第三章電感傳感器

傳感與檢測技術(shù)武漢理工大學自動化學院Copyright?2004WUT.AllRightsReserved.第三章電感傳感器第一節(jié)自感式傳感器第二節(jié)互感式傳感器第三節(jié)電渦流式傳感器電感傳感器電感式傳感器電感式傳感器是基于電磁感應原理，它是把被測量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。分類:電感式傳感器自感型可變磁阻型渦流式互感型電感式傳感器1.自感型--可變磁阻式a)可變導磁面積型b）差動型c）單螺管線圈型d）雙螺管線圈差動原理:電磁感應電感式傳感器2互感型--差動變壓器工作原理:互感現(xiàn)象.WW1W2Esx-xEwEout電感式傳感器3渦流式原理:渦流效應原線圈的等效阻抗Z變化：優(yōu)點：⑴.結(jié)構(gòu)簡單、可靠、測量壓力小、壽命長；⑵.分辨率高（位移變化0.01μm，角度變化0.1O）；⑶.重復性好，線性度優(yōu)良（非線性誤差可達0.05%～0.1%）；⑷.輸出信號強，不經(jīng)放大的輸出電壓可達幾十到幾百毫伏。缺點：

存在交流零位信號，不適于高頻動態(tài)信號測量。第一節(jié)自感式傳感器一、自感電動勢與電感

根據(jù)法拉第電磁感應定律，每匝產(chǎn)生的感應電動勢為，當線圈為N時，則整個線圈的自感電動勢為：磁鏈與電流成正比，其比例常數(shù)稱自感L或稱為電感

因此對于一個磁路按歐姆定律可寫成下列形式：

代入式（3-2）得：

第一節(jié)自感式傳感器自感型--可變磁阻式a)可變導磁面積型b）差動型c）單螺管線圈型d）雙螺管線圈差動原理:電磁感應第一節(jié)自感式傳感器二、工作原理因為導磁體的磁導率遠大于空氣磁導率，即氣隙磁阻遠大于鐵心和銜鐵的磁阻，所以線圈的自感為

特性曲線

圖3－2自感傳感器特性曲線自感傳感器一般有三種類型：1.改變空氣隙厚度的自感傳感器；2.改變氣隙截面積的自感傳感器；3.螺管式自感傳感器。

三、電感計算及特性分析1．氣隙型傳感器設(shè)電感傳感器初始氣隙為δ0，初始電感量為L0，銜鐵位移引起的氣隙變化量為△δ，則

一般取△δ=（0.1～0.2）δ0

當時，上式用臺勞級數(shù)展開成級數(shù)形式為：

作線性處理，忽略高次項，可得

氣隙型電感傳感器的靈敏度為：結(jié)論：傳感器的測量范圍小，K大。非線性誤差

結(jié)論：變氣隙式電感傳感器的測量范圍與靈敏度及線性度相矛盾，所以變氣隙式電感傳感器用于測量微小位移時是比較精確的。2.差動自感傳感器⑴.結(jié)構(gòu)

為了減小非線性，可利用兩只完全對稱的單個電感傳感器合用一個活動銜鐵，構(gòu)成差動式電感傳感器，如差動式氣隙電感傳感器、差動螺管電感傳感器等。其測量電路可使用非平衡電橋、相敏整流電路等。

差動自感傳感器原理圖

差動自感傳感器原理圖

⑵.工作原理①.初態(tài)（平衡態(tài)）：②.動鐵芯向上移位時：設(shè)I1和I2保持初態(tài)值，即：I1=I2所以Uo=IZL=2ΔIZL

⑵.工作原理（續(xù)）③.動鐵芯向下移位時：Uo=IZL=－2ΔIZL

動鐵位移時，輸出電壓的大小和極性將跟隨位移的變化而變化。

結(jié)論：在銜鐵位移時，兩輸出電流變化量大小相等，極性相反，且大小是2?I關(guān)系。輸出電壓跟隨輸出電流做相應變化。＋——上移－——下移銜鐵位移量變化量大小變化極性（方向）（銜鐵位移方向）電感的相對變化量為

差動電感傳感器的輸入輸出特性為靈敏度為：上式用臺勞級數(shù)展開成級數(shù)形式為

作線性處理，忽略高次項，可得

非線性誤差為：3．螺管型電感傳感器差動螺管式電感傳感器的電感相對變化量為

3.1電感式傳感器雙螺管線圈差動型傳感器及測量電路~交流電橋螺管式電感傳感器的特點：⑴.結(jié)構(gòu)簡單，制造裝配容易；⑵.因空氣隙大，磁路的磁阻高，故靈敏度低，但線性范圍大；⑶.因磁路大部分為空氣，易受外部磁場干擾；⑷.因磁阻高，為達到某一電感量，需增加線圈匝數(shù)，故線圈分布電容大；⑸.要求線圈框架幾何尺寸和形狀必須穩(wěn)定，否則影響其線性和確定性。三、差動自感傳感器測量電路1．基本交流測量電橋主要有調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相電路（1）初態(tài)時：由于動鐵居中，即Z1=Z2=Z，Uo=0，說明電橋處于平衡狀態(tài)。

