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1、,第3章 电感传感器,掌握自感式电感传感器的结构、原理及其相应的测量电路和应用。掌握差动变压器（互感式电感传感器）的原理、特点、工作特性及零点残压的消除方法。掌握高频发射式及低频透射式电涡流传感器的工作原理。,上一页,下一页,返 回,第3章 电感传感器,3.1 自感式传感器 3.2 差动变压器 3.3 电涡流式传感器 3.4 电感传感器的应用,上一页,下一页,返 回,电感传感器,电感传感器是利用线圈自感和互感的变化实现非电量测量的。 应用电磁感应原理将非电量参数转换为电感量的变化（包括自感和互感） 根据工作原理不同，可分为自感式、互感式和涡流式三种类型，可用来测量位移、振动、转速、流量等非电信
2、号。 主要优点是： 结构简单（线圈、铁芯、衔铁），工作可靠，寿命长； 灵敏度高，传感器的输出信号强，有利于信号的传输和放大，能分辩0.01m的位移变化，一般每毫米的变化可达数百毫伏的输出； 精度高，重复性好，线性好，非线性误差一般为0.050.1 主要缺点有： 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。,上一页,下一页,返 回,3.1 自感式传感器,3.1.1 气隙型自感传感器 3.1.2 差动自感传感器 3.1.3 差动自感传感器测量电路 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,按原理分：自感式
3、传感器、互感式传感器（差动传感器） 按结构分：闭磁路气隙型；开磁路电涡流式,自感式传感器,上一页,返 回,下一页,自感式传感器亦称变隙式自感传感器，它是根据铁芯线圈磁路气隙的改变，引起滋路磁阻的改变，从而改变线圈自感的大小。 气隙是磁路与磁路之间的空气间隔 ，是以空气为介质的间隙，其变化可以引起磁路和磁阻的变化 。 气隙参数的改变分变气隙长度和变气隙截面积S两种方式 传感器线圈又分单线圈和双线圈两种。,3.1.1 气隙型自感传感器,上一页,返 回,下一页,（a）变气隙长度,（b）变气隙截面积,工作原理 由线圈、铁芯、衔铁三部分组成,上一页,返 回,下一页,根据磁路知识，线圈的自感为：,N线圈的
4、匝数 Rm磁路的总磁 在气隙较小的情况下（一般l在0.11mm），可以认为气隙磁场均匀分布，同时忽略磁路铁损，则有：,l1、l2、l0铁芯、衔铁和气隙的长度 S1、S2、S0铁芯、衔铁和气隙的截面积 1、 2、 0铁芯、衔铁和气隙的导磁率,即磁路总磁为铁芯、衔铁和气隙三部分磁路磁阻之和,上一页,返 回,下一页,实际上由于铁芯一般工作于非饱和状态，此时铁芯的导磁率远远大于空气的导磁率，因而磁路的总磁阻主要由气隙长度决定，即,显然在气隙型传感器中移动衔铁的位置，即可改变气隙的长度图(a)或截面积图(b)， 从而引起线圈自感的变化。,上一页,返 回,下一页,（1）变气隙长度型,2. 工作特性 主要分
5、析变气隙式传感器的线性度和灵敏度。,变气隙长度型传感器的自感L与呈非线性关系,灵敏度：,灵敏度高，线性度差,（2）变气隙截面积型,变气隙截面积S型传感器的自感L与S之间呈线性关系,灵敏度：,灵敏度低，线性度高,上一页,返 回,下一页,结论： L=f（l0）在S0不变的情况下，为非线性反比例函数； L=f（S0）在l0不变的情况下，为线性正比例函数； 如图：分别通过改变l0或改变S0，均可以获得L的变化。,3.1.2 差动变隙式电感传感器,1-铁芯； 2-线圈； 3-衔铁,上一页,返 回,下一页,两线圈变气隙式自感传感器采用两个线圈激磁，工作时两线圈的自感呈反相变化，形成差动输出，因而称之为差动
