第3 章电感式传感器
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1、第第3章章 电感式传感器电感式传感器 被测量被测量 自感自感L(互感互感M) UO（IO）电感式传感器的优缺点电感式传感器的优缺点优点：优点： 具有结构简单，工作可靠；具有结构简单，工作可靠； 测量精度高，零点稳定；测量精度高，零点稳定； 灵敏、分辨率高（位移变化可达灵敏、分辨率高（位移变化可达0.01 m)； 输出功率较大等。输出功率较大等。缺点：缺点： 灵敏度、线性度和测量范围相互制约灵敏度、线性度和测量范围相互制约,传感器自身频率响传感器自身频率响应低应低,不适用于快速动态测量。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、显示和控制这种传感器能实现信息的远距离传输、记
2、录、显示和控制,在工业自动控制系统中被广泛采用。在工业自动控制系统中被广泛采用。 电感式传感器的分类电感式传感器的分类电感式传感器电感式传感器 自感式传感器（电感式传感器）自感式传感器（电感式传感器） 互感式传感器互感式传感器 差动变压器差动变压器 电涡流式传感器电涡流式传感器章节章节3.13.1 电感式传感器电感式传感器3.23.2 差动式变压器差动式变压器3.33.3 电涡流式传感器电涡流式传感器3.1 3.1 电感式传感器电感式传感器3.1.1 气隙型电感式传感器气隙型电感式传感器1.结构原理结构原理: 如图如图3-1所示所示 它由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。当衔铁移动时，气它由线圈、铁
3、芯和衔铁三部分组成。当衔铁移动时，气隙厚度隙厚度发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致线圈发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致线圈的电感值变化，即测出电感量的变化，就能确定衔铁位移的电感值变化，即测出电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。量的大小和方向。 图图3-1 气隙型电感式传感器气隙型电感式传感器3.1.1 3.1.1 气隙型电感式传感器气隙型电感式传感器 电感量电感量L：由上式可得由上式可得(并考虑一般情况下，并考虑一般情况下， 1= 2=0） 即：即：mRWL/2 SSlSlRm0222111 1、 2铁芯、衔铁材料的导磁率；铁芯、衔铁材料的导磁率；l1、l2铁芯、衔铁磁路
4、的长度；铁芯、衔铁磁路的长度； 空气隙的总长度；空气隙的总长度； S1、S2铁芯、衔铁的截面积；铁芯、衔铁的截面积；S气隙的截面积；气隙的截面积； 0空气的导磁率，空气的导磁率， 0=410 7H/m。 SWSSlSlWRWLm02022211122 常数常数S|f(S)| )()S,( ff3.1.13.1.1气隙型电感式传感器气隙型电感式传感器.特性分析：特性分析： 设磁路总长为设磁路总长为l,当当 1= 2= r 0，S1=S2=S0=S时，并考时，并考虑虑 r 1这样这样式中，式中， r导磁材料的相对磁导率；导磁材料的相对磁导率； e传感器磁路等效相对磁导率；传感器磁路等效相对磁导率；
5、 K常数，常数，K= 0W2S。 SllSlSlSRerrrrrm 00001111 rrmlKlSWRWL 12023.1.1 3.1.1 气隙型电感式传感器气隙型电感式传感器 传感器工作时，若衔铁移动使气隙总长度减少传感器工作时，若衔铁移动使气隙总长度减少（ ）,则线圈电感增加则线圈电感增加 L1 （L L+ L1 ），由上式得），由上式得:rlKLL 11 rrrrllKllKL 111 21111111111111111rrrrrrrrrrlllllllKlllKLL 3.1.1 3.1.1 气隙型电感式传感器气隙型电感式传感器 因为：因为： 同理，当气隙总长度增加同理，当气隙总长度增
