电感式传感器

4.3 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 输出信息
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
辅助电源
电感式传感器
1
【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。
L0
2
L0
0
0
0
0
.....
提高一倍
差动工作：
L
L 2
L 1
2L 0
0
0
3
0
5
......
L L0
L L
2
1
L0
2
0
0
3
0
5
......
电感式传感器
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。
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。
1
44
3
3
12 （a） 变气隙型
4 （c） 螺管型
1-线圈 2-铁芯 3-衔铁 4-导杆
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变气隙型差动式自感传感器
衔铁下移：
L
N2 A 0
1 2( )
L (r 1)rc2 x
L
lr2
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。
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主要优点有：
结构简单，工作可靠 灵敏度高，分辨力高（目前达到0.01um） 测量精度高，示值误差一般为示值范围的0.1%~0.5% 零点稳定、输出功率大
主要缺点有：
灵敏度、线性度和测量范围相互制约
电感式传感器
3
1.自感式传感器---变磁阻式
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。
L N2 Rm
l1
N2 l2 2
1 A1 2 A2 0 A0
L N 20 A0 2
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1）自感传感器类型:
L N 20 A0 2
2
1
变3
变δ
间
面
隙
积
式
式
L与气隙成反比， 与气隙导磁面积A0
成正比。
L L=f(A)
L=f(δ) δ, A
图4-2 变面积型电感传感器
图4-3 电感传感器特性
较小气隙变化范围内工作。由于气隙变化甚小，即 远小于0时（一般要求小于10倍以上），S进一步 近似为：
S
N 20 A0
2
2 0
x
此时S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。
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
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根据结构形式，自感传感器可分为：气隙型、螺线管
【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。
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自感型 互感型
变磁阻式
常为差动 变压器式
涡流式
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变间隙式 变面积式 螺线管式
2
电感式传感器主要用于位移测量和可以转换成位移变化的机 械量（如力、张力、压力、压差、加速度、振动、应变、流 量、厚度、液位、比重、转矩等）的测量。
14
较大行程的位移测量, 常利用差动螺管式自感传感器
1
3
2lc
x 2l
4
线圈Ⅰ
将两差动电感接入交流电桥的相邻桥臂
Δlc
r
线圈Ⅱ
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2.自感式传感器---涡流式
何谓涡流？
在许多电工设备中都存在大块导体(如发电机和变压器的铁心和端盖等)。 当这些大块导体处在变化的磁场中或在磁场中切割磁力线时，其内部都 会感应出电流。这些电流的特点是：在大块导体内部自成闭合回路，呈 旋涡状流动。因此，称之为涡旋电流，简称涡流。例如，含有圆柱导体 芯的螺管线圈中通有交变电流时，圆柱导体芯中出现的感应电流或涡流， 如图所示。
0
N2 A
L
0
2 2( )
0
2 3
L L 1
1
0
0
0
0
......
L 2
L 0
1
002源自03 ......
2
3
单个工作：
L
L 2
L 0
L0 [
0
0
0
......]
忽略高次项：K
2L0
0
2
3
L L L
1-衔铁 2-铁芯 3-线圈电感式传感器
6
变 面 积
L N 20 A 2 传感器灵敏度为：
S dL N 20 dA 20
式
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。
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变
L N 20 A
间
2
隙
传感器灵敏度为：
式
S
dL d
N 20 A0 2 2
L
L
气隙 愈小，则灵敏度S愈高。由于S不是常 数，会产生非线性误差，因此这种传感器常规定在
螺 螺旋管
l
管
rc
r
式
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。
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L (r 1 )l2 0 N 2 S 铁 芯 x (r 1 )l2 0 N 2r c 2x
L N2 RM
线圈 铁芯
衔铁
δ Δδ
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L N2 Rm
如果空气隙较小，且忽略磁路铁损时， 磁路总磁阻为：
线圈 铁芯
Rm
l1 1 A1
l2 2 A2
2 0 A0
因此有： L N 2
Rm
l1
N2 l2 2
1 A1 2 A2 0 A0
衔铁
δ Δδ
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：
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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非线性、 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。
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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，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。