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1、第6章 电感式传感器,电感式传感器是建立在电磁感应基础上，利用线圈自感或互感的改变来实现测量的一种装置。它可对直线位移和角位移进行直接测量，也可通过一定的敏感元件把振动、压力、应变、流量等转换成位移量而进行测量。通常可由下列方法使线圈的电感变化： (1)改变几何形状； (2)改变磁路的磁阻； (3)改变磁芯材料的导磁率； (4)改变一组线圈的两部分或几部分间的耦合度。,精品课件,1,电感式传感器分类:,电感式传感器,精品课件,2,电感式传感器的优点： 1.结构简单。工作中没有活动电接触点，因而比电位器工作可靠，寿命长。 2.灵敏度高，分辨力大。能测出0.1mm甚至更小的机械位移变化，能感受小至
2、0.1角秒的微小角度变化。传感器的输出信号强，电压灵敏度一般每毫米可达数百毫伏，因此有利于信号的传输与放大。,精品课件,3,3.重复性好，线性度优良。在一定位移范围（最小几十微米，最大达数十甚至数百毫米）输出特性的线性度好，并且比较稳定，高精度的变磁阻式传感器，非线性误差仅0.1%。 4. 输出功率大、输出阻抗小、抗干扰能力强、对工作环境要求不高。 电感式传感器的缺点： 频率响应差，不宜于快速动态测量，并存在交流零位信号。,精品课件,4,6 自感式传感器,6.1 工作原理6.2 变气隙式自感传感器6.3 变面积式自感传感器6.4 螺线管式自感传感器6.5 自感式传感器测量电路6.6 自感式传感
3、器应用举例,精品课件,6.1 工作原理,线圈自感,线圈总磁链,单位：韦伯；I通过线圈的电流，单位：安培；W线圈的匝数；Rm磁路总磁阻，单位：1/亨。,a)气隙型 b)截面型 c)螺管型自感式传感器原理图,精品课件,l i 各段导磁体的长度；U i各段导磁体的磁导率；S i 各段导磁体的截面积； 空气隙的厚度；U0 真空磁导率S 空气隙截面积,变气隙型传感器变截面型传感器,线圈中放入圆形衔铁 可变自感 螺管型传感器。,精品课件,6 自感式传感器,6.1 工作原理6.2 变气隙式自感传感器6.3 变面积式自感传感器6.4 螺线管式自感传感器6.5 自感式传感器测量电路6.6 自感式传感器应用举例,
4、精品课件,6.2 变气隙式自感传感器,通常气隙的磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻,L与之间是非线性关系,精品课件,当衔铁处于初始位置时，初始电感量为,当衔铁上移时，则 ，代入 并整理得,精品课件,上式用泰勒级数展开成如下的级数形式,同理，当衔铁随被测物体的初始位置向下移动时，有,精品课件,对式作线性处理，即忽略高次项后可得,灵敏度为,变间隙式自感传感器的测量范围与灵敏度及线性度是相矛盾的，因此变隙式自感式传感器适用于测量微小位移场合。为了减小非线形误差，实际中广泛采用差动变隙式电感传感器,精品课件,差动变隙式电感传感器,1-铁芯；2-线圈；3-衔铁,当衔铁向上移动时，两个线圈的电感变化量L1、L2,
5、精品课件,对上式进行线性处理，即忽略高次项得,灵敏度k0为,（1）差动变间隙式自感传感器的灵敏度是单线圈式传感器的两倍。（2）单线圈是忽略 以上高次项，差动式是忽略 以上偶次项， 因此差动式自感式传感器线性度得到明显改善。,精品课件,*另一种形式：,型,精品课件,6 自感式传感器,6.1 工作原理6.2 变气隙式自感传感器6.3 变面积式自感传感器6.4 螺线管式自感传感器6.5 自感式传感器测量电路6.6 自感式传感器应用举例,精品课件,6.3 变面积式自感传感器,传感器气隙长度保持不变，令磁通截面积随被测非电量而变，设铁芯材料和衔铁材料的磁导率相同，则此变面积自感传感器自感L为,灵敏度,变