6、自感传感器。 差动自感传感器亦有变气隙长度型和变气隙截面积型,由两个相同线圈，一个可动衔铁组成：,1.工作原理,初态时：若结构对称，且动铁居中，则,上一页,返 回,下一页,动铁上移时，则,动铁下移时，则,结论：输出电压的大小和极性随位移变化而变化,2.特性分析,（1）输出电压不但能反映位移量的大小，而且能反映位移的方向。 （2）输出电压正比于2I，因而灵敏度较高。 （3）输出电压非线性减小。 （4）可获得温度自补偿。,上一页,返 回,下一页,结论：当位移控制在 ，输出电压Uo与位移近似线性关系,3.1.3 差动自感传感器测量电路,1. 基本交流测量电桥 2. 带相敏整流的交流电桥,上一页,返
7、回,下一页,测量电路作用： 将电感传感器的电感量L的变化转换成电压或电流形式的变化量输出。,1.基本交流测量电桥,（1）初始平衡状态，Z1=Z2=Z, U0=0 （2）动铁上移：,上一页,返 回,下一页,令ZR+jL,Z= R+j L,且R L， R L，则,（3）动铁下移：,上一页,返 回,下一页,结论：输出电压的大小反映动铁位移的大小，输出电压的极性反映动铁位移的方向,两种情况的输出电压大小相等，方向相反，即相位差180o 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. 带相敏检波电路,由于交流电压表不能直接指示电桥输出电压的极性，即无法确定动铁位移的
8、方向，因而通常在交流检测电桥中引入相敏整流电路，把测量电桥的交流输出转换为直流输出，而后用零值电压表测量电桥的输出电压。,上一页,返 回,下一页,2. 带相敏检波电路,Z1、Z2为差动线圈等效阻抗 R为平衡电阻，与Z1、Z2 组成电桥 DlD4组成相敏整流电路 Uo为测量电路的输出电压 零值居中的直流电压表指示输出电压的大小和极性,上一页,返 回,下一页,上一页,返 回,下一页,（1）初态时： 由于动铁居中，即Z1Z2Z，由于桥路结构对称，此时UB UC，即Uo=UB-UC=0。 （2）动铁上移时： Z1Z十Z，Z2ZZ，即Z1Z2I1I2，此时 UoUBUCUBD+UDC=I1R-I2R=R
9、(I1-I2)0 在电源Ui的正半周和负半周，I1、I2的方向均变为相反，但Uo都0，指示表指针反偏，读数为负，表示动铁在上移。 （3）动铁下移时： Z1ZZ ， Z2Z十Z ，即Z2Z1I1 I2，此时 UoUBUCR(I1-I2) 0 指示表指针右偏，读数为正，表明动铁在下移。,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,非相敏整流电路：电路结构不完全对称，初态时电桥不平衡，因而产生静态零偏压，称为零点残余电压。 相敏整流电路具备以下优点： 过零输出 改善线性度 识别极性,上一页,返 回,下一页,返 回,3.2 差动变压器,差动变压器是互感式传感器，
10、是把被测量的位移量转换成传感器线圈间互感量的变化。 其原理类似于变压器。不同的是：后者为闭合磁路，前者为开磁路；后者初、次级间的互感为常数，前者初、次级间的互感随衔铁移动而变，且两个次级绕组按差动方式工作，因此又称为差动变压器。它与自感式传感器统称为电感式传感器。 变隙式 变面积式 螺线管式 一般采用螺线管式，因为气隙式结构复杂，行程小。,下一页,返 回,(a)、(b) 变隙式差动变压器； (c)、(d) 螺线管式差动变压器； (e)、(f) 变面积式差动变压器,上一页,返 回,下一页,差动变压器,3.2.1 工作原理 3.2.2 工作特性 3.2.3 测量电路,上一页,返 回,下一页,3.1
