第3章电感式传感器

b.变压器式交流电桥
U
C ＋ U 2 － ＋ U －2 D
变压器式交流电桥
Z1 ＋ U － A
Z2
o
B
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。 当负载阻抗为无穷大时， 桥路输出电压
Z2 Z 2 Z1 U 1 Uo U U Z1 Z 2 2 Z1 Z 2 2
Z2 Z 2 Z1 Z1 Z 2 R U0 U － U U Z Z R R 2 Z1 Z 2 2 Z1 Z 2 1 2 当衔铁上移时： U 0 U 0 当衔铁下移时： U0 U 0
N2 L 3 l1 l2 2 ) Rmi ( 1S1 2 S2 0 S0 i 1
铁心的结构和材料确定后，自感是气隙厚度和 气隙截面积的函数。
N2
第三章 电感式传感器
L f , S
L f1 变气隙型传感器
L f 2 S 变截面型传感器
2、开磁路电感传感器特点
（螺线管中间插入可动铁心）
（1）灵敏度比闭磁路电感传感器低，易受干扰。
（2）全量程范围较大，达200~300mm。 （3）线性差，低于1%，必须做成差动形式。
第三章 电感式传感器
四、自感式传感器的转换电路
被测量
x
L(M) 传感器
转换电路及 电量 信号调节
转换电路类型：
l2
第三章 电感式传感器
当铁芯右移后，使右边电感值增加，左边电感值减小
L2
L1
r 2 0 N 2
l
l
2 r c lc x 1 r 1 r l
r 2 0 N 2
2 r c lc x 1 r 1 r l
L 1 L0 K0 0
灵敏度为
L 1 L0 K0 0
可见： 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，因此变隙式电感式传感器适用于测量微小位移的场合。
与 K0
• 衔铁上移
– 切线斜率变大
L
L L0 1 KL 1 L0＋ 0 0 0
第三章 电感式传感器
衔铁上移
0 0 0 2 3 L2 L0 L2 L0 [1 ( ) ( ) ( ) ...] 0 0 0
差动输出
3 4 L L1 L2 2 L0 L 1 0
被测物理量 （非电量：位移、 电磁感应 振动、压力、 流量、比重）
线圈自感系数L/ 互感系数M
测量电路
电压或电流 （电信号）
第三章 电感式传感器
电感式传感器的核心部分是可变自感或可变互感，在 被测量转换成线圈自感或互感的变化时。一般要利用磁场 作为媒介或利用铁磁体的某些现象。这类传感器的主要特 征是具有线圈绕组。
• 衔铁下移
– 切线斜率变小
L0 L0－L
0
2

L o L 1 K 0 0－ 0
2 1 ＋ － － 0 0
Rc Re —— 铜损电阻； Rc —— 铁心涡流损耗；
C
Rh Re L
Rh —— 铁心的磁滞损耗；
C —— 分布等效电容（线圈 绕组间）。
自感线圈等效电路
线圈的铜耗，又有铁芯的涡流及磁滞 损耗——折合的有功电阻抗Rq表示
电感线圈等效电路
W2 W2 L Rm zm z0
式中
Rm---磁路总磁阻； Za---铁芯部分的磁阻抗； Z0--空气隙的磁阻抗。
L1 L0 L1 L0 [1 (

