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1、武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第3 3章章 电感式传感器电感式传感器Inductive Sensors武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院绪绪论论电感式传感器是利用线圈电感式传感器是利用线圈自感自感（self-inductance of coils ） 或或互感互感（mutual inductance of coils）的改变来实现测量的一种）的改变来实现测量的一种 装置。可以测量位移、振动、压力、流量、比重等参数。装置。可以测量位移、振动、压力、流量、比重等参数。 电感式传感器的核心部分是可变的自感或互感，在将被测量电感式传感器的核心部分是可变的自感或互感，在
2、将被测量 转换成线圈自感或互感的变化时，一般要利用磁场作为媒介或转换成线圈自感或互感的变化时，一般要利用磁场作为媒介或 利用铁磁体的某些现象。这类传感器的主要特征是具有电感绕利用铁磁体的某些现象。这类传感器的主要特征是具有电感绕 组。组。 习惯上讲的电感式传感器通常指习惯上讲的电感式传感器通常指自感式传感器自感式传感器（变磁阻式变磁阻式 reluctance variation sensors），而互感式传感器由于它利用变压，而互感式传感器由于它利用变压 器原理，又往往做成差动式，故称作器原理，又往往做成差动式，故称作差动变压器差动变压器（linear variable differentia
3、l transformers(LVDTs)）此外，利用涡流原理）此外，利用涡流原理 的电涡流式传感器（的电涡流式传感器（Eddy current sensors ）、利用材料压磁效）、利用材料压磁效 应（应（Piezo-magnetic effect）的压磁式传感器、利用平面绕组互感）的压磁式传感器、利用平面绕组互感 原理的感应同步器原理的感应同步器( (I Inductosyn) )等，亦属电感式传感器等，亦属电感式传感器武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院特特点点 （1 1）工作可靠、寿命长；）工作可靠、寿命长； （2 2）灵敏度高、分辨率高）灵敏度高、分辨率高; ; 位移位移
4、:0.01:0.01m;m;角度角度0.10.1”; ;输出信号强，电压灵敏度可达数输出信号强，电压灵敏度可达数 百百mV/mm mV/mm 。 （3 3）精度高、线性好）精度高、线性好; ; 在几十在几十mm到数百到数百mmmm的位移范围内，输出特性的线性度较的位移范围内，输出特性的线性度较 好，且比较稳定。非线性误差：好，且比较稳定。非线性误差：0.05%0.1%； （4 4）性能稳定、重复性好。）性能稳定、重复性好。不足不足：存在交流零位信号，不宜于高频动态测量。：存在交流零位信号，不宜于高频动态测量。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院3.13.1自感式自感式( (变磁阻变
5、磁阻) )传感器传感器3.1.1工作原理工作原理1线圈线圈coil ； 2铁芯铁芯Magnetic core ； 3衔铁衔铁Moving coreself-inductance of coil is: 式中：式中：N-number of turnsRM- reluctance2MMNNINNLIIRRx RM L武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院因为气隙较小因为气隙较小(0.1(0.11mm)1mm)，所以，认为气隙磁场是均匀，所以，认为气隙磁场是均匀 的，若忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为的，若忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为: :10022n i m iiilRSSS 铁芯磁导率远大
6、于空气铁芯磁导率远大于空气 的磁导率，因此铁芯磁的磁导率，因此铁芯磁 阻远较气隙磁阻小阻远较气隙磁阻小222 0022mN SNNLR S 线圈自感线圈自感L为：为：分类：分类：变气隙厚度变气隙厚度的电感式传感器；的电感式传感器；变气隙面积变气隙面积S S的电感式传感器；的电感式传感器；变铁芯磁导率变铁芯磁导率的电感式传感器；的电感式传感器；武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院自感式电感传感器常见的形式自感式电感传感器常见的形式1线圈线圈coil ；2铁芯铁芯Magnetic core ；3衔铁衔铁Moving core变气隙式变气隙式变截面式变截面式螺线管式螺线管式武汉理工大学机
7、电工程学院武汉理工大学机电工程学院L=f（S）L=f（） LSL=f()为非线性关系。当为非线性关系。当0时，时， L为为，考虑导磁体的磁阻，当，考虑导磁体的磁阻，当 0时，并不等于时，并不等于，而具有一定，而具有一定 的数值，在的数值，在较小时其特性曲线较小时其特性曲线 如图中虚线所示。如移动衔铁使如图中虚线所示。如移动衔铁使 面积面积S改变，从而改变改变，从而改变L值时值时, ,则则L f(S)的特性曲线为一直线。的特性曲线为一直线。3 3. .1 1. .2 2电感计算与输出特性分析电感计算与输出特性分析 22 0SNL 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院1.1.变气隙式自