11、 工作原理,-活动衔铁；-导磁外壳； -骨架；-匝数为N1初级绕组； -匝数为N21的次级绕组； -匝数为N22的次级绕组,上一页,返 回,下一页,上一页,返 回,下一页,R1和L1表示初级线圈的电阻和自感 R21和R22表示两次级线圈 的电阻 L21和L22表示两次级线圈的自感 M1和M2表示初级线圈分别与两次级线团间的互感 e2l和e22表示在初级电压u1作用下在两次线圈上产生的感应电动势 两次级线圈反向串联，形成差动输出电压u2。,常采用三段式结构形式，即一个初级线圈，两个次级线圈，且反向串接形成“差接”方式。 如图为等效电路图：输入电压通过互感，感应到感应电压e21和e22，通过移动衔
12、铁，可以改变其原边、副边之间的互感。,上一页,返 回,下一页,初级线圈的激磁电流为:,动铁和次级线圈中产生的磁通分别为:,Nl为初级线圈的匝数，次级线圈的匝数为N11N21N2，R21和R22 分别通道磁阻。此时初级线圈与两次级线圈的互感为：,可见，可以通过移动衔铁，改变M1、M2，从而改变U2.,上一页,返 回,下一页,结论：,当动铁处于中间位置时，磁阻Rm1Rm2，即互感M1M2，故此时输出 电压U20。 当动铁上移时，磁阻Rm1Rm2，则M1=M+MM2=M- M ，此时输出电压U20。 当动铁下移时，磁阻Rm1Rm2，则M1=M-MM2=M+M ，此时输出电压U20。 因而差动变压器可
13、以用来测量动铁位移的大小和方向。,3.2.2 工作特性,输出电压特性 灵敏度 线性度 温度特性 零点残余电压消除方法,上一页,返 回,下一页,（1）输出电压特性,上一页,返 回,下一页,由图可见： 完全耦合时： 该线圈磁路的磁阻最小，因而互感M 最大，感应电动势e最大，因而其输出电压达到最大值Um。 完全不耦合时： 输出电压Uo，称之为残余电压。 x表示动铁与次级线圈实际位移的范围,单个线圈变压器输出电压特性,上一页,返 回,下一页,结论： 相对于次级单个线圈，差动两线圈输出电压线性工作范围大大增加。 改善差动变压器输出电压特性的方法： 提高次级两线圈磁路和电路的对称性 采用相敏整流电路对输出
14、电压进行处理,差动两线圈变压器输出电压特性,上一页,返 回,下一页,理想的差动变压器输出电压与位移成线性关系，但实际上由于线圈、铁芯、骨架的结构形状、材质等诸多因素的影响，不可能达到完全对称，使得实际输出电压呈非线性状态。但在变压器中间部分磁场是均匀且较强的，因而具有较好的线性段。一般x为线圈骨架1/101/4。 改善差动变压器输出电压特性的方法： 提高次级两线圈磁路和电路的对称性 采用相敏整流电路对输出电压进行处理,（2）灵敏度,定义：差动变压器的灵敏度是指差动变压器在单位电压激励下，动铁芯移动单位距离时的输出电压。单位为mV/mmV,上一页,返 回,下一页,KE与f关系曲线,上一页,返 回
15、,下一页,当f较低时，L1R1，则 即U2 当f较高时， L1R1，则 即U2与无关，K为常数。 当f继续升高时，将会产生“集肤”效应，电荷汇集在表面，铁芯有效阻值增大，铁芯发热，产生很大功耗，从而引起U2快速下降。,提高输入激励电压（在热容量范围内），将使传感器灵敏度按线性增加。 但U1不能过大，否则会引起差动变压器发热。,除了激励频率和输入激励电压对差动变压器灵敏度有影响外，提高线圈品质因数Q值，增大衔铁直径，适当增加次级线圈匝数，选择导磁性能好，铁损小以及涡流损耗小的导磁材料制作衔铁和导磁外壳等可以提高灵敏度。,上一页,返 回,下一页,（3）线性度,线性度: 传感器实际特性曲线与理论直线之间的最大偏差除以测量范围（满量程），并用百分数来表示。 影响差动变压器线性度的因素: 骨架形状和尺寸的精确性，线圈的排列，铁芯的尺寸和材质，激励频率和负载状态等。 改善差动变压器的线性度: 取测量范围为线圈骨架长度的1/10-1/4，激励频率采用中频，配用相敏检波式测量电路,上一页,返 回,下一页,（4）温度特性,原因： 组成差动变压器的各个结构件的材料性能都受温度的影响，产生测量误差，影响最大的是初级线圈电阻温度系数，在温度变化时，引起初级电流I1发生变化，致使输出电压
