电感式传感器

铁插入线圈的深度有关。
设线圈长度为l、线圈的平均半径为r、线圈的匝数为N、
l
衔铁进入线圈的长度la、衔铁的半径为ra、铁心的有效磁导
2
率为µm，则线圈的电感量L与衔铁进入线圈的长度la的关系
x
可表示为
2ra r
L
4 2 N l2
2
lr 2 (m 1)lara2
（4-1-5）
1
图4.1.4 螺管型电感传感器
4.1.1.4 差动式电感传感器
在实际使用中,常采用两个相同的传感线圈共用一个衔铁,构成差动式电感传感器,这样可
以提高传感器的灵敏度,减小测量误差。图4.1.5是变间隙型、变面积型及螺管型三种类型
的差动式电感传感器。 差动式电感传感器的结构
l 23
l
3
要求两个导磁体的几何尺寸
4
4
及材料完全相同，两个线圈
差动变压器工作在理想情况下（忽略涡流损耗、磁滞损耗和分布电容等影响），它的 等效电路如图4.2.2所示。图U1为一次绕组激励电压；M1、M2分别为一次绕组与两个二次绕 组间的互感：L1、R1分别为一次绕组的电感和有效电阻；L21、L22分别为两个二次绕组的电 感；R21、R22分别为两个二次绕组的有交电阻。
同样可以得出结果：当衔铁下移时，电压表总是反向偏转，输出为负。
可见采用带相敏整流的交流电桥，输出信号既能反映位移大小又能反映位移的方向。
4.1.2.3 紧耦合电感臂电桥
该电桥如图4.1.6c所示。它以差动电感传感器的两个线圈作电桥工作臂，而紧耦合的两 个电感作为固定臂组成电桥电路。采用这种测量电路可以消除与电感臂并联的分布电容对 输出信号的影响，使电桥平衡稳定，另外简化了接地和屏蔽的问题。
由变气隙型电感传感器可知，气隙长度不变，铁心与衔铁之间相对而言覆盖面积随被测 量的变化面改变，从而导致线圈的电感量发生变化，这种形式称之为变面积型电感传感器， 其结构示意图见图4.1.2。
通过对式（4-1-4）的分析可知，线圈电感量L与气隙厚度是非线性的，但与磁通截面积 A却是成正比，是一种线性关系。特性曲线参见图4.1.3。
和Z2=Z—△Z，当ZL→∞时，电桥的输出电压为
.
.
U0
Z1
.
U
R1
.
U
Z1 2R
R(Z1
Z
2
)
.
U
U
Z（4-1-6）
Z1 Z2 R1 R2
(Z1 Z2 ) 2R
2Z
当ωL＞＞R’时，上式可近似为：
.
.
U0
U
L
2L
（4-1-7）
由上式可以看出：交流电桥的输出电压与传感器线圈电感的相对变化量是成正比的。
交流电桥是电感式传感器的主要测量电路，它的作用是将线圈电感的变化转换成电桥电路 的电压或电流输出。
前面已提到差动式结构可以提高灵敏度，改善线性，所以交流电桥也多采用双臂工作 形式。通常将传感器作为电桥的两个工作臂，电桥的平衡臂可以是纯电阻，也可以是变压 器的二次侧绕组或紧耦合电感线圈。图4.1.6是交流电桥的几种常用形式。
4.2 差动变压器
4.2.1 工作原理分析
差动变压器的工作原理类似变压器的作用原理。这种类型的传感器主要包括有衔铁、一次 绕组和二次绕组等。一、二次绕组间的耦合能随衔铁的移动而变化，即绕组间的互感随被 测位移改变而变化。由于在使用时采用两个二次绕组反向串接，以差动方式输出，所以把 这种传感器称为差动变压器式电感传感器，通常简称差动变压器。图4.2.1为差动变压器的 结构示意图。
（4-2-1）
其有效值为 ：
E2
(M1 M 2 )U1 R12 (L1)2
（4-2-2）
差动变压器的输出特性曲线如图4.2.3所示.图中E21、E22分别为两个二次绕组的输
出感应电动势，E2为差动输出电动势x表示衔铁偏离中心位置的距离。其中E2的实线表示
理想的输出特性，而虚线部分表示实际的输出特性。E0为零点残余电动势，这是由于差
动变压器制作上的不对称以及铁心位置等因素所赞成的。
零点残余电动势的存在，使得传感器的输出特性在零点附近不灵敏，给测量带来误 差，此值的大小是衡量差动变压器性能好坏的重要指标。
．
．
R0 U０
U
a)
C0
．来自百度文库
．
R0 U０
． U
U
R0 C． U０
· E22
b)
c)
图4.2.4 减小零点电路
· E2
· E21 · E2
4.1.2.2 变压器式电桥
变压器式电桥如图4.1.6b所示，它的平衡臂为变压器的两个二次侧绕组，当负载阻抗无
穷大时输出电压为：
.
