1、1,第6章 電感式傳感器,電感式傳感器是建立在電磁感應(yīng)基礎(chǔ)上，利用 線圈自感或互感的改變來實(shí)現(xiàn)測(cè)量的一種裝置。它 可對(duì)直線位移和角位移進(jìn)行直接測(cè)量，也可通過一 定的敏感元件把振動(dòng)、壓力、應(yīng)變、流量等轉(zhuǎn)換成 位移量而進(jìn)行測(cè)量。通?？捎上铝蟹椒ㄊ咕€圈的電 感變化： (1)改變幾何形狀； (2)改變磁路的磁阻； (3)改變磁芯材料的導(dǎo)磁率； (4)改變一組線圈的兩部分或幾部分間的耦合度。,2,電感式傳感器分類:,電感式傳感器,3,電感式傳感器的優(yōu)點(diǎn)： 1.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。工作中沒有活動(dòng)電接觸點(diǎn)，因而比電位器工作可靠，壽命長(zhǎng)。 2.靈敏度高，分辨力大。能測(cè)出0.1mm甚至更小的機(jī)械位移變化，能感受小至0.1

2、角秒的微小角度變化。傳感器的輸出信號(hào)強(qiáng)，電壓靈敏度一般每毫米可達(dá)數(shù)百毫伏，因此有利于信號(hào)的傳輸與放大。,4,3.重復(fù)性好，線性度優(yōu)良。在一定位移范圍（最小幾十微米，最大達(dá)數(shù)十甚至數(shù)百毫米）輸出特性的線性度好，并且比較穩(wěn)定，高精度的變磁阻式傳感器，非線性誤差僅0.1%。 4. 輸出功率大、輸出阻抗小、抗干擾能力強(qiáng)、對(duì)工作環(huán)境要求不高。 電感式傳感器的缺點(diǎn)： 頻率響應(yīng)差，不宜于快速動(dòng)態(tài)測(cè)量，并存在交流零位信號(hào)。,6 自感式傳感器,6.1 工作原理 6.2 變氣隙式自感傳感器 6.3 變面積式自感傳感器 6.4 螺線管式自感傳感器 6.5 自感式傳感器測(cè)量電路 6.6 自感式傳感器應(yīng)用舉例,6.1

3、工作原理,線圈自感,線圈總磁鏈,單位：韋伯； I通過線圈的電流，單位：安培； W線圈的匝數(shù)； Rm磁路總磁阻，單位：1/亨。,a)氣隙型 b)截面型 c)螺管型 自感式傳感器原理圖,l i 各段導(dǎo)磁體的長(zhǎng)度； U i各段導(dǎo)磁體的磁導(dǎo)率； S i 各段導(dǎo)磁體的截面積； 空氣隙的厚度； U0 真空磁導(dǎo)率 S 空氣隙截面積,變氣隙型傳感器 變截面型傳感器,線圈中放入圓形銜鐵 可變自感 螺管型傳感器。,6 自感式傳感器,6.1 工作原理 6.2 變氣隙式自感傳感器 6.3 變面積式自感傳感器 6.4 螺線管式自感傳感器 6.5 自感式傳感器測(cè)量電路 6.6 自感式傳感器應(yīng)用舉例,6.2 變氣隙式自感傳

4、感器,通常氣隙的磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻,L與之間是非線性關(guān)系,當(dāng)銜鐵處于初始位置時(shí)， 初始電感量為,當(dāng)銜鐵上移時(shí)，則 ， 代入 并整理得,上式用泰勒級(jí)數(shù)展開成如下的級(jí)數(shù)形式,同理，當(dāng)銜鐵隨被測(cè)物體的初始位置向下移動(dòng)時(shí)，有,對(duì)式作線性處理，即忽略高次項(xiàng)后可得,靈敏度為,變間隙式自感傳感器的測(cè)量范圍與靈敏度及線性度是相矛盾的， 因此變隙式自感式傳感器適用于測(cè)量微小位移場(chǎng)合。 為了減小非線形誤差，實(shí)際中廣泛采用差動(dòng)變隙式電感傳感器,差動(dòng)變隙式電感傳感器,1-鐵芯； 2-線圈； 3-銜鐵,當(dāng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí)，兩個(gè)線圈的電感變化量L1、L2,對(duì)上式進(jìn)行線性處理，即忽略高次項(xiàng)得,靈敏度k0為,（1）差動(dòng)

5、變間隙式自感傳感器的靈敏度是單線圈式傳感器的兩倍。 （2）單線圈是忽略 以上高次項(xiàng)，差動(dòng)式是忽略 以上偶次項(xiàng)， 因此差動(dòng)式自感式傳感器線性度得到明顯改善。,*另一種形式：,型,6 自感式傳感器,6.1 工作原理 6.2 變氣隙式自感傳感器 6.3 變面積式自感傳感器 6.4 螺線管式自感傳感器 6.5 自感式傳感器測(cè)量電路 6.6 自感式傳感器應(yīng)用舉例,6.3 變面積式自感傳感器,傳感器氣隙長(zhǎng)度保持不變，令磁通截面積隨被測(cè)非電量而變，設(shè)鐵芯材料和銜鐵材料的磁導(dǎo)率相同，則此變面積自感傳感器自感L為,靈敏度,變面積式自感傳感器在忽略氣隙磁通邊緣效應(yīng)的條件下， 輸入與輸出呈線性關(guān)系；因此可望得到較大

