电感式传感器PPT课件

2
LC
2LC
Q2
(1
2LC)2
2LC Q
2
(4-17)
第4章 电感式传感器
当Q>>ω2LC且Ω2lc<<1
Z
R
(1 2LC)2
;
令
L'
L
(1 2LC)2
则
Z R' jL'
从以上分析可以看出，并联电容的存在，使有效串联损耗电阻及 有效电感增加，而有效Q值减小，在有效阻抗不大的情况下，它 会使灵敏度有所提高，从而引起传感器性能的变化。因此在测量 中若更换连接电缆线的长度，在激励频率较高时则应对传感器的 灵敏度重新进行校准。
为了使输出特性能得到有效改善，构成差动的两个变隙 式电感传感器在结构尺寸、材料、电气参数等方面均应完全 一致。
第4章 电感式传感器 图4-3 差动变隙式电感传感器
第4章 电感式传感器 4.1.3 测量电路
电感式传感器的测量电路有交流电桥、变压器式交流电桥 以及谐振式等。
1.
从电路角度看，电感式传感器的线圈并非是纯电感，该电 感由有功分量和无功分量两部分组成。有功分量包括：线圈线 绕电阻和涡流损耗电阻及磁滞损耗电阻，这些都可折合成为有 功电阻，其总电阻可用R来表示；无功分量包含：线圈的自感L, 绕线间分布电容，为简便起见可视为集中参数，用C来表示。 于是可得到电感式传感器的等效电路如图4-4所示。
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，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，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。
第4章 电感式传感器 4.1.5
图4－10是变隙电感式压力传感器的结构图。它由膜盒、 铁芯、衔铁及线圈等组成，衔铁与膜盒的上端连在一起。
第4章 电感式传感器 图4-4 电感式传感器的等效电路
第4章 电感式传感器 图4-4中，L为线圈的自感，R为折合有功电阻的总电阻，C
为并联寄生电容。 其等效线圈阻抗为
Z
(R R
jL)
j
C
jL j
C
(4-16)
将上式有理化并应用品质因数Q=ωL/R，可得
Z
R
(1
2LC)2
2LC Q
2
jL1
Uo
Z Z
U 2
L U L2
(4-25)
当传感器衔铁下移时，如Z1=Z-ΔZ，Z2=Z+ΔZ， 此时
Uo
Z Z
U 2
L U L2
(4-26)
由以上分析可知，这两种交流电桥输出的空载电压相同，且
当衔铁上下移动相同距离时，电桥输出电压大小相等而相位相反。
由于 U 是交流电压，输出指示无法判断位移方向，必须配合相
第4章 电感式传感器
图4-3所示为差动变隙式电感传感器的原理结构图。由图 可知，差动变隙式电感传感器由两个完全相同的电感线圈合 用一个衔铁和相应磁路组成。测量时，衔铁与被测件相连， 当被测件上下移动时，带动衔铁也以相同的位移上下移动， 导致一个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减小，形 成差动形式。差动变隙式电感传感器与单极式电感传感器相 比较，非线性大大减小，灵敏度也提高了。
为谐振点的电感值，此电路灵敏度很高， 但线性差，适用于线 性度要求不高的场合。
第4章 电感式传感器 图4-7 谐振式调幅电路
第4章 电感式传感器
调频电路的基本原理，是传感器电感L的变化将引起输出 电压频率的变化。 通常把传感器电感L和电容C接入一个振荡
回路中， 其振荡频率 f 1/(2 LC) 。当L变化时，振荡
频率随之变化，根据f的大小即可测出被测量的值。图4-8（b） 表示f与L的关系曲线，它具有严重的非线性关系。
第4章 电感式传感器 图4-8 谐振式调频电路
第4章 电感式传感器
4.1.4
在前面讨论桥路输出电压时已得出结论，当两线圈的阻 抗相等，即Z1=Z2时,电桥平衡,输出电压为零。由于传感器阻 抗是一个复阻抗，因此为了达到电桥平衡，就要求两线圈的 电阻相等，两线圈的电感也要相等。实际上这种情况是不能 精确达到的，因而在传感器输入量为零时，电桥有一个不平 衡输出电压ΔUo。图4－9给出了桥路输出电压与活动衔铁位 移的关系曲线，图中虚线为理论特性曲线，实线为实际特性 曲线。我们把传感器在零位移时的输出电压称为零点残余电 压，记作ΔUo。
Uo
Z1 Z1 Z2
U
1 U 2
Z1 Z1
Z2 Z2
U 2
(4-24)
测量时被测件与传感器衔铁相连，当传感器的衔铁处于中
间位置，即Z1=Z2=Z时有Uo 0 ，电桥平衡。
第4章 电感式传感器 图4-6 变压器式交流电桥
第4章 电感式传感器
当传感器衔铁上移时，如Z1=Z+ΔZ，Z2=Z-ΔZ时，
第4章 电感式传感器 4.1.2 输出特性
由式（4-6）可知变气隙厚度(变隙)式电感传感器电感与气
隙之间是非线性关系，特性曲线如图4-2所示，设电感传感器初