.
.
.
.
U0
Z
2
.
I
U 2
U Z1 Z2
Z
2
U 2
U 2
Z2 Z1 Z1 Z2
（4-1-8）
.
由于是双臂工作形式当衔铁下移时，Z1=Z-△Z，Z2=Z+△Z，则有：U. 0 U Z （4-1-9）
同样道理，当衔铁向二次绕组L22一边移动差动输出电动势仍不为零，但由于移动方向改 变，所以输出电动势反相。因此通过差动变压器输出电动势的大小和相位可以知道衔铁位 移量的大小和方向。
R21
2
3
M1
～
． E21
．
E2
4
R1
L21
． U1
～
R22
L22
M2
．
～ E22
1 图4.2.1 差动变压器的结构示意图
Z2=Z-△Z。如果输入交流电压为正半周，
图4.1.7 带相敏整流的交流电桥
则A点电位为正，B点电位为负，二极管V1、V4导通，V2、V3截止。在A-E-C-B支路中，C点
电位由于Z1增大而比平衡时的C点电位降低；而在A-F-D-B支中中，D点电位由于Z2的降低而
比平衡时D点的电位增高，所以D点电位高于C点电位，直流电压表正向偏转。
2Z
同理，当衔铁上移时，则有：
.
.
U Z
U0
2Z
（4-1-10）
由式（4-1-9）和式（4-1-10）可见，输出电压反映了传感器线圈阻抗的变化，由于是
交流信号，还要经过适当电路处理才能判别衔铁位移的大小及方向。
图4.1.7是一个采用了带相敏整流的交流电桥。差动电感式传感器的两个线圈作为交 流电桥相邻的两个工作臂，指示仪表是中心为零刻度的直流电压表或数字电压表。
2
1
3
δ
L L=f(A)
L=f(δ)
δ, A
图4.1.2 变面积型电感传感器
1-衔铁 2-铁芯 3-线圈
4.1.1.3 螺管型电感式传感器
图4.1.3 电感传感器特性
图4.1.4为螺管型电感式传感器的结构图。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
E VD1
R1
C
L1
设差动电感传感器的线圈阻抗分别为 Z1和Z2。当衔铁处于中间位置时，
A
Rw1
R3 C3
VD2
C1
Rw2
B
C4
Z1=Z2=Z，电桥处于平衡状态，C点电位 等于D点地位，电表指示为零。
R2 L2
VD3 V
C2
F
VD4
R4
D
R5
当衔铁上移，上部线圈阻抗增大，
Z1=Z+△Z，则下部线圈阻抗减少，
～
出电压的频率相同，相位相同或
相反。另外还要求比较电压的幅
值尽可能大，一般情况下，其幅
值应为信号电压的3~5倍。
4.2.2.2 差动整流电路
差动整流电路结构简单，一 般不需要调整相位，不考虑零点 残余电动势的影响，适于远距离 传输。图4.2.6是差动整流的两种 典型电路。图a是简单方案的电压 输出型。为了克服上述电路中二 极管的非线性影响以及二极管正 向饱和压降和反向漏电流的不利 影响，可以采用图b所示电路。
3
的电气参数和几何尺寸完全
相同。
4
l2
差动式结构除了可以改
善线性、提高灵敏度外，对 温度变化、电源频率变化等 影响，也可以进行补偿，从 而减少了外界影响造成的误
a)
b)
c)
图4.1.5 差动式电感传感器 a) 变间隙型 b) 变面积型 c) 螺管型
1-线圈 2-铁芯 3-衔铁 4-导杆
差。
4.1.2 测量电路
1-线圈 2-铁芯 3-衔铁
δ
对于变间隙式电感传感器，如果忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为
Rm
l1 1 A
l2 2 A
2 0 A
(4-1-2)
式中，l1为铁心磁路长；l2为衔铁磁路长；A为截面积；µ1为铁心磁导率；µ2为衔铁磁导
率；µ0为空气磁导率；δ为空气隙厚度。 因此有：
L N2 Rm
l1
N2 l2 2
电感式传感器
电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化，从而导 致线圈电感量改变这一物理现象来实现测量的。因此根据转换原理，电感式传感 器可以分为自感式和互感式两大类。
4.1 自感式电感传感器
自感式电感传感器可分为变间隙型、变面积型和螺管型三种类型。
4.1.1 原理分析
4.1.1.1 变间隙型电感传感器
· E0
0
x
为了减小零点残余电动势可采取以下方法：
图4.2.3 差动变压器输出特性
