第第5章章 电感式传感器原理及其应用电感式传感器原理及其应用5.1概述概述5.2 自感式传感器自感式传感器5.3差动变压器式传感器差动变压器式传感器5.4电涡流式传感器电涡流式传感器 5.1概述概述1.电感式传感器的定义电感式传感器的定义利用电磁感应原理将被测非电量转换成线圈利用电磁感应原理将被测非电量转换成线圈自感系数自感系数 或互感系数或互感系数 的变化，再由测的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出，这量电路转换为电压或电流的变化量输出，这种装置称为电感式传感器种装置称为电感式传感器电磁电磁电磁电磁感应感应感应感应 被测非电量被测非电量被测非电量被测非电量自感系数自感系数自感系数自感系数L L互感互感互感互感系系系系数数数数MM测量测量测量测量电路电路电路电路 U U U U、I I I I、f f f f2.电感式传感器的分类电感式传感器的分类电感式传感器可分为自感式传感器、差动变压式传电感式传感器可分为自感式传感器、差动变压式传感器和电涡流传感器三种类型感器和电涡流传感器三种类型5.2 自感式传感器自感式传感器5.2.1自感式传感器的结构自感式传感器的结构 自感式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。
铁自感式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成铁芯与衔铁由硅钢片或坡莫合金等导磁材料制成芯与衔铁由硅钢片或坡莫合金等导磁材料制成自感式传感器结构图自感式传感器结构图5.2.2自感式传感器的工作原理自感式传感器的工作原理 自感式传感器是把被测量变化转换成自感自感式传感器是把被测量变化转换成自感L的变化，的变化，通过一定的转换电路转换成电压或电流输出通过一定的转换电路转换成电压或电流输出传感器在使用时，其运动部分与动铁心（衔铁）相传感器在使用时，其运动部分与动铁心（衔铁）相连，当动铁芯移动时，铁芯与衔铁间的气隙厚度连，当动铁芯移动时，铁芯与衔铁间的气隙厚度 发生改变，引起磁路磁阻变化，导致线圈电感值发发生改变，引起磁路磁阻变化，导致线圈电感值发生改变，只要测量电感量的变化，就能确定动铁芯生改变，只要测量电感量的变化，就能确定动铁芯的位移量的大小和方向的位移量的大小和方向自感式传感器的工作原理示意图自感式传感器的工作原理示意图当线圈匝数当线圈匝数N为常数时，电感为常数时，电感L仅仅是磁路仅仅是磁路中磁阻的函数，只要改变中磁阻的函数，只要改变 或或S均可导致电感变均可导致电感变化因此变磁阻式传感器又可分为变气隙化。
因此变磁阻式传感器又可分为变气隙 厚厚度的传感器和变气隙面积度的传感器和变气隙面积S的传感器的传感器变气隙式自感传感器结构变气隙式自感传感器结构线圈线圈铁心铁心衔铁衔铁由于由于可得：可得：磁路的总磁阻可表示为：磁路的总磁阻可表示为：近似计算出线圈的电感量为：近似计算出线圈的电感量为：当铁芯的结构和材料确定后，自感当铁芯的结构和材料确定后，自感L是气隙厚是气隙厚度度 和气隙磁通截面积和气隙磁通截面积S的函数，即的函数，即 如果如果S保持不变，则保持不变，则L为为 的单值函数，可的单值函数，可构成构成变气隙型变气隙型自感传感器；如果保持自感传感器；如果保持 不变，不变，使使S随位移而变，则可构成随位移而变，则可构成变截面型变截面型自感传感自感传感器；如果圈中放入圆柱形衔铁，当衔铁器；如果圈中放入圆柱形衔铁，当衔铁上下移动时，自感量将相应变化，就构成了上下移动时，自感量将相应变化，就构成了螺线管型螺线管型自感传感器自感传感器变面积式自感传感器：变面积式自感传感器：灵敏度为：灵敏度为：由于漏感等原因，其线性区范围较小，灵敏度也较低，由于漏感等原因，其线性区范围较小，灵敏度也较低，因此，在工业中应用得不多。
