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第4章 电感式传感器 传感器原理及工程应用 1、变磁阻式传感器测量电路有几种，有何特点，如何计算？ 2、什么是差动变压器式传感器？其工作原理是什么，有几种形式，有何特点 ？ 3、什么是零点残余电压，有何特点，如何减少和补偿？ 4、差动变压器式传感器测量电路有几种，有何特点？ 5、什么是差动整流电路，什么是相敏检波电路？如何分析与计算相关参数？ 本节主要内容与问题 6、差动变压式传感器的主要应用在哪些方面，如何分析？ 电感式传感器：利用电磁感应原理将被测非电量如位移、压力、流量、 振动等转换成线圈自感量L或互感量M的变化, 再由测量电路转换为电压或电流变化量输出的装置。 第 4 章 电 感 式 传 感 器 电感式传感器优点：结构简单, 工作可靠, 测量精度高, 零点稳定, 输出功率较大等。 电感式传感器缺点是灵敏度、线性度和测量范围相互制约, 传感器自身频率响应低, 不适用于快速动态测量。 这种传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制, 在工业自动控制系统中被广泛采用。 电感式传感器种类很多, 本章主要介绍自感式、 互感式和电涡流式三种传感器。 变磁阻式传感器的结构如图所示。它由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。 4.1 变磁阻式传感器 4.1.1工作原理 在铁芯和衔铁之间有气隙,气隙厚度为δ, 传感器的运动部分与衔铁相连。 当衔铁移动时, 气隙厚度δ发生改变, 引起磁路中磁阻变化, 从而导致电感线圈的电感值变化, 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。 由磁路欧姆定律, 得 由电感定义, 线圈中电感量为: 变隙式传感器气隙很小, 可以认为气隙中的磁场是均匀的。忽略磁路磁损, 则磁路总磁阻为 通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻, 即 近似为 当线圈匝数为常数时, 电感L仅仅是磁路中磁阻Rm的函数 变磁阻式传感器又分为变厚度δ和变面积Ｓ0的传感器。 设电感传感器初始气隙为δ0, 初始电感量为L0, 衔铁位移变化量为Δδ, 从式可知L与δ之间是非线性关系, 4.1.2 输出特性 特性曲线如图示, 当衔铁上移Δδ时, 传感器气隙减小Δδ,即δ=δ0-Δδ, 此时输出电感为 电感增量ΔL和相对增量ΔL/ L0的表达式, 即 L= L0+ΔL, 当Δδ/δ01时, 展开成级数形式为 则此时输出电感为: 当衔铁下移Δδ时,传感器气隙增加Δδ,即δ=δ0+Δδ, 作线性处理，忽略高次项, 可得 灵敏度为 L= L0-ΔL, 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, 变隙式电感式传感器用于测量微小位移时是比较精确的。 实际测量中广泛采用差动变隙式电感传感器。 图示为差动变隙式电感传感器的原理结构图。 R0 R0 d L2 L1 使用时,两个线圈接成交流电桥的相邻桥臂,另两个桥臂由电阻组成,电桥输出电压与ΔL有关, 其具体表达式为 由两个相同的电感线圈Ⅰ、Ⅱ和磁路组成 对上式进行线性处理，忽略高次项得 灵敏度K0为 比较单线圈和差动两种变间隙式电感传感器的特性, 可得: ① 差动式比单线圈式的灵敏度高一倍。 ② 差动式的非线性项等于单线圈非线性项乘以（Δδ/δ0）因子, 因（Δδ/δ0）1, 差动式的线性度得到明显改善。 要求构成差动的两个变隙式电感传感器在结构尺寸、 材料、电气参数等方面均应完全一致。 图为电感式传感器等效电路，其等效线圈阻抗为 电感式传感器的测量电路有交流电桥式、 交流变压器式以及谐振式等几种形式。 4.1.3 测量电路 1. 电感式传感器等效电路 品质因数Q为Q =ωL/R Z C L R 当Qω2LC, ω2LC 1时 图示为交流电桥测量电路, 传感器的两线圈作两个桥臂Z1和Z2,另二个桥臂用电阻, 2. 交流电桥式测量电路 ΔL=L0（Δδ/δ0）灵敏度为 0 AC 由于Z1=Z+DZ1 ,Z2=Z-DZ2 DZ1+DZ2≈jw (DZ1+DZ2)对于高Q值的差动式电感传感器, 其输出电压 3. 变压器式交流电桥 当衔铁处于中间位置,即Z1=Z2=Z时有=0, 电桥平衡。 变压器式交流电桥测量电路如图所示, 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。 当负截阻抗为无穷大时, 桥路输出电压 当传感器衔铁上移时, 即Z1=Z+ΔZ, Z2=Z-ΔZ, 此时 当传感器衔铁下移时, 则Z1=Z-ΔZ, Z2=Z+ΔZ, 此时 衔铁上下移动相同距离时, 输出电压的大小相等, 但方向相反, 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。 4. 谐振式测量电路 谐振式调幅电路如图所示 图b为输出电压U与电感L的关系曲线,L0为谐振点的电感值,此电路灵敏度很高, 但线性