始气隙为，初始电感量为L0，衔铁位移引起的气隙变化量为，当
衔铁处于初始位置时，初始电感量为
L0
0S0W 2 2 0
（4-7）
当衔铁上移Δδ时，传感器气隙减小Δδ，即δ=δ0-Δδ， 则此时
（4-3）
第4章 电感式传感器
通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻， 即
则式（4-3）可写为
2 0S0
l1
1S1
2 0S0
l2
2S2
Rm
2 0S0
（4-4） （4-5）
联立式（4-1）、 式（4-2）及式（4-5）， 可得
L W 2 W 20S0
Rm
2
（4-6）
第4章 电感式传感器
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δ或S0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δ的传感器和变气隙面积S0的传感器。 目前 使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器。
第4章 电感式传感器 2.
交流电桥式测量电路常和差动式电感传感器配合使用，常 用形式有交流电桥和变压器式交流电桥两种。
图4－5所示为交流电桥测量电路，传感器的两线圈作为电
桥的两相邻桥臂Z1和Z2，另外两个相邻桥臂为纯电阻R。设Z是衔 铁在中间位置时单个线圈的复阻抗，ΔZ1、ΔZ2分别是衔铁偏离 中心位置时两线圈阻抗的变化量，则Z1=Z+ΔZ, Z2=Z-ΔZ。对于
第4章 电感式传感器
将
L
2L0
0
代入式（4-20）得
U 02 L0
0
电桥输出电压与Δδ成正比关系。
第4章 电感式传感器
图4-6所示电路为变压器式交流电桥测量电路，电桥两臂、 分别为传感器两线圈的阻抗，另外两桥臂分别为电源变压器的 两次级线圈，其阻抗为次级线圈总阻抗的一半。当负载阻抗为 无穷大时，桥路输出电压为
① 差动变式隙式电感传感器的灵敏度是单线圈式的两倍。
② 差 动 变 隙 式 电 感 传 感 器 的 非 线 性 项 由 式 (4-21) 可 得 3
由 ΔδL式/δ/0(L<40<-111，2)或因式此0 (4，(-忽1差3)略动可高式得次的线项L性)/。L度0 单得线到圈0明电2显忽感改略传善高感。次器项的)非。线由性项于
第4章 电感式传感器
为减小电感式传感器的零点残余电压，可采取以下措施： ①在设计和工艺上，力求做到磁路对称，铁芯材料均匀； 要经过热处理以除去机械应力和改善磁性；两线圈绕制要均 匀，力求几何尺寸与电气特性保持一致。 ②在电路上进行补偿。这是一种既简单又行之有效的方 法。
第4章 电感式传感器
当被测压力进入C形弹簧管时，C形弹簧管产生变形，
输出电感为L=L0+ΔL， 代入式（4-6）式并整理，得
L
L0
L
W 20S0 2(0
)
L0
1
0
（4-8）
第4章 电感式传感器 图4-2 变隙式电压传感器的L-δ特性
第4章 电感式传感器
当Δδ/δ0<<1时，可将上式用台劳级数展开成如下的级数形式：
L
L0
L
L0 1
0
0
2
0
第4章 电感式传感器
4.1 变磁阻式传感器
4．1．1 工作原理
自感式电感传感器是利用线圈自感量的变化来实现测量的。 传感器结构如图4-1所示。它由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。 铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成，在铁芯和 衔铁之间有气隙，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，使衔铁产生位移，引起磁路中磁阻变 化，从而导致电感线圈的电感量变化，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。这种传 感器又称为变磁阻式传感器。L L001 0
0
2
0
3
（4-13）
对式（4-11）、（4-13）作线性处理，即忽略高次项后，可得
L L0 0
（4-14）
第4章 电感式传感器
L
K0
L0
1
0
（4-15）
由此可见，变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。 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。
3
（4-9）
由上式可求得电感增量ΔL和相对增量ΔL/L0的表达式，即
L
L0
0
1
0
0
2
L L0
0
1
0
0
2
(4-10) (4-11)
第4章 电感式传感器
同理，当衔铁随被测体的初始位置向下移动Δδ时，有
L
L0
0
1
0
0
2
0
3
（4-12）
敏检波电路来解决。
第4章 电感式传感器
3.
