1、第4章 电感式传感器 4.1 变磁阻式传感器变磁阻式传感器 4.2 差动变压器式传感器差动变压器式传感器 电感式传感器的工作基础：电磁感应 即利用线圈电感或互感的改变来实现非电量测量 分为变磁阻式、变压器式等 特点：工作可靠、寿命长 灵敏度高，分辨力高 精度高、线性好 性能稳定、重复性好4.1 变磁阻式传感器（自感式）变磁阻式传感器（自感式）4.1.1 工作原理工作原理 变磁阻式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料制成。在铁芯和衔铁之间有气隙，传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度发生改变，引起磁路中磁阻变化磁阻变化，从而导致电感线圈的电感线圈的电感值变化值变化
2、，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。线圈中电感量可由下式确定：2mNLIR式中,Rm为磁路总磁阻。（4-1）气隙很小，可以认为气隙中的磁场是均匀的。若忽略磁路磁损，则磁路总磁阻为 121122002mLLRAAA（4-2）通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻，即 222001110022AlAAlA（4-4）则式（4-3）可写为 002ARm（4-5）联立式（4-1）、式（4-2）及式（4-5），可得 22002mNANLR（4-6）上式表明：当线圈匝数为常数时，电感L仅仅是磁路中磁阻Rm的函数，改变或A0均可导致电感变化，因此变磁阻式
3、传感器又可分为变气隙厚度的传感器和变气隙面积A0的传感器。目前使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器。22002mNANLR4.1.2 输出特性输出特性L与之间是非线性关系，特性曲线如图5-2所示。22002mNANLR图4-2 变隙式电压传感器的L-特性分析：分析：当衔铁处于初始位置时，初始电感量为 200002A NL（4-7）当衔铁上移时，传感器气隙减小，即=0，则此时输出电感为20000002()1NALLLL（4-8）4.1.2 输出特性输出特性当/01时（泰勒级数）：30200001LLLL（4-9）可求得电感增量L和相对增量L/L0的表达式，即 200002000011LLLL(4
4、-10)(4-11)同理，当衔铁随被测体的初始位置向下移动时，有 3020000302000011LLLL（4-12）（4-13）对式（4-11）、（4-13）作线性处理，即忽略高次项后，可得 00LL（4-14）灵敏度为 00LLK可见：变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾，因此变隙式电感式传感器适用于测量微小位移的场合。（4-15）与 衔铁上移 切线斜率变大0K20000011LLK20000011LLK 衔铁下移 切线斜率变小 与线性度 衔铁上移：23000LL非线性部分23000LL非线性部分 衔铁下移：无论上移或下移，非线性都将增大。差动变隙式电感传感器sUL1L2Ro
5、RooU122131铁 芯；2线 圈；3衔 铁为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变隙式电感传感器。衔铁上移：两个线圈的电感变化量L1、L2分别由式（4-10）及式（4-12）表示，差动传感器电感的总变化量L=L1-L2,具体表达式为 2412000021LLLL 对上式进行线性处理,即忽略高次项得 002LL灵敏度K0为 002LLK比较单线圈式和差动式：差动式变间隙电感传感器的灵敏度是单线圈式的两倍。差动式的非线性项(忽略高次项)：单线圈的非线性项（忽略高次项)：由于/01，因此，差动式的线性度得到明显改善。3002/LL200/LL4.1.4 变磁阻式传感器的应用变磁阻式传感器的应
6、用 变隙电感式压力传感器结构图 当压力进入膜盒时，膜盒的顶端在压力P的作用下产生与压力P大小成正比的位移，于是衔铁也发生移动，从而使气隙发生变化，流过线圈的电流也发生相应的变化，电流表A的指示值就反映了被测压力的大小。当被测压力进入C形弹簧管时，C形弹簧管产生变形，其自由端发生位移，带动与自由端连接成一体的衔铁运动，使线圈1和线圈2中的电感发生大小相等、符号相反的变化。即一个电感量增大，另一个电感量减小。电感的这种变化通过电桥电路转换成电压输出。由于输出电压与被测压力之间成比例关系，所以只要用检测仪表测量出输出电压，即可得知被测压力的大小。线圈1C形弹簧管调机械零点螺钉线圈2衔铁输出P变隙式差