雙螺管線圈差動型傳感器及測量電路~交流電橋（2）動鐵上移時：

δ1↓→L1↑→Z1↑=Z+ΔZ

δ2↑→L2↓→Z2↓=Z－ΔZ

（3）動鐵下移時：同理可得

2．帶相敏整流的交流電橋工作原理：（1）初態(tài)時：由于動鐵居中，即Z1=Z2=Z，由于橋路結(jié)構(gòu)對稱，此時UB=UC，即Uo

=0。（2）動鐵上移時：

Z1↑=Z+ΔZ，Z2↓=Z－ΔZ，即Z1＞Z2→I1＜I2，

此時

Uo

=UB－UC=UBD+UDC=I1R－I2R=R（I1－I2）＜0

指示表指針左偏，讀數(shù)為負，表明動鐵在上移。（3）動鐵下移時：

Z1↓=Z－ΔZ，Z2↑=Z+ΔZ，即Z2＞Z1→I1＞I2，此時Uo

=UB－UC=R（I1－I2）＞0

指示表指針右偏，讀數(shù)為正，表明動鐵在下移。測量電橋引入相敏整流后還可以消除殘余電壓

圖3－7基本測量電橋輸出特性

圖3－8帶相敏整流電橋輸出特性3.調(diào)頻電路4.調(diào)相電路5.傳感器靈敏度自感傳感器的靈敏度指傳感器結(jié)構(gòu)（測頭）和轉(zhuǎn)換電路綜合在一起的總靈敏度。

傳感器結(jié)構(gòu)的靈敏度即電感值相對變化與引起這一變化的銜鐵位移之比

轉(zhuǎn)換電路的靈敏度即空載輸出電壓與電感相對變化之比傳感器的靈敏度為：在工廠生產(chǎn)中測定的傳感器的靈敏度是把傳感器接入轉(zhuǎn)換電路后進行的，其單位為：

mv/(μm·V)。

四、影響傳感器精度的因素分析1.電源電壓和頻率的波動影響

電源電壓的波動一般允許為5%～10%。嚴格對稱的交流電橋可補償頻率波動的影響。2.

溫度變化的影響

為補償溫度變化的影響，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時要合理選擇零件的材料（注意各種材料的膨脹系數(shù)之間的配合），在制造和裝配工藝上應使差動式傳感器的兩只線圈的電氣參數(shù)（電阻、電感、匝數(shù)）和幾何尺寸盡可能一致。上述措施可在對稱電橋電路中有效地補償溫度的影響。3.非線性特性的影響

除采用差動式結(jié)構(gòu)外，還須限制銜鐵的最大位移量

4.輸出電壓與電源電壓之間的相差

采用相敏整流電路，和高Q值傳感器，一般Q值不應低于3～4。5.電橋的殘余不平衡電壓——零點殘余電壓零點殘余電壓產(chǎn)生的原因：

⑴.差動式兩個電感線圈的電氣參數(shù)以及導磁體的幾何尺寸不可能完全對稱；

⑵.傳感器具有鐵損即磁芯磁化曲線的非線性；

⑶.電源電壓中含有高次諧波；

⑷.線圈中有寄生電容，線圈與外殼、鐵芯間有分布電容；

零點殘余電壓的危害很大，會降低測量精度，削弱分辨力，易使放大器飽和。

減小零點殘余電壓的措施是減少電源中的諧波成分，減小電感傳感器的激磁電流，使之工作在磁化曲線的線性段。為了消除電橋的零點殘余電壓，在差動電感電橋的電路中通常再接入兩只可調(diào)電位器，當電壓有零點殘余電壓時，可以反復調(diào)節(jié)兩只電位器，使電橋?qū)崿F(xiàn)平衡。六、自感式傳感器的應用

思考題：

1.簡述變隙式自感傳感器的工作原理？寫出單線圈和差動線圈自感傳感器的靈敏度計算公式？輸出特性？

2.帶相敏整流的電橋電路具有哪些優(yōu)點？

檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)武漢理工大學自動化學院Copyright?2003WUT.AllRightsReserved.第三章電感傳感器互感型--差動變壓器工作原理:互感現(xiàn)象.WW1W2Esx-xEwEout第三章電感傳感器互感傳感器——將被測量轉(zhuǎn)換為傳感器件的互感變化量的傳感器。第二節(jié)差動變壓器（互感傳感器）一、工作原理設(shè)：一、工作原理則：又：故：其有效值為