谐振式测量电路有谐振式调幅电路(如图4-7所示)和谐振式调 频电路(如图4 - 8所示)。在调幅电路中， 传感器电感L与电容C、
变压器原边串联在一起， 接入交流电源 U ，变压器副边将有电 压 而变U化o ，图，4-输7（出b电）压为的输频出率电与压电U源 频与率电相感同L的，关而系幅曲值线随，着其电中感LL0
第4章 电感式传感器 图4 – 1 传感器
第4章 电感式传感器
根据对电感的定义，线圈中电感量可由下式确定：
L
I
W
I
式中：Ψ——线圈总磁链；
I——通过线圈的电流；
W——线圈的匝数；
（4-1）
φ—— 由磁路欧姆定律， 得
IW
式中, Rm为磁路总磁阻。
Rm
（4-2）
第4章 电感式传感器
对于变隙式传感器， 因为气隙很小，所以可以认为气隙中
的磁场是均匀的。 若忽略磁路磁损， 则磁路总磁阻为
Rm
l1
1S1
l2
2S2
2 0S0
式中： μ1——铁芯材料的导磁率；
μ2——衔铁材料的导磁率；
l1——磁通通过铁芯的长度；
l2——磁通通过衔铁的长度；
S1——铁芯的截面积；
S2——衔铁的截面积；
μ0——空气的导磁率；
S0——气隙的截面积；
δ——气隙的厚度。
图4－10 变隙电感式压力传感器结构图
第4章 电感式传感器
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。
L
L1
L2
2L0
0
1
0
2
0
4
对上式进行线性处理, 即忽略高次项得
（4-21）
L 2
L0
0
（4-22）
第4章 电感式传感器
灵敏度K0为
L
K0
L0
2
0
（4-23）
比较式（4-15）与式（4-23），即比较单线圈式和差动式两
种变间隙电感传感器的灵敏度特性，可以得到如下结论：
第4章 电感式传感器 图4-9 变隙电感式压力传感器结构图
第4章 电感式传感器
零点残余电压主要由基波分量和高次谐波分量组成。产 生零点残余电压的原因大致有如下两点：（1）由于两电感 线圈的电气参数及导磁体几何尺寸不完全对称，在两电感线 圈上的电压幅值和相位不同，从而形成零点残余电压的基波 分量。（2）由于传感器导磁材料磁化曲线的非线性（如铁 磁饱和、磁滞损耗），使激励电流与磁通波形不一致，从而 形成零点残余电压的高次谐波分量。零点残余电压的存在， 使得传感器输出特性在零点附近不灵敏，限制了分辨率的提 高。零点残余电压太大，将使线性度变坏，灵敏度下降，甚 至会使放大器饱和，堵塞有用信号通过，致使仪器不再反映 被测量的变化。
高品质因数Q的电感式传感器，线圈的电感远远大于线圈的有功
电阻，即ωL>>R，则有ΔZ1+ΔZ2≈jω(ΔL1+ΔL2)， 电桥输出电
压为
Uo
Z
RZ (Z R)
U(L1
L2 )
(4-20)
第4章 电感式传感器 图4-5 交流电桥测量电路
第4章 电感式传感器
在图4－3所示的差动变隙式电感传感器结构示意图中， 当衔铁往上移动Δδ时，两个线圈的电感变化量ΔL1、ΔL2分别 由式（4－10）及式（4－12）表示，设ΔL=ΔL1+ΔL2， 则