6、面积式自感传感器在忽略气隙磁通边缘效应的条件下，输入与输出呈线性关系；因此可望得到较大的线性范围。但是与变气隙式自感传感器相比，其灵敏度降低。,精品课件,6 自感式传感器,6.1 工作原理6.2 变气隙式自感传感器6.3 变面积式自感传感器6.4 螺线管式自感传感器6.5 自感式传感器测量电路6.6 自感式传感器应用举例,精品课件,单线圈螺管型传感器结构图,有单线圈和差动式两种结构形式。 单线圈螺管型传感器的主要元件为一只螺管线圈和一根圆柱形铁芯。传感器工作时，因铁芯在线圈中伸入长度的变化，引起螺管线圈自感值的变化。当用恒流源激励时，则线圈的输出电压与铁芯的位移量有关。,6.4 螺管型自感传感
7、器,精品课件,19,6.4 螺线管式自感传感器,1-螺线管线圈；2-螺线管线圈；3-骨架；4-活动铁芯,L10，L20分别为线圈、的初始电感值；,差动式螺管型传感器结构图,精品课件,当铁芯移动（如右移）后，使右边电感值增加，左边电感值减小,根据以上两式，可以求得每只线圈的灵敏度为,两只线圈的灵敏度大小相等，符号相反，具有差动特征。,精品课件,综上所述，螺管式自感传感器的特点： 结构简单，制造装配容易； 由于空气间隙大，磁路的磁阻高，因此灵敏度低，但线性范围大； 由于磁路大部分为空气，易受外部磁场干扰； 由于磁阻高，为了达到某一自感量，需要的线圈匝数多，因而线圈分布电容大； 要求线圈框架尺寸和形
8、状必须稳定，否则影响其线性和稳定性。,精品课件,22,精品课件,23,6 自感式传感器,6.1 工作原理6.2 变气隙式自感传感器6.3 变面积式自感传感器6.4 螺线管式自感传感器6.5 自感式传感器测量电路6.6 自感式传感器应用举例,精品课件,等效电路,研究其等效电路的目的是为了分析铁心线圈的电气参数及它们对线圈特性的影响，对了解与分析变磁阻式传感器以及选择传感器参数有帮助。将传感器线圈等效成图示电路：,Rc 线圈的铜耗电阻。Rv 涡流损耗电阻。Rh 磁滞损耗电阻。C 线圈的匝间电容和电缆分布电容。,精品课件,25,（1）铜损电阻Rc 设导线直径为d、电阻率为r、线圈匝数为N，平均匝长为
9、l，当忽略导线趋肤效应与邻近效应时，线圈电阻为：,精品课件,26,（2）涡流损耗电阻 涡流损耗电阻Rv是因为频率为f的交变电流激励产生的交变磁场，会在线圈铁心中造成涡流损耗。根据经典的涡流损耗计算公式知，为降低涡流损耗，叠片式铁心的片厚应薄；高电阻率有利于损耗的下降，而高磁导率却会使涡流损耗增加。 （3）磁滞损耗电阻 磁滞损耗电阻Rh是因为铁磁物质在交变磁化时，磁分子来回翻转需要克服阻力，类似摩擦生热的能量损耗。,精品课件,27,（4）并联寄生电容 主要由线圈绕组的固有电容与电缆分布电容所构成。 为便于分析，先不考虑寄生电容C，并将等效电路中的线圈电感与并联铁损电阻(Re=Rh/Rv)等效为串
10、联铁损电阻Re与串联电感L的等效电路，如图所示。,精品课件,28,等效电路,精品课件,29,根据：,得：,上式表明，铁损的串联等效电阻Re与L有关。因此，当被测非电量的变化引起线圈电感量改变时，其电阻值亦发生不希望有的变化。要减少这种附加电阻变化的影响，比值Re/(wL)应尽量小，以使RewL ，从而减小附加电阻变化的影响。另外，在设计传感器时应尽可能减少铁损Re。,精品课件,30,当考虑实际存在并联寄生电容C时，阻抗为：,式中，总的损耗电阻R=Re+Rc ，品质因数Q=Lw/R 。当Q1时，1/Q2可以忽略，上式可简化为,精品课件,31,则RS和LS相对于R和L都增加了。有效品质因数为：,写