I. 尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数玫磁路的对称。磁性材料要经过处理， 消除内部的残余应力，使其性能均匀稳定。
II. 选用合适的测量电路，如采用相敏整流电路。既可判别衔铁移动方向双可改善输 出特性，减小零点残余电动势。
变间隙型电感传感器的结构示意图如图4.1.1所示。
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，被测物体的位移将引起空气隙的长度发生变化。由于 气隙磁阻的变化，导致了线圈电感量的变化。
线圈的电感可用下式表示：
L N 2 (4-1-1)
式中，N为线圈匝数；Rm为磁路总磁阻。 Rm
1 2
3
图4.1.1 变间隙型电感传感器
如果输入交流电压为负半周，A点电位为负，B点电位为正，二极管V2、V3导通，V1、V4 截止，则在A-F-C-B支中中，C点电位由于Z2减少而比平衡时降低（平衡时，输入电压若为 负半周，即B点电位为正，A点电位为负，C点相对于B点为负电位，Z2减少时，C点电位更 负）；而在A-E-D-B支路中，D点电位由于Z1的增加而比平衡时的电位增高，所以仍然是D点 电位高于C点电位，电压表正向偏转。
Ⅲ. 采用补偿线路减小零点残余电动势。图4-11是几种减小零点残余电动势的补偿 电路。在差动变压器二次侧串、并联适当数值的电阻电容元件，当调整这些元件时，可 使零点残余电动势减小。
4.2.2 常用测量电路
4.2.2.1 差动相敏检波电路
图4.2.5是差动相敏检波电路
的一种形式。相敏检波电路要求
比较电压与差动变压器二次侧输
移相器 图4.2.5 差动相敏检波电路
V
a)
V
b） 图4.2.6 差动整流电路
4.3 电涡流式传感器
电涡流式传感器是一种建立在涡流效应原理上的传感器。
电涡流式传感器可以实现非接触地测量物体表面为金属导体的多种物理量，如位移、振动、 厚度、转速、应力、硬度等参数。这种传感器也可用于无损探伤。
1A 2 A 0 A
（4-1-3）
一般情况下，导磁体的磁阻与空气隙磁阻相比是很小的，因此线圈的电感值可近似地表
示为
L N 20 A 2
（4-1-4）
由上式可以看出传感器的灵敏度随气隙的增大而减小。为了发送非线性，气隙的相对变
化量要很小，但过小又将影响测量范围，所以要兼顾考虑两个方面。
4.1.1.2 变面积型电感传感器
图4.2.2 差动变压器的等效电路
1-一次绕组 2、3 二次绕组 4-衔铁
.
由图4.2.2可以看出一次绕组的电流为：
.
I1
U1
R1 jL1
二次绕组的感应动势为：
.
E 21
jM1
.
I1
.
；E 22
jM 2
.
I1
.
由于二次绕组反向串接，所以输出总电动势为：
.
E2
j(M1
M2)
R1
U1 jL1
Z1 Rˊ1
R1
L1
L2 R2
Z2 Rˊ2
U．
． ZL U0
U．/2
．
U
．
Z1 ．
U．
Z 1
Z2
． U0
M
U/2
Z2 U0
LL
a) 电阻平衡臂电桥
b) 变压器式电桥
c) 紧耦合电感臂电桥
图4.1.6 交流电桥的几种形式
4.1.2.1 电阻平衡臂电桥
电 阻 平 衡 臂 电 桥 如 图 4.1.6a 所 示 。 Z1 、 Z2 为 传 感 器 阻 抗 。 高 ;L1=L2=L; 则 有 Z1=Z2=Z=R′+jwL,另有R1=R2=R。由于电桥工作臂是差动形式，则在工作时，Z1=Z+△Z
对于差动变压器，当衔铁处于中间位置时，两个二次绕组互相同，因而由一次侧激励引起 的感应电动势相同。由于两个二次绕组反向串接，所以差动输出电动势为零。
当衔铁移向二次绕组L21一边，这时互感M1大，M2小，因而二次绕组L21内感应电动势大于二 次绕组L22内感应电动势，这时差动输出电动势不为零。在传感器的是量程内，衔动移越大， 差动输出电动势就越大。
1-线圈 2-衔铁
通过以上三种形式的电感式传感器的分析,可以得出以下几点结论:
I. 变间隙型灵敏度较高,但非线性误差较大,且制作装配比较困难。
II. 变面积型灵敏度较前者小,但线性较好,量程较大,使用比较广泛。
III. 螺管型灵敏度较低,但量程大且结构简单易于制作和批量生产,是使用最广泛的一种电 感式传感器。