6、加（ +），则线圈电感减），则线圈电感减小小 L2 （L LL2 ） 111 rl 221111111rrrrllllLL 3.1.1 3.1.1 气隙型电感式传感器气隙型电感式传感器略去非线性项，则电感变化略去非线性项，则电感变化灵敏度灵敏度为：为：若只考虑一次非线性项时，其若只考虑一次非线性项时，其线性度线性度为：为：rLlLLK 11%10011 rLl 3.1.1 3.1.1 气隙型电感式传感器气隙型电感式传感器单线圈变气隙电感传感器特性如图，可以看出：单线圈变气隙电感传感器特性如图，可以看出： 当气隙当气隙 变化时，电感的变化与气隙变化呈非线性关系，变化时，电感的变化与气隙变化呈非线
7、性关系，非线性程度随气隙相对变化非线性程度随气隙相对变化/ 的的增大而增大；增大而增大； 气隙减少气隙减少所引起的电感变化所引起的电感变化 L1与增加相同与增加相同所引起的电感变所引起的电感变化化 L2并不相等，并不相等， L1L2，其差，其差值随值随/ 的增加而增大。的增加而增大。 L 特性特性 3.1.1 3.1.1 气隙型电感式传感器气隙型电感式传感器：为了改善电感式传感器的灵敏度和线为了改善电感式传感器的灵敏度和线性度，常采用下图所示的差动结构。性度，常采用下图所示的差动结构。差动变隙式电感传感器及其特性差动变隙式电感传感器及其特性线圈电感电感线圈气隙3.1.1 3.1.1 气隙型电感
8、式传感器气隙型电感式传感器当气隙改变当气隙改变 时，其电感相对变化为：时，其电感相对变化为：其电感其电感灵敏度灵敏度为：为：其其线性度线性度为：为：由上两式得出：由上两式得出： 差动式电感传感器的灵敏度比单线圈电感传感器提高一倍；差动式电感传感器的灵敏度比单线圈电感传感器提高一倍； 差动式电感传感器的线性失真小差动式电感传感器的线性失真小。 221111112rrllLLLLL rLlLLK 112%100112 rLl . . .螺管式电感传感器螺管式电感传感器 （a a）单线圈）单线圈 （b b）差动式）差动式螺管式线圈插棒式铁芯线圈1线圈2铁芯（a)(b)3.1.33.1.3电感线圈的等
9、效电路电感线圈的等效电路电感线圈的电感线圈的等效电路等效电路（如图）（如图）式中，式中，Rc为铜耗电阻；为铜耗电阻；Re为涡流损耗电阻；为涡流损耗电阻；Rh为磁滞损耗为磁滞损耗电阻；电阻；C为线圈的匝间电容和分布电容。为线圈的匝间电容和分布电容。3.1.43.1.4测量电路测量电路 交流电桥电路如下图所示。交流电桥电路如下图所示。 其输出电压可以表示为其输出电压可以表示为: 当电桥平衡时，即当电桥平衡时，即Z1Z4=Z2Z3，电桥的输出为零。若桥臂的，电桥的输出为零。若桥臂的阻抗相对变化阻抗相对变化 ZiZ i（i=1,2,3,4），且负载阻抗），且负载阻抗ZL为无穷大为无穷大（一般情况下成立
10、）时，交流电桥输出电压可近似表示为（一般情况下成立）时，交流电桥输出电压可近似表示为: 2143432143213241ZZZZZZZZZZZZZEZZZZZULLO ZOEZZZZZZZZU443322114144332211ZZZZZZZZZ 3.1.4.13.1.4.1电桥的输出特性电桥的输出特性1单臂工作单臂工作 设工作臂为设工作臂为Z1，变化量为，变化量为 Z1，且，且 Z1Z1，负载阻抗，负载阻抗ZL为为无穷大，则电桥输出电压简化为无穷大，则电桥输出电压简化为:式中，式中， Z1= Z1/Z1为桥臂的阻抗为桥臂的阻抗Z1相对变化；相对变化；m=Z2/Z1=Z4/Z3为电桥同一支路桥
11、臂阻抗比。为电桥同一支路桥臂阻抗比。 EmmEZZZZZZZZEZZZZZZEZZZZZZZZZZUZO12341234114321414321132411111/)()()( 3.1.4.13.1.4.1电桥的输出特性电桥的输出特性 （1）桥臂阻抗相对变化）桥臂阻抗相对变化 Z1对输出对输出Uo的影响的影响 电桥用于测量纯电阻变化，则电桥用于测量纯电阻变化，则 Z1= R1，故，故 电桥用于测量纯电抗变化，则电桥用于测量纯电抗变化，则 Z1= X1，则，则 式中，式中， X1= X1/X1电抗电抗X1的相对变化。的相对变化。 由此可见，由此可见， Z1不仅正比于不仅正比于 R1或或 X1，而
