电感式传感器及应用

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1、第4章 电感式传感器及应用2015/10/121主讲人：主讲人： 李静李静2 根据法拉第电磁定律，当穿过闭合电路的磁通量根据法拉第电磁定律，当穿过闭合电路的磁通量发生变化时，就会产生感应电动势，这种现象称为发生变化时，就会产生感应电动势，这种现象称为电电磁感应磁感应。利用这种现象可以构成各种各样的传感器。利用这种现象可以构成各种各样的传感器。 电感式传感器是利用电感式传感器是利用线圈自感或互感的变化线圈自感或互感的变化来实来实现测量的一种装置现测量的一种装置. 引 言电感式传感器3u 原 理u 定 义 利用线圈自感和互感的变化实现非电量电测的装置。u 感测量 位移、振动、压力、应变、流量、比重

2、等。u 分 类 根据转换原理：自感式（変磁阻式）、互感式（差动变压器式）、 电涡流式。 根据结构形式：气隙型、面积型和螺管型。 电磁 感应 测量电路4优 点 结构简单、可靠 分辨率高 机械位移0.1m，甚至更小；角位移0.1角秒。 输出信号强，电压灵敏度可达数百mV/mm 。 重复性好，线性度优良 在几十m到数百mm的位移范围内，输出特性的线性度较好，且比较稳定。 能实现远距离传输、记录、显示和控制u 不 足 存在交流零位信号，不宜高频动态测量。 主要章节内容 4.1 4.1 自感自感式传感器式传感器 4.2 4.2 差差动变压器式传感器动变压器式传感器 4.3 4.3 电电涡流传感器涡流传感

3、器 54.1 自感式传感器 自感式传感器是利用自感式传感器是利用自感量随气隙变化而改变自感量随气隙变化而改变的原理的原理制成的制成的，主要用来主要用来测量位移测量位移。 自感自感式传感器主要有式传感器主要有闭闭磁路变磁路变隙式隙式和和开磁路螺开磁路螺线管式线管式，它们又都可以分为，它们又都可以分为单线圈式单线圈式与与差动式差动式两种结构形式。两种结构形式。6内 容 4.1.1 结构和工作原理结构和工作原理 4.1.2 自感式传感器的测量电路自感式传感器的测量电路 4.1.3 自感式传感器应用举例自感式传感器应用举例 7自感式传感器的基本工作自感式传感器的基本工作原理演示原理演示8F F衔铁移动

4、衔铁移动磁路中气隙磁阻变化磁路中气隙磁阻变化线圈的电感值变化线圈的电感值变化4.1.1 基本工作原理基本工作原理 9线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁,LINm由于由于mRNL2mmmmRFNIF,可得：可得：磁路的总磁阻可表示为：磁路的总磁阻可表示为：SSlRiiim02近似计算出线圈的电感量为：近似计算出线圈的电感量为：202SNL 10结 论 电感式电感式传感器从原理上可分为传感器从原理上可分为变气隙长度式变气隙长度式和和变气变气隙截面式隙截面式两种类型，两种类型，前者常用于测量前者常用于测量直线位移直线位移，后，后者常用于测量者常用于测量角位移角位移。 如果在线圈中放入圆柱形衔铁，当衔铁上下移动

5、时，如果在线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。4.1.1 常见结构形式111线圈线圈 2铁芯铁芯 3衔铁衔铁 4测杆测杆 5导轨导轨 6工件工件 7转轴转轴 由电感式由电感式 可知，可知，变气隙长度式变气隙长度式传感器传感器的线性度差、示值范围窄、自由行程小，但在小的线性度差、示值范围窄、自由行程小，但在小位移下灵敏度很高，位移下灵敏度很高，常用于小位移的测量常用于小位移的测量。 1变气隙式（闭磁路式）自感传感器 121线圈线圈 2铁芯铁芯 3衔铁衔铁202SNL 131变气隙式（闭磁路式）自感传感

6、器 由电感式由电感式 同样可知，同样可知，变截面式传感器变截面式传感器具有良好的线性度、自由行程大、示值范围宽，具有良好的线性度、自由行程大、示值范围宽，但灵敏度较低，但灵敏度较低，常用来测量较大位移量常用来测量较大位移量。 为扩大示值范围和减小非线性误差，可采用为扩大示值范围和减小非线性误差，可采用差动差动结构结构。202SNL 2螺线管式（开磁路式）自感式传感器 螺线管式自感式传感器常采用差动式。螺线管式自感式传感器常采用差动式。14 1测杆测杆 2衔铁衔铁 3线圈线圈 差动式电感传感器对外界差动式电感传感器对外界影响，如温度的变化、电影响，如温度的变化、电源频率的变化等基本上可源频率的变

