常用传感器工作原理(电感式)课件.pptVIP

第3章常用传感器的工作原理

3.4电感式传感器把被测量转换为电感变化的一种传感器被测信息敏感元电件感元电转件感换元件信号调理电路辅助电源基于电磁感应原理，把被测量转化为电感线圈的自感系数或互感系数变化的装置2

【自感L】电路中因自身电流变化而引起感应电动势的现象。用自感系数来表示器件（如线圈）在自感现象方面的特性，代号L。【互感M】由于一个电路中电流变化，而在邻近另一个电路中引起感生电动势的现象。用互感系数来表示器件在互感现象方面的特性，代号M。电感式传感器自感型互感型常为差动变压器式3

1.自感式传感器传感器由线圈、铁心和衔铁组成。工作时衔铁与被测物体连接，被测物体的位移引气隙磁阻的变化，导致了线圈电感量的变化。I为线圈中所通交流电的有效值。根据磁路的欧姆定律两式联立得:衔铁4

如果空气隙较小，且忽略磁路铁损时，磁路总磁阻为：因此有：衔铁由于电感传感器的铁心一般工作在非饱和状态下，其导磁率远大于空气隙的导磁率，因此铁心磁阻远较气隙磁阻小，因此：5

L与气隙?成反比，与气隙导磁面积A0成正比。1）自感传感器类型:变间隙式变面积式6

变面积式传感器灵敏度为：变面积型自感传感器的自感与面积成线性关系，但这种传感器的灵敏度较低。7

变间隙式传感器灵敏度为：气隙?愈小，则灵敏度k愈高。由于k不是常数，会产生非线性误差，因此这种传感器常规定在较小气隙变化范围内工作。设气隙变化为（?，?＋00??），由于气隙变化甚小，即??远小于?时（一般0要求小于10倍以上），k进一步近似为：x此时k可近似为常数。因此，这种传感器一般只适用于大约0.001－1mm范围的小位移测量。8

对于变间隙式,改善非线性，提高灵敏度的方法如下:接成差动型根据结构形式，自感传感器可分为：气隙型、螺线管l螺旋管螺管式rc铁心x单线圈螺管型传感器结构图螺管型电感传感器的衔铁随被测对象移动，线圈磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈电感量也因此而变化。线圈电感量的大小与衔铁插入线圈的深度有关。9

可以看出，插入铁芯后，线圈电感的增量和相对增量均与铁芯的插入深度X成正比。如果螺管内磁场强度均匀分布的范围大，就可以获得较大的线性位移传感器。这种传感器结构简单、制造容易，但灵敏度低，适用于较大位移测量。为了提高灵敏度和线性度，常采用差动螺管式电感传感器。10

三种类型比较：变间隙型：气隙型自感传感器灵敏度高，它的主要缺点是非线性严重，为了限制线性误差，示值范围只能较小；它的自由行程小，因为衔铁在运动方向上受铁心限制，制造装配困难。变面积型：灵敏度较低，截面型的优点是具有较好的线性，因而测量范围可取大些。螺管型：灵敏度比变面积型的更低，但示值范围大，线性也较好，得到广泛应用。11

2）差动式自感传感器:在实际使用中，常采用两个相同的传感线圈共用一个衔铁，构成差动式自感传感器，两个线圈的电气参数和几何尺寸要求完全相同。这种结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对温度变化、电源频率变化等的影响也可以进行补偿，从而减少了外界影响造成的误差。12

下图是变气隙型及螺管型的差动式自感传感器的结构示意图。当衔铁3移动时，一个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减少，形成差动形式。443241（a）变气隙型（c）螺管型1-线圈2-铁芯3-衔铁4-导杆13

变气隙型差动式自感传感器衔铁下移：上式中不存在偶次项，显然差动式自感传感器的非线性误差在±Δδ工作范围内要比单个自感传感器的小得多。14

差动气隙式传感器工作行程很小,若取l＝2mm,则行程为(0.2—0.5)mm；较δ大行程的位移测量,常利用差动螺管式自感传感器13x4线圈Ⅰ将两差动电感接入交流电桥的相邻桥臂差动式螺管式传感器是一种开磁路的电感传感器，磁路中相当部分是空气，无明显的边界，因此分析复杂。主要特点是可构成较长的线性区，用于测量大线位移。缺点是灵敏度比变气隙传感器低，体积较大。15

3）自感传感器测量电路-交流电桥：前面已提到差动式结构可以提高灵敏度，改善线性，所以交流电桥也多采用双臂工作形式。通常将传感器作为电桥的两个工作臂，电桥的平衡臂可以是纯电阻，也可以是变压器的二次侧绕组或紧耦合电感线圈。IZC2RZRSZ1111ZL~E1LL2Z2USCRRZSD222交流电桥原理图16

2.互感式传感器（差动变压器式传感器）工作原理：电磁感应中的互感现象。互感M与两线圈的相对位置及周围介质的导磁能力等因素有关，表明两线圈之间的耦合程度。17

（一）结构原理与等效电路由右图可见，传感器本身就是一个变压器，在初级线圈接入电源后，次级线圈将感应产生电压输出。当互感系数变化时，输出电压相应地变化。互感型变压器式电感传感器是利用被测量变化改变互感系数来实现的。这种传感器的次级线圈有两个，并接成差动式输出，称为差动变