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1、第三讲 电感式传感器,电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感L或互感系数M的变化，从而导致线圈电感量改变这一物理现象来实现测量的。 电感式传感器种类较多，常见的有：自感式电感传感器、互感式电感传感器两大类；此外还有电涡流式传感器、压磁式传感器、感应同步器等等。,3.1 自感式电感传感器（变磁阻式）,自感式电感传感器可分为变间隙型、变面积型和螺管型三种类型。,变间隙型、变面积型 螺管型,一、工作原理（变间隙型）,传感器由线圈、铁心和衔铁组成。 铁芯衔铁用高导磁率的金属制成，二者之 间由空隙隔开。工作时衔铁与被测物体 连接，被测物体的位移将引起空气隙的长 度发生变化。由于气隙磁阻的变化，导致
2、了线圈电感量的变化。线圈的电感可用下 式表示：,式中，N为线圈匝数；Rm为磁路总磁阻。,因此有： 一般情况下，导磁体的磁阻与空气隙磁阻相比是很小的，因此线圈的电感值可近似地表示为： 由此可见改变及A均可使L变化，即对应为变气隙型和变面积型。,对于变间隙型，如果忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为： 式中，l1为铁心磁路长；l2为衔铁磁路长；A为截面积；1为铁心磁导率；2为衔铁磁导率；0为空气磁导率；为空气隙厚度。,二、灵敏度与非线性（变间隙型） 1、输出特性,初始时电感量为： 当衔铁下移时，气隙增大为0，电感减小L1， 则有： 电感相对变化为：,忽略高次非线性项L与L0和成线性关系。同时由于L1与L2
3、不等，故在测量范围较小时，测量精度才高，故此类适于小位移测量。 灵敏度,当衔铁上移时：,有下式：,2、差动自感传感器 1)结构,在实际使用中，常采用两个相同的传感线圈共用一个衔铁，构成差动式电感传感器，这样可以提高传感器的灵敏度，减小测量误差。 变间隙型 变面积型 螺管型,2)输出特性,由前式若接成差动则有：,若在后续的测量电路中，使得输出与 L1L2成正比则S2L0/0， 提高一倍，可见其线性范围较大。,三、等效电路,1、铜损电阻RC线圈的电阻，RC与L串联。 2、铁芯涡流损耗电阻Re铁芯上绕有电感线圈，在交变电场下会形成电涡流，造成能量的损耗，该损耗以Re来表示，Re与L并联。 3、磁滞损
4、耗电阻Rh 铁磁材料在交变电场中，反复磁化时，由于磁体内分子不断变化，故分子振动加剩、温度升高造成能量损耗。Rh与Re、L并联。 4、等效电容C 该电容包括线圈的匝间电容和电缆线的分布电容。 5、自身电感,四、转换电路,调幅电路一般为交流电桥，是主要的测量电路，它的作用是将线圈电感的变化转换成电桥电路的电压或电流输出。 前面已提到差动式结构可以提高灵敏度，改善线性，所以交流电桥也多采用双臂工作形式。通常将传感器作为电桥的两个工作臂，电桥的平衡臂可以是纯电阻，也可以是变压器的二次侧绕组或紧耦合电感线圈。,1、调幅电路,变压器式电桥,由于是双臂工作形式当衔铁下移时，Z1=ZZ，Z2=Z+Z，则有：
5、,上移时相同。由于输出是交流信号，无法判向，应用相应电路处理。,带相敏整流的交流电桥,设差动电感传感器的线圈阻抗分别为Z1和Z2。当衔铁处于中间位置时，Z1=Z2=Z，电桥处于平衡状态，C点电位等于D点地位，电表指示为零。,当衔铁上移，上部线圈阻抗增大，Z1=Z+Z，则下部线圈阻抗减少，Z2=Z-Z。如果输入交流电压为正半周，设A点电位为正，B点电位为负，二极管V1、V4导通，V2、V3截止。在A-E-C-B支路中，C点电位由于Z1增大而比平衡时的C点电位降低； 而在A-F-D-B支中中，D点电位由于Z2的降低而比平衡时D点的电位增高，所以D点电位高于C点电位，直流电压表正向偏转。,如果输入交
6、流电压为负半周，A点电位为负，B点电位为正，二极管V2、V3导通，V1、V4截止，则在A-F-C-B支中中，C点电位由于Z2减少而比平衡时降低（平衡时，输入电压若为负半周，即B点电位为正，A点电位为负，C点相对于B点为负电位，Z2减少时，C点电位更负）；而在A-E-D-B支路中，D点电位由于Z1的增加而比平衡时的电位增高，所以仍然是D点电位高于C点电位，电压表正向偏转。 同样可以得出结果：当衔铁下移时，电压表总是反向偏转，输出为负。 可见采用带相敏整流的交流电桥，输出信号既能反映位移大小又能反映位移的方向。,2、调频电路 3、调相电路,调频电路的基本原理是将传感器电感L的变化引起输出电压频率f的变化。一般是把传感器电感L与一个固定电容接入一个振荡回路当中。,六、自感式电感传感器的特点及应用 灵敏度高，可测微米级的直线位移。 测量范围较小，尤其是变间隙型自感式电感传感器。 存在非线性。,五、零点残余电压 对于差动结构的自感式电感传感器，采用电桥测量电路，当电桥处于预平衡时，仍有输出电压，此电压称为零点残余电压。,电感式压力传感器 压差传感器,