7、化等基本上可以互相抵消，衔铁承受的以互相抵消，衔铁承受的电磁吸力也较小，从而减电磁吸力也较小，从而减小了测量误差。小了测量误差。特性15 1、2L1、L2的特性的特性 3差动特性差动特性 4.1.2 自感式传感器的测量电路 测量电路有交流分压式、交流电桥式和谐振式等多种，常用测量电路有交流分压式、交流电桥式和谐振式等多种，常用的差动式传感器大多采用的差动式传感器大多采用交流电桥式交流电桥式 。 交流电桥的种类很多，交流电桥的种类很多，差动形式工作时其电桥电路常采用双差动形式工作时其电桥电路常采用双臂工作方式臂工作方式。161变压器交流电桥 电桥有两臂为传感器的电桥有两臂为传感器的差动线圈的阻抗

8、，所以差动线圈的阻抗，所以该电路又称为差动交流该电路又称为差动交流电桥电桥 17变压器式交流电桥电路图变压器式交流电桥电路图 分析 设设O点为电位参考点，根据电路的基本分析方法，点为电位参考点，根据电路的基本分析方法，可得到电桥输出电压为可得到电桥输出电压为 当传感器的活动铁芯处于初始平衡位置时，两线当传感器的活动铁芯处于初始平衡位置时，两线圈的电感相等，阻抗也相等。圈的电感相等，阻抗也相等。 电桥输出电压，电桥处于平衡状态。电桥输出电压，电桥处于平衡状态。 181oABAB2121()2ZUUVVUZZ变化时 当铁芯向一边移动时，则一个线圈的阻抗增加当铁芯向一边移动时，则一个线圈的阻抗增加

9、，1910ZZZ20ZZZ0o22001()222ZZZUUUZZ 变化后的电压 当传感器线圈为高当传感器线圈为高Q值时，则线圈的电阻远小于值时，则线圈的电阻远小于其感抗其感抗 当活动铁芯向另一边（反方向）移动时当活动铁芯向另一边（反方向）移动时 差动式自感传感器采用变压器交流电桥为测量电差动式自感传感器采用变压器交流电桥为测量电路时，电桥输出电压既能反映被测体位移量的大路时，电桥输出电压既能反映被测体位移量的大小，又能反映位移量的方向，且输出电压与电感小，又能反映位移量的方向，且输出电压与电感变化量呈线性关系。变化量呈线性关系。 20o202LUUL 2带相敏整流的交流电桥 上述变压器式交流

10、电桥中，由于上述变压器式交流电桥中，由于采用交流电源采用交流电源，则不论活动铁芯向线圈的哪个方向移动，电桥输则不论活动铁芯向线圈的哪个方向移动，电桥输出电压总是交流的，即无法判别位移的方向。出电压总是交流的，即无法判别位移的方向。 常采用常采用带相敏整流的交流电桥带相敏整流的交流电桥。21结构22带相敏整流的交流电桥电路带相敏整流的交流电桥电路 （1）初始平衡位置时23铁芯处于初始平衡位置时的等效电路铁芯处于初始平衡位置时的等效电路 （2）活动铁芯向一边移动时 24铁芯向线圈一个方向移动时的等效电路铁芯向线圈一个方向移动时的等效电路 结果25oDCii20001221 ()2ZZUVVUUZZ

11、ZZoDCi200121 ()2ZUVVUZZZ在在Ui的正半周的正半周 在在Ui的负半周的负半周 只要活动铁芯向一方向移动，只要活动铁芯向一方向移动，无论在交流电源的无论在交流电源的正半周还是负半周，电桥输出电压均为正值。正半周还是负半周，电桥输出电压均为正值。 26（3）活动铁芯向相反方向移动时 当活动铁芯向线圈的另一个方向移动时，用上述当活动铁芯向线圈的另一个方向移动时，用上述分析方法同样可以证明，分析方法同样可以证明，无论在的正半周还是负无论在的正半周还是负半周，电桥输出电压均为负值。半周，电桥输出电压均为负值。 27应用281理想特性曲线理想特性曲线 2实际特性曲线实际特性曲线4.1