传感器原理及应用-第4章

衔 铁 移 线圈 铁芯 衔铁 动 方 向 螺管 式
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《传感器原理及应用》 传感器原理及应用》
物理科学与技术学院 王殿生 制作
§4.1 变磁阻式电感传感器
一、变磁阻式传感器工作原理 二、变磁阻式传感器基本类型 三、变截面式自感传感器输出特性 四、变间隙式自感传感器输出特性 五、差动式自感传感器 六、自感式传感器的等效电路 七、自感式传感器的测量电路
N µ 0 ( A0 + ∆ A ) L = L0 + ∆ L = 2δ
2
N 2µ 0∆A ∆L = 2δ
∆L ∆A = L0 A0
因此， 因此，输出电感的变化与截面面积 的变化成线性关系。 的变化成线性关系。
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§4.1 变磁阻式电感传感器
§4.1 变磁阻式电感传感器
一、变磁阻式传感器工作原理
变磁阻式传感器即自感式电感传感器： 变磁阻式传感器即自感式电感传感器 ： 利用线圈自感量的变化来实现测量的。 利用线圈自感量的变化来实现测量的。 传感器结构： 线圈、 传感器结构 ： 线圈 、 铁芯和衔铁三部 分组成。 分组成。 工作原理： 工作原理 ： 铁芯和衔铁由导磁材料如 硅钢片或坡莫合金制成， 硅钢片或坡莫合金制成，在铁芯和衔铁之间 衔铁 有气隙，气隙厚度为δ 有气隙，气隙厚度为δ，传感器的运动部分 与衔铁相连。当被测量变化时， 与衔铁相连。当被测量变化时，使衔铁产生 位移，引起磁路中磁阻变化， 位移，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感 线圈的电感量变化。 线圈的电感量变化。 因此只要能测出这种电感量的变化， 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 衔铁位移量的大小和方向。 就能确定衔铁位移量的大小和方向。
∆L L0 1 = = ∆δ δ0
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 此变间隙式电感式传感器适用于测量微小位移的场合。 此变间隙式电感式传感器适用于测量微小位移的场合。 动态测量范围： 动态测量范围：0.001 ~ 1mm。 。 为了减小非线性误差， 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。 感器。
3 + L
∆L ∆δ ∆δ ∆δ 1 + = + L0 δ0 δ0 δ0
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2 + L
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§4.1 变磁阻式电感传感器
四、变间隙式自感传感器输出特性
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§4.1 变磁阻式电感传感器
一、变磁阻式传感器工作原理 二、变磁阻式传感器基本类型 三、变截面式自感传感器输出特性 四、变间隙式自感传感器输出特性 五、差动式自感传感器 六、自感式传感器的等效电路 七、自感式传感器的测量电路
传感器原理及应用
Principles and Applications of Sensors
主讲：王殿生 教授
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作
业
第四章 第二版教材86-87页 第二版教材86-87页： 86 练习题： 练习题：4-2，4-4，4-9 第三版教材84 85页 84第三版教材84-85页： 练习题： 练习题：4-2，4-4，4-10
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铁芯 线圈 δ ∆δ
线圈中电感量： 线圈中电感量：
NΦ IN L= = I RM
总磁阻
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线圈匝 数
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§4.1 变磁阻式电感传感器
一、变磁阻式传感器工作原理
L = IN NΦ Φ = I RM
l1 铁芯 线圈 l2 衔铁 ∆δ δ
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第4章 电感式传感器
电感式传感器的优点 ① 结构简单、可靠 结构简单、 ② 分辨率高 机械位移0 μm，甚至更小；角位移0 角秒。 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 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 重复性好， 在几十μm到数百mm的位移范围内，输出特性的线性度较好， μm到数百mm的位移范围内 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。 且比较稳定。 能实现远距离传输、记录、 ④ 能实现远距离传输、记录、显示和控制 电感式传感器的不足 存在交流零位信号，不宜高频动态测量。 存在交流零位信号，不宜高频动态测量。