6、的線性范圍。 但是與變氣隙式自感傳感器相比，其靈敏度降低。,6 自感式傳感器,6.1 工作原理 6.2 變氣隙式自感傳感器 6.3 變面積式自感傳感器 6.4 螺線管式自感傳感器 6.5 自感式傳感器測(cè)量電路 6.6 自感式傳感器應(yīng)用舉例,19,單線圈螺管型傳感器結(jié)構(gòu)圖,有單線圈和差動(dòng)式兩種結(jié)構(gòu)形式。 單線圈螺管型傳感器的主要元件為一只螺管線圈和一根圓柱形鐵芯。傳感器工作時(shí)，因鐵芯在線圈中伸入長(zhǎng)度的變化，引起螺管線圈自感值的變化。當(dāng)用恒流源激勵(lì)時(shí)，則線圈的輸出電壓與鐵芯的位移量有關(guān)。,6.4 螺管型自感傳感器,6.4 螺線管式自感傳感器,1-螺線管線圈； 2-螺線管線圈； 3-骨架； 4-活動(dòng)

7、鐵芯,L10，L20分別為線圈、的初始電感值；,差動(dòng)式螺管型傳感器結(jié)構(gòu)圖,當(dāng)鐵芯移動(dòng)（如右移）后，使右邊電感值增加，左邊電感值減小,根據(jù)以上兩式，可以求得每只線圈的靈敏度為,兩只線圈的靈敏度大小相等，符號(hào)相反，具有差動(dòng)特征。,22,綜上所述，螺管式自感傳感器的特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造裝配容易； 由于空氣間隙大，磁路的磁阻高，因此靈敏度低，但線性范圍大； 由于磁路大部分為空氣，易受外部磁場(chǎng)干擾； 由于磁阻高，為了達(dá)到某一自感量，需要的線圈匝數(shù)多，因而線圈分布電容大； 要求線圈框架尺寸和形狀必須穩(wěn)定，否則影響其線性和穩(wěn)定性。,23,6 自感式傳感器,6.1 工作原理 6.2 變氣隙式自感傳感器 6.

8、3 變面積式自感傳感器 6.4 螺線管式自感傳感器 6.5 自感式傳感器測(cè)量電路 6.6 自感式傳感器應(yīng)用舉例,25,等效電路,研究其等效電路的目的是為了分析鐵心線圈的電氣參數(shù)及它們對(duì)線圈特性的影響，對(duì)了解與分析變磁阻式傳感器以及選擇傳感器參數(shù)有幫助。將傳感器線圈等效成圖示電路：,Rc 線圈的銅耗電阻。 Rv 渦流損耗電阻。 Rh 磁滯損耗電阻。 C 線圈的匝間電容和電纜分布電容。,26,（1）銅損電阻Rc 設(shè)導(dǎo)線直徑為d、電阻率為r、線圈匝數(shù)為N，平均匝長(zhǎng)為l，當(dāng)忽略導(dǎo)線趨膚效應(yīng)與鄰近效應(yīng)時(shí)，線圈電阻為：,27,（2）渦流損耗電阻 渦流損耗電阻Rv是因?yàn)轭l率為f的交變電流激勵(lì)產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)，

9、會(huì)在線圈鐵心中造成渦流損耗。根據(jù)經(jīng)典的渦流損耗計(jì)算公式知，為降低渦流損耗，疊片式鐵心的片厚應(yīng)??；高電阻率有利于損耗的下降，而高磁導(dǎo)率卻會(huì)使渦流損耗增加。 （3）磁滯損耗電阻 磁滯損耗電阻Rh是因?yàn)殍F磁物質(zhì)在交變磁化時(shí)，磁分子來回翻轉(zhuǎn)需要克服阻力，類似摩擦生熱的能量損耗。,28,（4）并聯(lián)寄生電容 主要由線圈繞組的固有電容與電纜分布電容所構(gòu)成。 為便于分析，先不考慮寄生電容C，并將等效電路中的線圈電感與并聯(lián)鐵損電阻(Re=Rh/Rv)等效為串聯(lián)鐵損電阻Re與串聯(lián)電感L的等效電路，如圖所示。,29,等效電路,30,根據(jù)：,得：,上式表明，鐵損的串聯(lián)等效電阻Re與L有關(guān)。因此，當(dāng)被測(cè)非電量的變化引起

