第4章電感傳感器

本章學習內(nèi)容：1.變磁阻式傳感器2.差動變壓器式傳感器3.渦流式傳感器原理與應用第四章、電感式傳感器電感式傳感器電感式傳感器綜述被測物理量位移振動壓力流量比重的變化傳感器自感系數(shù)L互感系數(shù)M的變化電路電壓電流電感式傳感器

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。電感傳感器優(yōu)點：靈敏度高，分辨力高，位移：0.1m；精度高，線性特性好，非線性誤差：0.05%0.1%；性能穩(wěn)定，重復性好；結(jié)構簡單可靠、輸出功率大、輸出阻抗小、抗干擾能力強、對工作環(huán)境要求不高、壽命長能實現(xiàn)信息的遠距離傳輸、記錄、顯示和控制等。電感式傳感器電感式傳感器

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分類：差動變壓器型4.1自感型--可變磁阻式

一、工作原理

將被測對象的微小變化(x)

電感的變化(L)

傳感器運動部分與銜鐵相連，測物理量時，運動部分位移銜鐵位移氣隙厚度變化線圈自感系數(shù)L變化電感式傳感器若很小，且不考慮磁路鐵損，則

根據(jù)電工學：線圈中的電感量li

各導磁體長度

空氣隙間隙i

各導磁體相對導磁率

0

空氣隙導磁系數(shù)Ai

各導磁體截面積A

空氣隙截面積因為

鐵芯、

銜鐵>>

氣隙，所以，R鐵芯+R銜鐵<<R氣隙

二.電感傳感器的三種型式

氣隙變化型—變氣隙的間隙

(a)面積變化型—變氣隙的截面積S(b)螺管型—變銜鐵與線圈重合長度(c)電感式傳感器電感傳感器的分類比較三.特性

靈敏度輸出特性

(以變氣隙為例)氣隙變化量為?δ，相應的電感變化為：

可見輸出特性為非線性關系即：傳感器的測量范圍與靈敏度及線性度相矛盾

電感式傳感器差動型式

為了增加靈敏度，改善線性，往往做成差動式的。差動優(yōu)點：（1）.大大的改善了線性，減小線性誤差；（2）.使靈敏度提高一倍。電感式傳感器四.測量電路交流電橋式測量電路

變壓器式交流電橋諧振式測量電路

電感式傳感器電感式傳感器的等效電路

等效線圈阻抗為品質(zhì)因數(shù)

線圈阻抗化簡為：電感式傳感器交流電橋式測量電路

差動式的輸出電壓差動傳感器電感的總變化量

忽略高次項，靈敏度K0

交流電橋式測量電路特點差動式變間隙電感傳感器比單線圈式的靈敏度高一倍差動式的線性度得到明顯改善。

電感式傳感器變壓器式交流電橋

橋路輸出電壓

銜鐵上、下移動相同距離時，輸出電壓相位相反，大小隨銜鐵的位移而變化。電感式傳感器調(diào)頻測量電路

振蕩頻率

當變化時，振蕩頻率隨之變化，根據(jù)頻率的大小即可測出被測量的值，頻率與電感有嚴重的非線性關系。

調(diào)幅測量電路4.2.互感型--差動變壓（原理）差動變壓器本身是變壓器，利用互感原理，所以也稱互感傳感器。互感現(xiàn)象：線圈N1輸入電流i1，

N2產(chǎn)生感應電勢e12

電感式傳感器基本結(jié)構：變隙式差動變壓器圖4-11差動變壓器式傳感器的結(jié)構示意圖（a）、（b）變隙式差動變壓器;電感式傳感器圖4-11差動變壓器式傳感器的結(jié)構示意圖（c）、（d）螺線管式差動變壓器;基本結(jié)構：螺線管式差動變壓器電感式傳感器圖4-11差動變壓器式傳感器的結(jié)構示意圖（e）、（f）變面積式差動變壓器基本結(jié)構：變面積式差動變壓器電感式傳感器一、差動變壓器原理u