11、成：,下降了。电感的相对变化为：,增加了。,精品课件,32,由此可知，并联电容C的存在，使有效串联损耗电阻与有效电感均增加，有效Q值下降并引起电感的相对变化增加，即灵敏度提高。因此，从原理而言，按规定电缆校正好的仪器，如更换了电缆，则应重新校正或采用并联电容对传感器的灵敏度重新加以调整。,精品课件,33,6.5 自感式传感器测量电路,1. 交流电桥2. 变压器电桥3. 自感传感器的灵敏度,精品课件,分析： 衔铁在初始位置时，电桥平衡,若衔铁上移，则：,（一）交流电桥式测量电路,精品课件,*另一种形式：,型,精品课件,交流电桥是电感式传感器、电容式传感器的主要测量电路。由于交流电桥的输出可以直接
12、与无零漂的交流放大器相接，因此在电阻的测量中也常使用。 由交流电源供电，电源频率约为传感器位移变化（电感变化）频率的十倍，可满足对传感器动态响应的频率要求。供桥电源频率高一些，还可以减少温度变化对传感器的影响，并可以提高传感器的输出灵敏度。 供桥电源频率高，也增加了由于铁芯损耗和寄生电容带来的影响。,精品课件,衔铁上移时两个传感器阻抗为：,则电桥输出：,当0时，U0与Ui同相；否则反相。故本测量电路可以提供位移大小和方向的信息。,精品课件,电路结构： 传感器的两个线圈Z1、Z2作为相邻工作臂，另两个臂为交流变压器次级线圈的1/2阻抗，其每半电压为Ui/2，输出电压取自A、B两点，D点为零电势。
13、,（二）变压器式交流电桥：,精品课件,单相变压器：两个线圈无电的直接联系，只有磁的耦合。,原绕组（一次绕或初级绕组）：两个线圈中接交流电源的线圈，其匝数为N1。,副绕组（二次绕组或次级绕组）：接到用电设备上的线圈，其匝数为N2。,交变磁通同时与原、副绕组交链，在原、副绕组内感应电动势。,变压器原、副边电势之比即电压之比，等于原、副边匝数之比。,变压器的工作原理,精品课件,（2）若衔铁上移，则Z1，Z2,若衔铁下移，则Z1 ，Z2 ,精品课件,衔铁上下移动时，输出电压大小相等，极性相反，但由于是交流电源，输出指示无法判断出位移方向，必须配合相敏检波器来解决。,精品课件,3.自感传感器的灵敏度,传
14、感器结构灵敏度 转换电路灵敏度,总灵敏度,精品课件,第一项决定于传感器的类型第二项决定于转换电路的形式第三项决定于供电电压的大小,气隙型、变压器电桥 传感器,传感器灵敏度的单位为 mV/(mV)电源电压为1V，衔铁偏移1m时，输出电压为若干毫伏,精品课件,6 自感式传感器,6.1 工作原理6.2 变气隙式自感传感器6.3 变面积式自感传感器6.4 螺线管式自感传感器6.5 自感式传感器测量电路6.6 自感式传感器应用举例,精品课件,6.6 自感式传感器应用举例,自感式位移传感器自感式压力传感器,精品课件,1. 自感式位移传感器,1 传感器引线 2 铁心套筒 3 磁芯 4 电 感 线 圈 5 弹
15、 簧 6 防转件 7 滚 珠 导 轨 8 测 杆 9 密封件 10玛瑙测端,精品课件,2.自感式压力传感器,变隙式自感压力传感器结构图,变隙差动式电感压力传感器,精品课件,（1）已知变隙式电感传感器的气隙横截面积A=1.5cm2，气隙长度0=0.5cm，=0.1mm，真空磁导率0=4 *10-7H/m，线圈匝数W=3000，若忽略铁芯和衔铁的磁阻，求单端式传感器的灵敏度L/。若将其做成差动结构形式，灵敏度将如何变化？,精品课件,其它：（1）带有两个电感线圈的可变阻抗差压传感器，由于压力作用，一个电感变化+L，另一个电感变化-L，如图，以两种方式接入电桥，电桥电阻R=L。求两种接法的灵敏度U0/(L/L)，并比较之（设LL）。,精品课件,