输出电感灵敏度与初始截面面积的 成反比关系。 成反比关系。
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§4.1 变磁阻式电感传感器
三、变截面式自感传感器的输出特性
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§4.1 变磁阻式电感传感器
§4.1 变磁阻式电感传感器
一、变磁阻式传感器工作原理 二、变磁阻式传感器基本类型 三、变截面式自感传感器输出特性 四、变间隙式自感传感器输出特性 五、差动式自感传感器 六、自感式传感器的等效电路 七、自感式传感器的测量电路
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R δ
2 δ = µ0 A
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§4.1 变磁阻式电感传感器
一、变磁阻式传感器工作原理 二、变磁阻式传感器基本类型 三、变截面式自感传感器输出特性 四、变间隙式自感传感器输出特性 五、差动式自感传感器 六、自感式传感器的等效电路 七、自感式传感器的测量电路
4 4
3
2 1
差动变间隙式传感器 1-线圈 2-铁芯 线圈 铁芯 3-衔铁 4-导杆 衔铁 导杆
2） 补偿温度变化、 （ 2 ） 补偿温度变化 、 电源频率变化等的 影响，从而减少了外界影响造成的误差。 影响，从而减少了外界影响造成的误差。
3 4 1
差动变 截面式 差动螺 管式
1 3 2
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4
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§4.1 变磁阻式电感传感器
五、差动式自感传感器
在实际使用中， 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。 圈共用一个衔铁，构成差动式自感传感器。 差动结构的特点： 差动结构的特点： （1）改善线性、提高灵敏度外； ）改善线性、提高灵敏度外； 三种基本类型： 三种基本类型：
QR << R δ F
Rm ≈ Rδ = 2δ
RM = RF + R δ
l1 l2 RF = + µ1 A µ2 A2 1
磁导率 H/m
µ0A
N 2 µ0 AN2 ∴L ≈ = Rδ 2δ
气隙截面积A保持不变， 气隙截面积A保持不变，则L为δ的单值函 构成变气隙厚度式自感传感器 变气隙厚度式自感传感器。 数，构成变气隙厚度式自感传感器。 保持气隙间距δ 不变， 随被测量（ 保持气隙间距 δ 不变 ， A 随被测量 （ 如位 变化，构成变气隙面积式自感传感器 变气隙面积式自感传感器。 移）变化，构成变气隙面积式自感传感器。
2 3
忽略高次项 线性处理
∆L ∆δ = ± L0 δ0
因此既可确定衔铁位移量的大小又可 确定方向。 确定方向。
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§4.1 变磁阻式电感传感器
四、变间隙式自感传感器输出特性 ∆L ∆δ = ± L0 δ0
电感灵敏度
K
0
铁芯 线圈 δ 衔铁 ∆δ
∆L ∆δ ∆δ ∆δ 1 + = + L0 δ0 δ0 δ0 + L
2
铁芯 线圈 δ 衔铁 ∆δ
当衔铁随被测体的初始位置向下移动 ∆δ时，同理有 时
∆L ∆δ ∆δ 1 − =− L0 δ0 δ0 ∆δ ∆δ + − + L δ δ 0 0
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§4.1 变磁阻式电感传感器
一、变磁阻式传感器工作原理 二、变磁阻式传感器基本类型 三、变截面式自感传感器输出特性 四、变间隙式自感传感器输出特性 五、差动式自感传感器 六、自感式传感器的等效电路 七、自感式传感器的测量电路
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§4.1 变磁阻式电感传感器
二、变磁阻式传感器基本类型
变磁阻式传感器即自感式电感传感器 的基本类型： 的基本类型： （1）变气隙厚度式 （2）变气隙面积式
变气 隙截 面式 变气隙 厚度式 衔铁 铁芯 线圈 δ ∆δ
变截面式和螺管式
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第4章 电感式传感器
被测非电量 自感系数L 自感系数L
电磁 感电路
U、I、f
电感式传感器的定义 一种利用线圈自感和互感的变化实现非电量电测的装置。 一种利用线圈自感和互感的变化实现非电量电测的装置。 电感式传感器的感测量 位移、振动、压力、应变、流量、比重等。 位移、振动、压力、应变、流量、比重等。 电感式传感器的种类 根据转换原理：自感式 （ 変磁阻式 ） 、 互感式 （ 差动变压 根据转换原理： 自感式（変磁阻式） 互感式（ 器式） 电涡流式三种； 器式）、电涡流式三种； 根据结构形式：气隙型、面积型和螺管型。 根据结构形式：气隙型、面积型和螺管型。