初級線圈的激勵電壓r1、L1a

初級線圈的電阻和電感L2a、L2b

次級線圈的電感r2a、r2b

次級線圈的電阻

W1

初級線圈的匝數(shù)W21、W2

次級線圈的匝數(shù)電感式傳感器原理推導在初級線圈中

次級線圈中的感應電勢

感應電勢的有效值討論：初始位置，銜鐵處于中間位置

當銜鐵上升L

當銜鐵下降LU0與E2a同相

U0與E2b同相

電感式傳感器二、輸出特性

從理論上講，在銜鐵處于中間位置時輸出電壓應為零，但實際存在零點殘余電壓，它由這樣一些因素引起：兩個次級線圈不對稱初級線圈銅耗電阻的存在導磁體靠近的安裝位置、鐵芯長度等激磁頻率的高低鐵磁材質(zhì)不均勻線圈間存在分布電容電感式傳感器三、測量電路差動整流電路差動整流電路，輸入一交流信號時整流電路的輸出電壓為：電感式傳感器相敏檢波電路電感式傳感器討論:當位移時，u2與us同頻同相，當位移時，u2與us同頻反相。

當u2與us均為正半周時,VD1、VD4截止M點+VD2、VD3導通O點-當u2與us均為負半周時,VD2、VD3截止M點+VD1、VD4導通O點-負載RL兩端得到的電壓U0始終為正

當us均為正半周時,VD1、VD4截止M點-VD2、VD3導通O點+當us均為負半周時,VD2、VD3截止M點-VD1、VD4導通O點+負載RL兩端得到的電壓U0始終為負

圖4-20波形圖（a）被測位移變化波形圖;（b）差動變壓器激磁電壓波形;（c）差動變壓器輸出電壓波形

(d)相敏檢波解調(diào)電壓波形；

(e)相敏檢波輸出電壓波形四、應用差動變壓器位移傳感器電感式傳感器案例：板的厚度測量

~案例：張力測量壓力測量加速度測量液面高度測量1-懸臂梁2-差動變壓器一、原理:渦流效應4.3渦流式電感式傳感器原線圈的等效阻抗Z變化：電感式傳感器電渦流效應與被測體的電阻率ρ有關磁導率μ以及幾何形狀r有關線圈幾何參數(shù)、線圈中激磁電流頻率f有關，還與線圈與導體間的距離x有關高頻反射式渦流傳感器—自感型低頻透射式渦流傳感器—互感型根據(jù)激勵頻率不同分為電感式傳感器二、電渦流形成范圍電渦流的徑向形成范圍

①

電渦流徑向形成范圍大約在傳感器線圈外徑ras的1.8～2.5倍范圍內(nèi)，且分布不均勻②電渦流密度在ri=0處為零。③電渦流的最大值在r=ras附近的一個狹窄區(qū)域內(nèi)。④可以用一個平均半徑為ras

的短路環(huán)來集中表示分散的電渦流（圖中陰影部分）。

電感式傳感器圖4-25電渦流密度J與半徑r的關系曲線電渦流強度與距離的關系

電渦流強度I與距離x呈非線性關系

在x/ras<<1時，有較好的線性和靈敏度。

電渦流的軸向貫穿深度

I1——線圈激勵電流；

I2——金屬導體中等效電流；渦流傳感器的結(jié)構及特性

三.電渦流傳感器測量電路調(diào)頻式電路圖4-28調(diào)頻式測量電路(a)測量電路框圖；(b)振蕩電路傳感器線圈接入LC振蕩回路，當傳感器與被測導體距離x改變時，在渦流影響下，傳感器的電感變化，將導致振蕩頻率的變化，該變化的頻率是距離x的函數(shù)，即f=L(x),該頻率可由數(shù)字頻率計直接測量，或者通過f-V變換，用數(shù)字電壓表測量對應的電壓。振蕩器電路如圖4-28(b)所示。它由克拉潑電容三點式振蕩器(C2、C3、L、C和Ｖ1)以及射極輸出電路兩部分組成。振蕩器的頻率為為了避免輸出電纜的分布電容的影響，通常將L、C裝在傳感器內(nèi)。此時電纜分布電容并聯(lián)在大電容C2、C3上，因而對振蕩頻率f的影響將大大減小。

由傳感器線圈L、電容器C和石英晶體組