因此，在工业中应用得不多衔铁衔铁铁芯铁芯线圈线圈变面积式自感传感器结构变面积式自感传感器结构l lr rx x2 2ra线圈线圈衔铁衔铁螺管型电感传感器螺管型电感传感器螺管式自感传感器：螺管式自感传感器：传感器工作时，衔铁圈中伸入长度的变化将引起螺传感器工作时，衔铁圈中伸入长度的变化将引起螺管线圈电感量的变化管线圈电感量的变化对于长螺管线圈对于长螺管线圈lrlr，当衔铁工作在螺管的中部时，可，当衔铁工作在螺管的中部时，可以认为线圈内磁场强度是均匀的，线圈电感量以认为线圈内磁场强度是均匀的，线圈电感量L L与衔铁的插与衔铁的插入深度入深度l l大致上成正比大致上成正比这种传感器结构简单，制作容易，灵敏度较低，适用于这种传感器结构简单，制作容易，灵敏度较低，适用于测量较大的位移量测量较大的位移量电感式传感器的特点：电感式传感器的特点：（1）结构简单：没有活动的电触点，寿命长结构简单：没有活动的电触点，寿命长2）灵敏度高：输出信号强，电压灵敏度每毫米能）灵敏度高：输出信号强，电压灵敏度每毫米能达到上百毫伏达到上百毫伏3）分辨率大：能感受微小的机械位移与微小的角）分辨率大：能感受微小的机械位移与微小的角度变化。
度变化4）重复性与线性度好：在一定位移范围内，输出）重复性与线性度好：在一定位移范围内，输出特性的线性度好，输出稳定特性的线性度好，输出稳定5）电感式传感器的缺点是存在交流零位信号，不）电感式传感器的缺点是存在交流零位信号，不适宜进行高频动态测量适宜进行高频动态测量5.2.3差动式自感传感器差动式自感传感器 由于线圈中通有交流励磁电流，因而衔铁始终承受由于线圈中通有交流励磁电流，因而衔铁始终承受电磁吸力，会引起振动和附加误差，而且非线性误电磁吸力，会引起振动和附加误差，而且非线性误差较大外界的干扰、电源电压频率的变化、温度差较大外界的干扰、电源电压频率的变化、温度的变化都会使输出产生误差的变化都会使输出产生误差在实际使用中，常采用两个相同的传感线圈共用一在实际使用中，常采用两个相同的传感线圈共用一个衔铁，构成差动式自感传感器，两个线圈的电气个衔铁，构成差动式自感传感器，两个线圈的电气参数和几何尺寸要求完全相同参数和几何尺寸要求完全相同这种结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对温这种结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对温度变化、电源频率变化等的影响也可以进行补偿，度变化、电源频率变化等的影响也可以进行补偿，从而减少了外界影响造成的误差，可以减小测量误从而减少了外界影响造成的误差，可以减小测量误差。
差1.差动式自感传感器的结构差动式自感传感器的结构(a)变气隙式；变气隙式；（b）变面积式；）变面积式；（c）螺管式）螺管式差动式自感传感器差动式自感传感器三种形式的差动式自感传感器以变气隙厚度式电三种形式的差动式自感传感器以变气隙厚度式电感传感器的应用最广感传感器的应用最广变气隙式差动式自感传感器结构剖面图变气隙式差动式自感传感器结构剖面图2.差动式自感传感器的特点差动式自感传感器的特点 自感系数特性曲线如图所示自感系数特性曲线如图所示自感系数特性曲线图自感系数特性曲线图2.差动式自感传感器的特点差动式自感传感器的特点 差动气隙式电感传感器由两个相同的电感线圈差动气隙式电感传感器由两个相同的电感线圈1、2和磁路组成和磁路组成测量时，衔铁通过测杆与被测位移量相连，当被测测量时，衔铁通过测杆与被测位移量相连，当被测体上下移动时，导杆带动衔铁也以相同的位移上下体上下移动时，导杆带动衔铁也以相同的位移上下移动，使两个磁回路中磁阻发生大小相等，方向相移动，使两个磁回路中磁阻发生大小相等，方向相反的变化，导致一个线圈的电感量增加，另一个线反的变化，导致一个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减小，形成差动形式。
