1、第五讲电感式传感器第五讲电感式传感器2一、电感式传感器的工作原理一、电感式传感器的工作原理 电感式传感器具有工作可靠电感式传感器具有工作可靠,寿命长寿命长;灵敏度高灵敏度高,分辨率高分辨率高;精度高、线性好的优点。其主要缺点是灵精度高、线性好的优点。其主要缺点是灵敏度、线性度和测量范围相互制约敏度、线性度和测量范围相互制约,传感器自身频率响应低传感器自身频率响应低,不适用于快速动态测量。广泛应用于测量不适用于快速动态测量。广泛应用于测量位移、振动、压力、应变、流量、比重等方面。位移、振动、压力、应变、流量、比重等方面。v电感式传感器的工作基础：电磁感应电感式传感器的工作基础：电磁感应v即利用线
2、圈电感或互感的改变来实现非电量测量即利用线圈电感或互感的改变来实现非电量测量.3二、电感式传感器的分类二、电感式传感器的分类1、按转换原理分：、按转换原理分：自感式自感式互感式互感式电涡流式电涡流式2、按结构形式分：、按结构形式分：变气隙式变气隙式变面积式变面积式螺管式螺管式4三、自感式传感器三、自感式传感器MRIN mRIN 如图所示为自感式传感器的示意图。根据电感定义如图所示为自感式传感器的示意图。根据电感定义,线圈中电感量可由下式确定线圈中电感量可由下式确定:由磁路欧姆定律由磁路欧姆定律,得：得：则有：则有：l线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁l图图2-5-1 自感式传感器自感式传感器INL 式（
3、式（2-5-1）mRNL2式（式（2-5-2）5 因为气隙很小，可以认为气隙中的磁场是均匀的。因为气隙很小，可以认为气隙中的磁场是均匀的。若忽略磁路磁损，若忽略磁路磁损，则磁路总磁阻为则磁路总磁阻为 通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻,则则则有则有:0002221112SlSlSlRm式（式（2-5-3）0002SulRm式（式（2-5-4）000222lSNRNLm式（式（2-5-5）6 上式表明上式表明,当线圈匝数为常数时当线圈匝数为常数时,电感电感L L仅仅是磁路中磁阻仅仅是磁路中磁阻R Rm m的函数的函数,只要改变只要改变l0或或S S0均可导均可导
4、致电感变化致电感变化,因此自感式传感器又可分为变气隙长度式传感器因此自感式传感器又可分为变气隙长度式传感器(变变l0)和变气隙面积式传感器和变气隙面积式传感器(变变S S0)。使用最广泛是变气隙长度式电感传感器。使用最广泛是变气隙长度式电感传感器。1 1、变气隙长度式自感式传感器、变气隙长度式自感式传感器（闭磁路式）（闭磁路式）图图2-5-12-5-1所示为变所示为变l0 0式的结构示意图。设初始气隙长式的结构示意图。设初始气隙长度为度为l0 0，初始电感量为，初始电感量为L L0 0，衔铁位移引起的气隙变化量为，衔铁位移引起的气隙变化量为l0 0，则由式（，则由式（2-5-52-5-5）可知
5、）可知L L与与l0 0为非线性关系，特性曲为非线性关系，特性曲线如图线如图2-5-22-5-2所示。所示。图图2-5-2 变气隙长度式自感式传感器的变气隙长度式自感式传感器的L与与l0关系关系7 变气隙长度式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾变气隙长度式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾,所以变气隙长度式电感式所以变气隙长度式电感式传感器用于测量微小位移时是比较精确的。为了减小非线性误差传感器用于测量微小位移时是比较精确的。为了减小非线性误差,实际测量中广泛采用差动变实际测量中广泛采用差动变气隙式电感传感器，采用两个电气参数和几何尺寸完全相同的传感线圈共用一个衔铁来构成。气隙