8、感传感器变气隙式自感传感器如图如图，传感器初始电感量为：传感器初始电感量为：02 0 02SNL 传感器工作时，若衔铁移动使气隙增加传感器工作时，若衔铁移动使气隙增加， 则电感减小，变化量为则电感减小，变化量为LL：22 00 00 0002()2SNSNLLLL 自感的相对变化量为：自感的相对变化量为：000011 LL武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院一般，一般，1 0 ，则上式，则上式可由泰勒级可由泰勒级数数展开展开成成级级数形式为数形式为 .13020000 LL将上式作线性处理，忽略高次项，可得自感变化与气隙变化成近似将上式作线性处理，忽略高次项，可得自感变化与气隙变化
9、成近似 线性关系：线性关系：00L L 变气隙式自感传感器的灵敏度为变气隙式自感传感器的灵敏度为 001 LLK可见，灵敏度可见，灵敏度K K随初始气隙的增大而减小随初始气隙的增大而减小。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院非线性误差为非线性误差为:%100 0020 非线性误差随非线性误差随的增大而增大的增大而增大 0采用图示差动变隙式电感传感采用图示差动变隙式电感传感 器，可以减小非线性，提高灵器，可以减小非线性，提高灵 敏度。敏度。22 00 1202 0000122()2()1()SNSNLLLL 差动变隙式自感传感器差动变隙式自感传感器 的电感变化量为：的电感变化量为：武
10、汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院差动式电感传感器的电感相对变化量为：差动式电感传感器的电感相对变化量为：2 000)(112 LL当当1 0 ，上式展开成，上式展开成泰勒级泰勒级数：数：24000021.L L 忽略忽略高高次项次项，可，可得得: 002L L 差动变隙式自感传感器的灵敏度为差动变隙式自感传感器的灵敏度为002 LLK非线性误差为非线性误差为%10020030 武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院差动式自感传感器的灵敏度差动式自感传感器的灵敏度 比单线圈传感器提高一倍比单线圈传感器提高一倍 差动式自感传感器非线性失差动式自感传感器非线性失 真小真小,
11、,如当如当/=/=1010时时 , , 单线圈单线圈1010；而差动式的；而差动式的 1 1 采用差动式传感器采用差动式传感器，还能抵还能抵 消温度变化消温度变化、电源波动电源波动、外界外界 干扰干扰、电磁吸力等因素对传感电磁吸力等因素对传感 器的影响器的影响75502505075100L/mH/mm10025LD432112341 线圈线圈自感特性曲线；自感特性曲线； 2 线圈线圈自感特性曲线；自感特性曲线； 3 线圈线圈与与差动自感特性曲线；差动自感特性曲线； 4 差动电桥输出电压位移特性曲线差动电桥输出电压位移特性曲线武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院LL1L2L00注意注
12、意！ 当气隙当气隙发生变化时发生变化时，自感自感 的变化与气隙变化均呈非线性的变化与气隙变化均呈非线性 关系关系，其非线性程度随气隙相其非线性程度随气隙相 对变化对变化/的增大而增加；的增大而增加； 气隙减少气隙减少所引起的自感所引起的自感 变化变化L L1 1与气隙增加同样与气隙增加同样 所引起的自感变化所引起的自感变化L L2 2并不相并不相 等，即等，即L L1 1L L2 2，其差值随，其差值随 l l/ /l l的增加而增大。的增加而增大。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院rx螺管线圈螺管线圈铁芯铁芯单线圈螺管型传感器结构图单线圈螺管型传感器结构图l2 2. . 螺管型
13、电感传感器螺管型电感传感器有单线圈和差动式两种结构形式有单线圈和差动式两种结构形式。 单线圈螺管型传感器的主要元件为一只螺管线圈一根圆柱单线圈螺管型传感器的主要元件为一只螺管线圈一根圆柱 形铁芯及磁性套筒形铁芯及磁性套筒。传感器工作时传感器工作时，因铁芯在线圈中伸入长度因铁芯在线圈中伸入长度 的变化的变化，引起线圈泄漏路径中磁阻的变化引起线圈泄漏路径中磁阻的变化，从而使线圈自感发从而使线圈自感发 生变化生变化。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院螺管线圈螺管线圈1铁芯铁芯差动螺管型传感器结构图差动螺管型传感器结构图螺管线圈螺管线圈2磁性套筒磁性套筒主磁通主磁通漏磁通漏磁通武汉理工大
14、学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院x螺管线圈内磁场分布曲线螺管线圈内磁场分布曲线rl1.00.80.60.40.20.2 0.4 0.60.81.0H（ ）IN lx（l）螺管式自感传感器根据其磁螺管式自感传感器根据其磁 路结构，磁通主要由两部分组路结构，磁通主要由两部分组 成：磁通沿轴向贯穿整个线圈成：磁通沿轴向贯穿整个线圈 后闭合的为后闭合的为 主磁通主磁通；另外经；另外经 铁芯侧面气隙闭合的侧磁通称铁芯侧面气隙闭合的侧磁通称 为为漏磁通漏磁通。铁芯在开始插入。铁芯在开始插入 （x x=0=0）或几乎离开线圈时的）或几乎离开线圈时的 灵敏度，比铁芯插入线圈的灵敏度，比铁芯插入线圈的 1
15、/21/2长度时的灵敏度小得多。长度时的灵敏度小得多。 这说明这说明只有在线圈中段才有可只有在线圈中段才有可 能获得较高的灵敏度，并且有能获得较高的灵敏度，并且有 较好的线性特性。较好的线性特性。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院12PBxxlr设螺管线圈全长为设螺管线圈全长为l,内径为内径为r,匝匝 数为数为N,通电电流强度为通电电流强度为I。沿轴沿轴 线任意一点线任意一点P的磁场强度的磁场强度H为：为：) )(22222rxxrxlxl lINHl 为简化分析，设螺管线圈的长径为简化分析，设螺管线圈的长径 比比/1l r lINH 圈内磁场强度分布均匀，线圈圈内磁场强度分布均匀，线圈 中心处的磁场强度为：中心处的磁场强度为：，