圈的电感量减小，形成差动形式差动式与单线圈电感式传感器相比，具有以下优点差动式与单线圈电感式传感器相比，具有以下优点1）线性度高线性度高2）灵敏度高，即衔铁位移相同时，输出信号大一倍灵敏度高，即衔铁位移相同时，输出信号大一倍3）温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度）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的影响，由于能互相抵消而减小4）电磁吸力对测力变化的影响也由于能相互抵消而）电磁吸力对测力变化的影响也由于能相互抵消而减小5.2.4电感式传感器的测量电路电感式传感器的测量电路 自感式传感器实现了把被测量的变化为电感量的变自感式传感器实现了把被测量的变化为电感量的变化为了测出电感量的变化，就要用转换电路把电化为了测出电感量的变化，就要用转换电路把电感量的变化转换成电压（或电流）的变化，最常用感量的变化转换成电压（或电流）的变化，最常用的转换电路有调幅、调频和调相电路的转换电路有调幅、调频和调相电路1.调幅电路调幅电路 （1）变压器电路）变压器电路 图图5-8所示为变压器电桥，所示为变压器电桥，和和 为传感器为传感器两个线圈的阻抗，另两臂为电源变压器二次两个线圈的阻抗，另两臂为电源变压器二次侧线圈的两半，每半的电压为侧线圈的两半，每半的电压为 。
1）变压器电桥电路）变压器电桥电路变压器电桥变压器电桥变压器式电桥如图所示，它的平衡臂为变压器的两个二次变压器式电桥如图所示，它的平衡臂为变压器的两个二次侧绕组，当负载阻抗无穷大时输出电压为：侧绕组，当负载阻抗无穷大时输出电压为：UU/2U/2U0Z1Z2当衔铁下移时，当衔铁下移时，Z1=Z-Z，Z2=Z+Z，则有：则有：同理，当衔铁上移时，有：同理，当衔铁上移时，有：当衔铁处于中间位置时，当衔铁处于中间位置时，L1=L2=L0，Z1=Z2=Z0，此时桥路平衡，输出电压，此时桥路平衡，输出电压U0=0输出电压反映了传感器线圈阻抗的变化，由于是交流信号，输出电压反映了传感器线圈阻抗的变化，由于是交流信号，实际上无法判别输出的相位和位移的方向实际上无法判别输出的相位和位移的方向2）相敏检波电路）相敏检波电路 带相敏整流的电桥电路带相敏整流的电桥电路输出电压经相敏检波可以反映出位移的大小和方向输出电压经相敏检波可以反映出位移的大小和方向VDVD4 4V VVDVD1 1VDVD2 2VDVD3 3R R1 1R R2 2U U0 0U UZ Z1 1Z Z2 2当差动式自感电感传感器处于中间位置时，当差动式自感电感传感器处于中间位置时，Z1=Z2=Z，输，输出电压出电压U0为零。
为零当衔铁移动使当衔铁移动使Z1增加，则增加，则Z2减小，当电源减小，当电源U上正下负时，上正下负时，电阻电阻R2上的压降大于上的压降大于R1上的压降上的压降带相敏整流的电桥电路带相敏整流的电桥电路VDVD4 4V VVDVD1 1VDVD2 2VDVD3 3R R1 1R R2 2U U0 0U UZ Z1 1Z Z2 2当电源当电源U下正上负时，电阻下正上负时，电阻R1上的压降大于上的压降大于R2上的压降，上的压降，则电压表有输出，输出电压下正上负则电压表有输出，输出电压下正上负反之，当反之，当Z2增加，增加，Z1减小时，减小时，U上正下负，上正下负，R1上压降大于上压降大于R2上压降U上负下正时，上负下正时，R2上压降大于上压降大于R1上压降，电压表也上压降，电压表也有输出，输出电压上正下负有输出，输出电压上正下负3）调频电路调频电路 调频电路的基本原理是：传感器电感的变化引起输调频电路的基本原理是：传感器电感的变化引起输出电压频率出电压频率f的变化一般把传感器电感线圈的变化一般把传感器电感线圈L和一和一个固定电容个固定电容C接入一个振荡电路中，其振荡频率为：接入一个振荡电路中，其振荡频率为：当当L变化时，振荡频率随之变化，根据变化时，振荡频率随之变化，根据f的大小即可的大小即可测出被测量的值。
测出被测量的值f和和L的特性曲线具有严重的非线性关系，要求后续的特性曲线具有严重的非线性关系，要求后续电路做适当线性化处理电路做适当线性化处理4）调相电路调相电路 调相电路的基本原理是，传感器电感的变化将引起调相电路的基本原理是，传感器电感的变化将引起输出电压相位输出电。