6、式电感传感器，采用两个电气参数和几何尺寸完全相同的传感线圈共用一个衔铁来构成。sUL1L2RoRooU122131铁 芯；2线 圈；3衔 铁图图2-5-3 2-5-3 差动变气隙长度式电感传感器差动变气隙长度式电感传感器8图图2-5-4 2-5-4 变截面式传感器变截面式传感器线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁衔铁移动方向衔铁移动方向l02 2、变气隙面积式自感式传感器（闭磁路式）、变气隙面积式自感式传感器（闭磁路式）变截面式传感器具有良好的线性度、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，但灵敏度较低，自由行程大、示值范围宽，但灵敏度较低，通常用来测量比较大的位移量。通常用来测量比较大的
7、位移量。93 3、螺管式自感式传感器（开磁路式）、螺管式自感式传感器（开磁路式）衔铁衔铁线圈线圈测杆测杆图图2-5-5 螺管式自感式传感器螺管式自感式传感器螺管式自感式传感器常采用差动式。螺管式自感式传感器常采用差动式。其磁路是开放的，气隙磁路占很长的部分。有限长螺其磁路是开放的，气隙磁路占很长的部分。有限长螺线管内部磁场沿轴线非均匀分布，中间强，两端弱。螺管线管内部磁场沿轴线非均匀分布，中间强，两端弱。螺管式自感传感器结构简单，装配容易，自由行程大，示值范式自感传感器结构简单，装配容易，自由行程大，示值范围宽；缺点是灵敏度较低，易受外部磁场干扰。目前，该围宽；缺点是灵敏度较低，易受外部磁场干
8、扰。目前，该类传感器随放大器性能提高而得以广泛应用。类传感器随放大器性能提高而得以广泛应用。1011四、自感式传感器的测量电路四、自感式传感器的测量电路电感式传感器常用交流阻抗电桥和谐振电路实现信号的转换。电感式传感器常用交流阻抗电桥和谐振电路实现信号的转换。图图2-5-6 2-5-6 电感电桥电感电桥1 1、电感电桥、电感电桥输出空载电压输出空载电压 衔铁偏离中间零点时衔铁偏离中间零点时 初始平衡状态，初始平衡状态，Z Z1 1=Z=Z2 2=Z,=Z,u u0 0=0=0212112122ZZZZuuZZZuuoZZZ1ZZZ2ZZuuo212传感器衔铁移动方向相反时：传感器衔铁移动方向相
9、反时：空载输出电压为：空载输出电压为：ZZuuo2ZZZ1ZZZ2 只能确定衔铁位移的大小，不能判断位移的方向。为了判断位移的方向，要在后续电路中配置相只能确定衔铁位移的大小，不能判断位移的方向。为了判断位移的方向，要在后续电路中配置相敏检波器。敏检波器。135第五讲电感式传感器第五讲电感式传感器图图2-5-7 a2-5-7 a）非相敏检波）非相敏检波 b b）相敏检波）相敏检波11理想特性曲线理想特性曲线 22实际特性曲线实际特性曲线 142 2、相敏整流电路、相敏整流电路 以以JGHJGH型电感测厚仪为例具体分型电感测厚仪为例具体分析相敏整流电路。析相敏整流电路。自感传感器的两个线圈自感传
10、感器的两个线圈L1和和L2作为两个相邻的桥臂，电容作为两个相邻的桥臂，电容C1和和C2为另外两个桥臂，构成交为另外两个桥臂，构成交流不平衡电桥。流不平衡电桥。在电桥的测量对角线输出端接入四只二极管在电桥的测量对角线输出端接入四只二极管VD1VD4构成构成相敏整流器。相敏整流器。图图2-5-8 JGH2-5-8 JGH型电感测厚仪型电感测厚仪15当电源电压为正半周时，当电源电压为正半周时，VDVD1、VDVD4导通，负半周时，导通，负半周时，VDVD2、VDVD3导通。导通。当当L1L2时时电桥输出加在电压表上的电压极性为下正上负。电桥输出加在电压表上的电压极性为下正上负。当当L1L2时，电桥输
11、出加在电压表上的电压极性为上正下负。时，电桥输出加在电压表上的电压极性为上正下负。电路作用：辨别衔铁位移方向。电路作用：辨别衔铁位移方向。U U0 0的大小反映位移的大小，的大小反映位移的大小，U U0 0的极性反映位移的方向。的极性反映位移的方向。16五、差动变压器式电感传感器五、差动变压器式电感传感器 根据变压器的基本原理制成的。次级绕组采用差动形式连接根据变压器的基本原理制成的。次级绕组采用差动形式连接,故称差动变压器式传感器。故称差动变压器式传感器。差动变压器结构有变隙式、差动变压器结构有变隙式、变面积式和螺线管式等变面积式和螺线管式等,应用最多的是螺线管式差动变压器应用最多的是螺线管