二、螺管型差動變壓器1.結(jié)構(gòu)（a）結(jié)構(gòu) （b）等效電路圖3－14差動變壓器原理圖

2.基本特性當鐵芯位于線圈中心位置時，U1=U2，UO=0；

當次級開路時，初級線圈的交流電流為：次級線圈感應電勢為：差動變壓器的空載輸出電壓為：

其幅值為：輸出阻抗為：

⑴.磁芯處于中間平衡位置時

M1=M2=MUO=0⑵.磁芯上升時

M1=M+ΔM,M2=M-ΔM⑶.磁芯下降時設(shè)M1=M-ΔM,M2=M+ΔM

輸出電壓還可以寫成：3.主要性能

（1）

輸出電壓特性

圖中Uo為動鐵4與次線某線圈完全不耦合時的輸出電壓，稱之為殘余電壓。ΔX表示動鐵4與次級某線圈實際位移的范圍。

(a)單個線圈(b)差動兩線圈（2）靈敏度

差動變壓器在單位電壓激勵下，鐵芯移動單位距離時所產(chǎn)生的輸出電壓。以mv/mm.V表示。提高差動變壓器的靈敏度可采用如下途徑：①在初級線圈熱容量允許范圍內(nèi)適當增加激勵電壓U1。適當增加激勵頻率，也可以提高靈敏度。

②在低頻段，若R1＞＞ωL1，則由（3－20）式可得③適當增加動鐵芯截面積，以減小磁路磁阻，同時減小鐵損。

④適當增加次級線圈的匝數(shù)N2，一般取N2=（1～2）N1。實際應用中提高差動變壓器的靈敏度的途徑：提高線圈的Q值，為此可增大差動變壓器的尺寸。一般線圈長度為直徑的1.5-2.0倍為恰當。選擇較高的激勵頻率增大鐵芯直徑，使其接近于線圈架內(nèi)徑，但不觸及線圈架。二節(jié)式差動變壓器的鐵芯長度為全長的60%-80%。鐵芯采用導磁率高，鐵損小，渦流損耗小的材料在不使線圈過熱的條件下盡量提高激勵電壓。三、轉(zhuǎn)換電路1．反串電路2.橋路靈敏度只有反串電路的一半，但可利用RP進行電氣調(diào)零，不再需要另外配置調(diào)零電路。

空載輸出電壓3．差動整流電路下面結(jié)合（b）全波電壓輸出電路，分析差動整流電路的工作原理。

設(shè)某瞬間載波為正半周，此時差動變壓器兩個次級線圈的相位關(guān)系為A正B負，、C正D負，則由上線圈供電的電流路徑為：

A→1→2→9→11→4→3→B電容C1兩端的電壓為U24，電容C2兩端的電壓位U68。差動變壓器的輸出電壓為上述兩電壓的代數(shù)和，即U2=U24-U68

。同理，當某瞬間為負半周時，即兩次級線圈的相位關(guān)系為A負B正、C負D正，按上述分析，可得差動變壓器輸出電壓U2的表達式仍為U2=U24-U68。

當鐵心在中間位置時，U24=U68，所以U2=0；

當銜鐵在零位以上時，因為U24>U68，則U2>0；

當銜鐵在零位以下時，因為U24<U68，則U2<0。

鐵心在零位以上或以下時，輸出電壓的極性相反，于是零點殘余電壓會自動抵消。4.相敏檢波電路

電路工作原理為：①當差動變壓器鐵心在中間位置時，e=0，只有er起作用，此時可得電壓降UCB和UDB大小相等，方向相反，故輸出UCD=0 。②若鐵心上移，e≠0，設(shè)e和er同相，由于er>>e，故er正半周時，D1、D2導通，D3、D4截止，D1回路內(nèi)總電勢為er+e/2，D2回路內(nèi)總電勢為er-e/2，故回路電流i1>i2，輸出電壓UCD=R0（i1-i2）>0。

er負半周時，D1、D2截止，D3、D4導通，D3回路內(nèi)電勢為er-e/2，D4路內(nèi)總電勢為er+e/2，故回路電流i4>i3，輸出電壓UCD=R0（i4-i3）>0，因此鐵心上移時輸出電壓UCD>0 。③類似，當因此鐵心下移時，e和er反相，輸出電壓UCD<0。

由此可見，該電路能判別鐵心移動的方向。

相敏整流放大器單片集成電路LZXI

功能：把輸入交流信號經(jīng)過全波整流后變?yōu)橹绷餍盘?，并能鑒別輸入信號相位等功能。

四、零點殘余電壓的補償產(chǎn)生零點殘余電壓的主要原因：兩個繞組不能絕對對稱。

鐵芯的磁化曲線的非線性。消除零點殘余電壓的方法：保證對稱性

選用合適的測量線用補償線路補償零點殘余電壓的電路

五、應用舉例加速度計用傳感器測振線路方塊圖

3.3電感式傳感器應用:厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,壓縮,垂直度;

壓力,流量,液位;張力,重力,負荷量;扭