7、动电感压力传感器 4.2 差动变压器式传感器差动变压器式传感器（互感式）（互感式）把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器称为互感式传感器。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组用差动形式连接，故称差动变压器式传感器。差动变压器结构形式：变隙式、变面积式和螺线管式等。在非电量测量中，应用最多的是螺线管式差动变压器，它可以测量1100mm机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点。4.2.1 螺线管式差动变压器螺线管式差动变压器 1.工作原理工作原理 两个次级线圈反相串联，并且在忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下,其等效电路。Ur1L1aL2aL
8、2baE2bE2r2ar2boURLI1当初级绕组加以激励电压U时,根据变压器的工作原理,在两个次级绕组W2a和W2b中便会产生感应电势E2a和E2b。如果工艺上保证变压器结构完全对称,则当活动衔铁处于初始平衡位置时,必然会使两互感系数M1=M2输出电压的有效值为 odieMdt 分析 活动衔铁处于中间位置时 M1=M2=M 故 Uo=0 活动衔铁向上移动时 M1=M+M，M2=M-M 故 120oeee与E2a同极性。.活动衔铁向下移动时 M1=M-M，M2=M+M 故 与E2b同极性。.120oeee 4.差动变压器式传感器的应用差动变压器式传感器的应用可直接用于位移测量，也可以测量与位移
9、有关的任何机械量，如振动、加速度、应变、比重、张力和厚度等。电感式滚珠直径分选装置 实现按滚珠直径大小分类并计数第五章第五章 电涡流式传感器电涡流式传感器一、电涡流效应一、电涡流效应 电涡流式传感器原理图（a）传感器激励线圈;（b）被测金属导体 1I1H传感器激励线圈(a)(b)2H2I被测金属导体传感器激励电流式中,r为线圈与被测体的尺寸因子。测量方法：如果保持上式中其它参数不变，而只改变其中一个参数，传感器线圈阻抗Z就仅仅是这个参数的单值函数。通过与传感器配用的测量电路测出阻抗Z的变化量，即可实现对该参数的测量。Z=F(,t,r,d,I,)传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的函数关系式为
10、电涡流式传感器等效电路图 1UL1L212R1R2M2I1I1传感器线圈；2电涡流短路环二、等效电路根据基尔霍夫第二定律，可列出如下方程：022221121111ILjIRIMjUIMjILjIR1UL1L212R1R2M2I1I1传感器线圈；2电涡流短路环解得等效阻抗Z的表达式为 eqeqLjRLLRMLjRLRMRIUZ22222222122222222111222222221RLRMRReq222222221LLRMLLeq电涡流式传感器简化模型 三、结构与工作原理径向分布r/r00.412I当r2ro时，无涡流存在 电涡流传感器简化模型中，把在被测金属导体上形成的电涡流等效成一个短路环
11、，即假设电涡流仅分布在环体之内，模型中t（电涡流的贯穿深度）可由下式求得：0rt 式中,为线圈激磁电流的频率。高频反射式电涡流传感器低频透射式电涡流传感器2tUe2AUe将贯穿深度值带入4.3.3 电涡流传感器测量电路电涡流传感器测量电路 电感式传感器的测量电路有交流电桥式、变压器式交流电桥以及谐振式等。22112012121222ZZZZZRUUUUZZRRZZZZ 1.交流电桥式测量电路交流电桥式测量电路11ZZZ22ZZZ0ZRjwL11Zjw L22Zjw L0ZjwL00UU 当衔铁下移时：00UU2.谐振式测量电路谐振式测量电路分为：谐振式调幅电路和谐振式调频电路。调幅电路特点：此
12、电路灵敏度很高，但线性差，适用于线性度要求不高的场合。oUOL0LoUTUCL(a)(b)调频电路：振荡频率。当L变化时，振荡频率随之变化，根据f的大小即可测出被测量的值。具有严重的非线性关系。)2/(1LCfGCLffoL(a)(b)五 被测体材料、形状和大小对测量影响1、材料的影响导电率越高，灵敏度越高磁导率越高，灵敏度越低2、大小和形状影响六六 电涡流式传感器的应用电涡流式传感器的应用 1、位移测量 2、振幅测量 3、转速测量 4、无损探伤UC2U2UZ1Z2oUABD变压器式交流电桥2.变压器式交流电桥变压器式交流电桥电桥两臂Z1、Z2为传感器线圈阻抗，另外两桥臂为交流变压器次级线圈的1/2阻抗。当负载阻抗为无穷大时，桥路输出电压 2211212122oZZZ UUUUZZZZ 当传感器的衔铁处于中间位置，即Z1=Z2=Z，此时有 ，电桥平衡。0oU当传感器衔铁上移：如Z1=Z+Z，Z2=ZZ，220ULLUZZUo(4-25)当传感器衔铁下移：如Z1=ZZ，Z2=Z+Z，此时 220ULLUZZUo(4-26)可知：衔铁上下移动相同距离时，输出电压相位相反，大小随衔铁的位移而变化。由于 是交流电压，输出指示无法判断位移方向，必须配合相敏检波电路来解决。U