12、式差动变压器,它可以它可以测量测量1 1100mm100mm范围内的机械位移。范围内的机械位移。互感式传感器：互感式传感器：把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化的传感器把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化的传感器结构形式：结构形式：171 1、螺管式差动变压器、螺管式差动变压器 当一次线圈接入激励电源之后，二次线圈就将产生感应电动势，当两者间的互感量变化时，感当一次线圈接入激励电源之后，二次线圈就将产生感应电动势，当两者间的互感量变化时，感应电动势也相应变化。应电动势也相应变化。图图2-5-9 2-5-9 螺管式差动变压器结构及等效电路图螺管式差动变压器结构及等效电路图18 请将二次线圈请
13、将二次线圈N N2121、N N2222的有关端点正确地连接起的有关端点正确地连接起来，并指出哪两个为输出端点。来，并指出哪两个为输出端点。MkMMke)(2120,2222121eeeMMV衔铁处于中间位置衔铁处于中间位置衔铁上移衔铁上移衔铁下移衔铁下移0,2222121eeeMM0,2222121eeeMM根据互感知识，输出电动势根据互感知识，输出电动势e e2 2为：为：反极性串联反极性串联19 在线性范围内，输出电动势随衔铁正、负位移而线性增大。在线性范围内，输出电动势随衔铁正、负位移而线性增大。输出含有零点残余电压输出含有零点残余电压,根据输出的大小判断位移的大小根据输出的大小判断位
14、移的大小,但不能辨别位移的方向但不能辨别位移的方向.2 2、差动变压器输出特性、差动变压器输出特性图图2-5-10 2-5-10 差动变压器的输出特性差动变压器的输出特性a)a)理想特性理想特性 b)b)零点残余电压零点残余电压 c)c)相敏检波后特性相敏检波后特性203 3、零点残余电压、零点残余电压定义：把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压。（定义：把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压。（x x0 0，U U0 0e e2 20)0)产生原因：产生原因：（1 1）两个二次测量线圈的等效参数（电感、电阻）不对称，使其输出的基波感应电动势的）两个二次测量线圈的等效参数（
15、电感、电阻）不对称，使其输出的基波感应电动势的幅值和相位不同，调整磁芯位置时，不能达到幅值和相位同时相同。幅值和相位不同，调整磁芯位置时，不能达到幅值和相位同时相同。（2 2）铁芯的）铁芯的B-HB-H特性的非线性，产生高次谐波不同，不能互相抵消。特性的非线性，产生高次谐波不同，不能互相抵消。21补偿原理：改变二次侧线圈的阻抗，使两二次输出电压的大小和相位改变，使零点电压最小。补偿原理：改变二次侧线圈的阻抗，使两二次输出电压的大小和相位改变，使零点电压最小。（1 1）在设计和工艺上，力求做到磁路对称，线圈对称，线圈绕制要均匀。铁芯材料要均匀，要）在设计和工艺上，力求做到磁路对称，线圈对称，线圈
16、绕制要均匀。铁芯材料要均匀，要经过热处理去除机械应力和改善磁性。经过热处理去除机械应力和改善磁性。（2 2）采用拆圈的实验方法来减小零点残余电压。）采用拆圈的实验方法来减小零点残余电压。（3 3）在电路上进行补偿。）在电路上进行补偿。补偿零点残余电压的电路：补偿零点残余电压的电路：22图图2-5-11 2-5-11 差动变压器的补偿电路差动变压器的补偿电路零点残余电压可用相敏整流器或差动整流电路消除。零点残余电压可用相敏整流器或差动整流电路消除。串联电阻补偿基波分量，并联电容补偿高次谐波。串联电阻补偿基波分量，并联电容补偿高次谐波。234 4、差动变压器的测量电路、差动变压器的测量电路差动整流
17、电路差动整流电路 电路是以两个桥路整流后的直流电压之差作为输出的，所以称为差动整流电路。它不但电路是以两个桥路整流后的直流电压之差作为输出的，所以称为差动整流电路。它不但可以反映位移的大小（电压的幅值），还可以反映位移的方向。可以反映位移的大小（电压的幅值），还可以反映位移的方向。整流器件：二极管及由它们组成的电桥。整流器件：二极管及由它们组成的电桥。24a)a)全波电压输出全波电压输出b)b)全波电流输出全波电流输出d)d)半波电流输出半波电流输出c)c)半波电压输出半波电压输出图图2-5-12 2-5-12 差动整流电路差动整流电路25002682426824UUUEEUUUEEcdabc