10、線圈電感量改變時(shí)，其電阻值亦發(fā)生不希望有的變化。要減少這種附加電阻變化的影響，比值Re/(wL)應(yīng)盡量小，以使RewL ，從而減小附加電阻變化的影響。另外，在設(shè)計(jì)傳感器時(shí)應(yīng)盡可能減少鐵損Re。,31,當(dāng)考慮實(shí)際存在并聯(lián)寄生電容C時(shí)，阻抗為：,式中，總的損耗電阻R=Re+Rc ，品質(zhì)因數(shù)Q=Lw/R 。 當(dāng)Q1時(shí)，1/Q2可以忽略，上式可簡(jiǎn)化為,32,則RS和LS相對(duì)于R和L都增加了。有效品質(zhì)因數(shù)為：,寫成：,下降了。電感的相對(duì)變化為：,增加了。,33,由此可知，并聯(lián)電容C的存在，使有效串聯(lián)損耗電阻與有效電感均增加，有效Q值下降并引起電感的相對(duì)變化增加，即靈敏度提高。因此，從原理而言，按規(guī)定電纜

11、校正好的儀器，如更換了電纜，則應(yīng)重新校正或采用并聯(lián)電容對(duì)傳感器的靈敏度重新加以調(diào)整。,6.5 自感式傳感器測(cè)量電路,1. 交流電橋 2. 變壓器電橋 3. 自感傳感器的靈敏度,分析： 銜鐵在初始位置時(shí)，電橋平衡,若銜鐵上移，則：,（一）交流電橋式測(cè)量電路,*另一種形式：,型,交流電橋是電感式傳感器、電容式傳感器的主要測(cè)量電路。由于交流電橋的輸出可以直接與無零漂的交流放大器相接，因此在電阻的測(cè)量中也常使用。 由交流電源供電，電源頻率約為傳感器位移變化（電感變化）頻率的十倍，可滿足對(duì)傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)的頻率要求。供橋電源頻率高一些，還可以減少溫度變化對(duì)傳感器的影響，并可以提高傳感器的輸出靈敏度。 供橋

12、電源頻率高，也增加了由于鐵芯損耗和寄生電容帶來的影響。,銜鐵上移時(shí)兩個(gè)傳感器阻抗為：,則電橋輸出：,當(dāng)0時(shí)，U0與Ui同相；否則反相。故本測(cè)量電路可以提供位移大小和方向的信息。,電路結(jié)構(gòu)： 傳感器的兩個(gè)線圈Z1、Z2作為相鄰工作臂，另兩個(gè)臂為交流變壓器次級(jí)線圈的1/2阻抗，其每半電壓為Ui/2，輸出電壓取自A、B兩點(diǎn)，D點(diǎn)為零電勢(shì)。,（二）變壓器式交流電橋：,單相變壓器：兩個(gè)線圈無電的直接聯(lián)系，只有磁的耦合。,原繞組（一次繞或初級(jí)繞組）：兩個(gè)線圈中接交流電源的線圈，其匝數(shù)為N1。,副繞組（二次繞組或次級(jí)繞組）：接到用電設(shè)備上的線圈，其匝數(shù)為N2。,交變磁通同時(shí)與原、副繞組交鏈，在原、副繞組內(nèi)感

13、應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。,變壓器原、副邊電勢(shì)之比即電壓之比，等于原、副邊匝數(shù)之比。,變壓器的工作原理,（2）若銜鐵上移，則Z1，Z2,若銜鐵下移，則Z1 ，Z2 ,銜鐵上下移動(dòng)時(shí)，輸出電壓大小相等，極性相反，但由于是交流電源，輸出指示無法判斷出位移方向，必須配合相敏檢波器來解決。,3.自感傳感器的靈敏度,傳感器結(jié)構(gòu)靈敏度 轉(zhuǎn)換電路靈敏度,總靈敏度,第一項(xiàng)決定于傳感器的類型 第二項(xiàng)決定于轉(zhuǎn)換電路的形式 第三項(xiàng)決定于供電電壓的大小,氣隙型、變壓器電橋 傳感器,傳感器靈敏度的單位為 mV/(mV) 電源電壓為1V，銜鐵偏移1m時(shí)，輸出電壓為若干毫伏,6 自感式傳感器,6.1 工作原理 6.2 變氣隙式自感傳感器 6.3 變面積式自感傳感器 6.4 螺線管式自感傳感器 6.5 自感式傳感器測(cè)量電路 6.6 自感式傳感器應(yīng)用舉例,6.6 自感式傳感器應(yīng)用舉例,自感式位移傳感器 自感式壓力傳感器,1. 自感式位移傳感器,1 傳感器引線 2 鐵心套筒 3 磁芯 4 電 感 線 圈 5 彈 簧 6 防轉(zhuǎn)件 7 滾 珠 導(dǎo) 軌 8 測(cè) 桿 9 密封件 10瑪瑙測(cè)端,2.自感式壓力傳感器,變隙式自感壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖,變隙差動(dòng)式電感壓力傳感器,（1）已知變隙式電感傳