1、第3.3节 电感式传感器 机电工程系 刘彦彦 1 1、测量原理：即利用电磁感应原理将被测非电 量变化转换成线圈自感L或自感M的变化，再由 测量电路转换为电压或电流的变化量输出。 2、测量范围：位移、压力、流量、振动等 3、种类：分为自感式（变磁阻式）、变压器 式、涡流式等 4、特点： 工作可靠、寿命长 灵敏度高，分辨力高 精度高、线性好 性能稳定、重复性好 灵敏度、线性度 相互制约 缺点： 2 电磁电磁 感应感应 被测非电量被测非电量自感系数自感系数L L 互感系数互感系数MM 测量测量 电路电路 U U、I I、f f 把被测量转换为线 圈自感L的变化。 把被测量转换为线 圈互感M的变化。
2、传感器本身是一个 变压器。 电感式传感器 自感式 互感式 电涡流式 把被测量转换为线 圈的阻抗变化。 3 3.3.1 自感式传感器 |一、自感式传感器的工作原理 |二、灵敏度与非线性 |三、零点残余电压 |四、自感式传感器的应用 4 S&M Ch3 自感式感器的工作原理 F 220V 准备工作 电感传感器的基本工作原理演示 5 S&M Ch3 自感式感器的工作原理 气隙变小，电感变大，电流变小 F 6 一、 自感式传感器的工作原理 自感式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。 铁芯和衔铁由导磁材料（硅钢片或坡莫合金）制成。 固定 运动 图3-1自感式传感器原理结构图 7 在铁芯和衔铁之间有气隙，
3、传感器的运动部 分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度发 生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电 感线圈的电感值变化，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。 衔铁移动 改变 磁阻变化 电感值变化 与传感器相连 8 式中, Rm为磁路总磁阻； 为线圈总磁链； 为通过线圈的电流； 为线圈的匝数； 为穿过线圈的磁通； 自感式传感器原理结构图 线圈中电感量可由下式确定： （3-1） 根据磁路欧姆定律： （3-2） 工作原理分析 9 气隙很小，可以认为气隙中的磁场是均匀的。 若忽略磁 路磁损， 则磁路总磁阻为 自感式传感器原理结构图 （3-3） 10 为铁心材料的磁导率（H/
4、m） 为衔铁材料的磁导率（H/m） 为磁通通过铁心的长度（m） 为磁通通过衔铁的长度（m） 为铁心的截面积（m2） 为空气的磁导率（4*10-7H/m） 为气隙的截面积（m2） 为气隙的厚度（m） 11 通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻， 即 （3-4） 则式（3-3）可写为 （3-5） 联立式（3-1）、 式（3-2）及式（3-5）， 可得 （3-6） 12 上式表明：当线圈匝数为常数时， 电感L仅仅是磁路中磁阻Rm的函数，改 变或A0均可导致电感变化，因此变磁 阻式传感器又可分为变气隙厚度的传 感器和变气隙面积A0的传感器。 目前使用最广泛的是变气隙厚度式 电感传感器。 13 二、灵敏度
5、与非线性 L与之间是非线性关系，特性曲线如图3-2所示。 图3-2 自感式电压传感器的L-特性 14 分析： 当衔铁处于初始位置时，初始电感量为 （3-7） 当衔铁上移时，传感器气隙减小，即=0 ， 则此时输出电感为 （3-8） 气隙型传感器灵敏度分析 15 当/01时（泰勒级数）： （3-9） 可求得电感增量L和相对增量L/L0的表达式，即 (3-10) (3-11) 16 同理，当衔铁随被测体的初始位置向下移动时，有 （3-12） （3-13） 对式（3-11）、（3-13）作线性处理，即忽略高次项后，可得 （3-14） 17 灵敏度定义为单位气隙厚度变化引起的电感量 的变化。 可见：气隙
6、型电感传感器的测量范围与灵敏度及线 性度相矛盾，因此气隙型电感式传感器适用于测量 微小位移的场合。 （3-15） 线性处理后得出的近似结果 由表示 18 与 衔铁上移 切线斜率变大 衔铁下移 切线斜率变小 上移下移 19 与线性度 衔铁上移： 衔铁下移： 无论上移或下移，非线性都将增大。 20 差动变隙式电感传感器 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。 差动变隙式电感传感器 1-铁芯； 2-线圈； 3-衔铁 21 衔铁上移：两个线圈的电感变化量L1、L2分别由式 （3-10）及式（3-12）表示， 差动传感器电感的总变化 量L=L1+L2, 具体表达式为 对上式进行线
7、性处理, 即忽略高次项得 一边气隙增大，一边减小 22 灵敏度K0为 比较单线圈式和差动式： 差动式变间隙电感传感器的灵敏度是单线圈式的两倍。 差动式的非线性项(忽略高次项)： 单线圈的非线性项（忽略高次项)： 由于/01，因此，差动式的线性度得到明显改善。 在实际应用中大量采用差动自感传感器。 23 四、零点残余电压U0 当差动自感传感器的衔铁处于中间位当差动自感传感器的衔铁处于中间位 置时，理想条件下其输出电压为零。但实际置时，理想条件下其输出电压为零。但实际 上，当使用桥式电路时，在零点仍有一个微上，当使用桥式电路时，在零点仍有一个微 小的电压值小的电压值( (从零点几从零点几mVmV到
8、数十到数十mV)mV)存在，称存在，称 为为零点残余电压零点残余电压。 0 x-x e20 24 产生的原因：产生的原因： 两电感线圈的等效参数（电感、电阻）不对称； 铁芯磁路存在非线性，产生高次谐波不同， 不能互相抵消。 零残电压过大带来的影响： 灵敏度下降、非线性误差增大灵敏度下降、非线性误差增大 测量有用的信号被淹没，不再反映被测量变化造成放大 电路后级饱和，仪器不能正常工作。 过大的零位电压会使放 大器提前饱和，若传感器 输出作为伺服系统的控制 信号，零位电压还会使伺 服电机发热，甚至产生零 位误动作。 25 S&M Ch3 五、 自感式传感器的应用 26 S&M Ch3 五、 自感式
9、传感器的应用 该圆度计采用旁向式电感测微头 电感式不圆度计原理 27 五、自感式传感器的应用压力测量 变隙电感式压力传感器结构图 当压力进入膜盒时，膜盒 的顶端在压力P的作用下产生 与压力P大小成正比的位移， 于是衔铁也发生移动， 从而 使气隙发生变化， 流过线圈 的电流也发生相应的变化，电 流表A的指示值就反映了被测 压力的大小。 28 当被测压力进入C形弹簧管时， C形弹簧管 产生变形， 其自由端发生位移，带动与自由端连 接成一体的衔铁运动，使线圈1和线圈2中的电感 发生大小相等、符号相反的变化。即一个电感量 增大，另一个电感量减小。电感的这种变化通过 电桥电路转换成电压输出。由于输出电压与被测 压力之间成比例关系， 所以只要用检测仪表测量 出输出电压， 即可得知被测压力的大小。 变隙式差动电感压力传感器 29 压力测量动画演示 30 总结 布置作业 预习差动变压器式传感器 31