18、dab衔铁下移衔铁上移（2 2）半波电压输出）半波电压输出负半周二极管截止。正半周二极管均导通移衔铁下负半周二极管截止。正半周二极管均导通衔铁上移000222UEEUUEEcdabcdab（1 1）全波电压输出）全波电压输出不论两个次级线圈的输出瞬时电压极性如何。（不论正负半周）不论两个次级线圈的输出瞬时电压极性如何。（不论正负半周）26（3 3）全波电流输出）全波电流输出246822468200abcdabcdEEUUIEEUUI衔铁上移衔铁下移(a)(a)、(c)(c)适用于高阻抗负载适用于高阻抗负载(b)(b)、(d)(d)适用于低阻抗负载适用于低阻抗负载电阻电阻R R0 0用于调整零点
19、残余电压。用于调整零点残余电压。27六、差动变压器的特性六、差动变压器的特性1、灵敏度与激励电动势的关系灵敏度与激励电动势的关系 差动变压器在单位电压激励下，铁芯移动一个单位距离时的输出电压，以差动变压器在单位电压激励下，铁芯移动一个单位距离时的输出电压，以mV/mm/VmV/mm/V表示。表示。激励电动势激励电动势e e1 1越大，灵敏越高。但越大，灵敏越高。但e e1 1过大时会使差动变压器线圈发热而引起输出信号漂移，过大时会使差动变压器线圈发热而引起输出信号漂移，e e1 1可取零点几伏到数伏，常取可取零点几伏到数伏，常取3 38V8V。282、灵敏度与激励电源频率的关系灵敏度与激励电源
20、频率的关系 激励电源频率过高或过低都会使灵敏度降低，激励电源频率过高或过低都会使灵敏度降低，通常选通常选4 410kHz10kHz。二次线圈匝数越多，灵敏度越高，两者成线性关系。但是匝数增加，零点残余电压也随二次线圈匝数越多，灵敏度越高，两者成线性关系。但是匝数增加，零点残余电压也随之变大。之变大。3、灵敏度与二次线圈匝数的关系灵敏度与二次线圈匝数的关系 29七、电感传感器的应用七、电感传感器的应用图图2-5-13 电感测微仪及其电路框图电感测微仪及其电路框图a a）轴向式测头）轴向式测头 b b）测量电路框图）测量电路框图1-1-引线引线 2-2-线圈线圈 3-3-衔铁衔铁 4-4-测力弹簧
21、测力弹簧 5-5-导杆导杆 6-6-密封罩密封罩 7-7-测头测头1 1、电感测微仪、电感测微仪 电感式传感器接成桥式电感式传感器接成桥式电路，并用振荡电路供电。电路，并用振荡电路供电。电桥输出的不平衡电压将与电桥输出的不平衡电压将与衔铁位移成正比。电桥输出衔铁位移成正比。电桥输出的信号比较小，需经交流放的信号比较小，需经交流放大器放大到一定程度才能推大器放大到一定程度才能推动相敏检波器工作。动相敏检波器工作。30 图图2-5-142-5-14为微压力变送器的结构示意图。由膜盒为微压力变送器的结构示意图。由膜盒将压力变换成位移，再由差动变压器转换成输出电压。将压力变换成位移，再由差动变压器转换
22、成输出电压。内装电路，可输出标准信号，故称变送器。内装电路，可输出标准信号，故称变送器。2 2、电感式压力传感器、电感式压力传感器图图2-5-14 2-5-14 微压力变送器结构示意图微压力变送器结构示意图1接头接头 2膜盒膜盒 3底座底座 4线路板线路板 5差动变压器差动变压器 6衔铁衔铁 7罩壳罩壳 8插头插头 9通孔通孔31 差动变压器式加速度传感器的结构示意图。差动变压器式加速度传感器的结构示意图。它由悬臂梁它由悬臂梁 1 1 和差动变压器和差动变压器 2 2 构成。测量时构成。测量时,将悬臂梁底座及差动变压器的线圈骨架固定将悬臂梁底座及差动变压器的线圈骨架固定,而而将衔铁的将衔铁的A A端与被测振动体相连。端与被测振动体相连。当被测体带动当被测体带动衔铁以衔铁以x(t)x(t)振动时振动时,导致差动变压器的输出电导致差动变压器的输出电压也按相同规律变化。压也按相同规律变化。3 3、电感式加速度传感器、电感式加速度传感器图图2-5-14 差动变压器式加速度传感器差动变压器式加速度传感器谢谢！