)(

) (
2

) ...]
3
第三章 电感式传感器
灵敏度K0为
L 2 L0 K0 0
比较单线圈式和差动式： ① 差动式变间隙电感传感器的灵敏度是单线圈式的两倍。
② 差动式的非线性项(忽略高次项)： L / L0 2
每只线圈的灵敏度为
dL1 dL2 k1 k2 dx dx l2 两只线圈的灵敏度大小相等，符号相反，具有差动特征。
0 N 2 r 1 rc2
N , r , rc k
第三章 电感式传感器
二、自感线圈的等效电路
自感线圈不是一个纯电感，除了电感量L之外，还存在线 圈的铜耗、铁心的涡流及磁滞损耗。 Io
现代检测技术
主讲教师：王国荣
第3章 电感式传感器
• 3.1 自感式传感器 • 3.2 变压器式传感器 • 3.3 涡流式传感器
第三章 电感式传感器
第3章 电感式传感器
电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量 转化为电感量（自感或互感）的一种装置。 可用来测位移、振动、压力、流量、重量、力矩、 应变等多种物理量，既可用于静态测量，又可用于动态 测量。
第三章 电感式传感器
3. 螺线管式自感传感器
1-螺线管线圈Ⅰ； 2-螺线管线圈Ⅱ； 3-骨架； 4-活动铁芯
图 差动螺线管式电感传感器结构原理图
L0 L10 L20
r 0 N
2 2
l
rc lc 1 r 1 r l
2
L10，L20——分别为线圈Ⅰ、Ⅱ的初始电感值
螺管式电感传感器建立在磁路磁阻随着衔铁插入深度 不同而变化的基础上。
x
i 1
Rmi
n
L
第三章 电感式传感器
1. 变气隙式自感传感器
磁路总的磁阻为
l1 l2 2 Rm 1 s1 2 s 2 0 s 0
气隙的磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻
Rm 2 0 s0
分类:
电感式传感器 自感型 可变磁阻型 (自感式) 涡流式
互感型
第三章 电感式传感器 电感式传感器的优点： ①结构简单、可靠，测量力小 衔铁为0.5～200×10-5N时，磁吸力为(1~10)×10-5N。 ②分辨力高 机械位移：0.1μm，甚至更小；角位移：0.1角秒。 输出信号强，电压灵敏度可达数百mV/mm 。 ③重复性好，线性度优良 在几十μm到数百mm的位移范围内，输出特性的线性度 较好，且比较稳定。 不足：动态响应慢；存在交流零位信号，不宜于高频动 态测量。
0 当Δδ/δ<< 1时, 可将上式用泰勒级数展开
L L0 L L0 [1 (
L L0

0
[1 (

0
)(


0
) (
2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ

0
)3 ...]
0
)(
0
)2 ...]
第三章 电感式传感器
L 2 [1 ( ) ( ) ...] L0 0 0 0
结构形式 变间隙式、变面积式和螺管式。
第三章 电感式传感器
一、自感式传感器的工作原理
线圈通以有效值为I的交流电，产生磁通为， 线圈匝数为N。 N U 则 L （类似R ） I I 由磁路欧姆定律 NI Rm L N2 NI
R
i 1
n
mi
R
i 1
n
mi
第三章 电感式传感器
第三章 电感式传感器
2 r 0 N rc lc L0 L10 L20 1 r 1 l r l 2 2
r 1
L0 L10 L20
0 N 2 r rc 2lc
l2
k1 k2
0 N 2 r rc 2
单线圈的非线性项（忽略高次项)：L / L 0 0 由于Δδ/δ0<<1，因此，差动式的线性度得到明显改善。
2
3
0
③采用差动式结构，除了可以改善非线性、 提高灵敏度外，对电源电压与频率的波动及温度 变化等外界影响也有补偿作用，从而提高了传感 器的稳定性。
2 3
• 无论上移或下移，非线性都将增大。
为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变隙式
电感传感器。
1 2
L1
Ro

3 L2 2
U s
Ro
U o
1—铁芯； 2—线圈； 3—衔铁
1
差动变隙式电感传感器
第三章 电感式传感器

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Δ L1、Δ L2
（2）当衔铁下移Δδ时, 传感器气隙增大Δδ, 即δ=δ0＋Δδ,
则此时输出电感为L = L0－ΔL。
L L0

0 0 0 L 2 [1 ( )( ) ...] L0 0 0 0
L L0 0
[1 (

)(

)2 ...]
*调幅式：x——A 调频式： x——f（） 调相式： x——
1、调幅电路
(1) 交流电桥电路
a. 电阻平衡臂电桥
Z1 Z2
Z1 Z Z1 Z2 Z Z2 Z R jwL0
Z1 jwL1
Z2 jwL2
U
o
Z3 ＝ R
Z4 ＝ R
U
Z jwL0
线圈的电感为 N 2 N 2 0 s0 L Rm 2 L与δ之间是非线性关系
第三章 电感式传感器
变间隙式电感传感器L-δ特性
第三章 电感式传感器
第三章 电感式传感器
（1）当衔铁上移Δδ时, 传感器气隙减小Δδ,