 12所示。当初级绕组W1加以激励电压 时, 根据变压器的工作原理, 在两个次级绕组W2a和W2b中便会产生感应电势 和 。 如果工艺上保证变压器结构完全对称，则当活动衔铁处于初始平衡位置时,必然会使两互感系数M1=M2。根据电磁感应原理, 将有 。 由于变压器两次级绕组反向串联, 因而 , 即差动变压器输出电压为零。 ,活动衔铁向上移动时,由于磁阻的影响, W2a中磁通将大于W2b
13、, 使M1M2, 因而增加, 而减小。 反之, 增加, 减小。因为 , 所以当、 随着衔铁 位移 x 变化时, 也必将随 x 变化。 图 4 - 13 给出了变压器输出电压 与活动衔铁位移 x 的关系曲线。 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，如图中虚线所示，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，记作 , 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。,零点残余电压主要是由传感器的两次级绕组的电气参数与几何尺寸不对称，以及磁性材料的非线性等问题引起的。 零点残余电压的波形十分复杂，主要由基波和高次谐波组成。基波产生的主要原因是
14、：传感器的两次级绕组的电气参数和几何尺寸不对称，导致它们产生的感应电势的幅值不等、相位不同，因此不论怎样调整衔铁位置， 两线圈中感应电势都不能完全抵消。 高次谐波中起主要作用的是三次谐波， 产生的原因是由于磁性材料磁化曲线的非线性(磁饱和、磁滞)。 零点残余电压一般在几十毫伏以下，在实际使用时，应设法减小 , 否则将会影响传感器的测量结果。 ,二、 基本特性 差动变压器等效电路如图 4 - 12 所示。当次级开路时有 (4 - 23) 式中: 初级线圈激励电压 的角频率; 初级线圈激励电流; r1、 L1初级线圈直流电阻和电感。,根据电磁感应定律, 次级绕组中感应电势的表达式分别为:,由于次级
15、两绕组反向串联, 且考虑到次级开路, 则由以上关系可得:,(4 - 26),输出电压的有效值为,下面分三种情况进行分析。 (1) 活动衔铁处于中间位置时,(4 - 27),(2) 活动衔铁向上移动时,(3) 活动衔铁向下移动时,与 同极性。,与 同极性。,三、 差动变压器式传感器测量电路 差动变压器输出的是交流电压, 若用交流电压表测量, 只能反映衔铁位移的大小, 而不能反映移动方向。另外, 其测量值中将包含零点残余电压。为了达到能辨别移动方向及消除零点残余电压的目的, 实际测量时, 常常采用差动整流电路和相敏检波电路。 1. 差动整流电路 这种电路是把差动变压器的两个次级输出电压分别整流, 然后将整流的电压或电流的差值作为输出, 图 4 - 14 给出了几种典型电路形式。 图中(a)、(c)适用于交流阻抗负载, (b)、(d)适用于低阻抗负载, 电阻R0用于调整零点残余电压。,下面结合图 4 - 14（c）, 分析差动整流工作原理。 从图 4 - 14（c）电路结构可知, 不论两个次级线圈的输出瞬时电压极性如何, 流经电容C1的电流方向总是从2到4, 流经电容C2的电流方向从6到8, 故整流电路的输出电压为 U2=U24-U68 (4 - 28) 当衔铁在零位时, 因为U24=U68 , 所以U2=0; 当衔铁在零位以上时, 因为U24U68, 则U20
