电感式传感器

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。
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。
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
· 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。
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
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。
Z1 Rˊ1
R1
L1
L2 R2
Z2 Rˊ2
U．
． ZL U0
U．/2
．ULeabharlann ．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
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）
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，
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
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
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
．
．
R0 U０
． U
U
R0 C． U０
· E22
b)
c)
图4.2.4 减小零点电路
· E2
· E21 · E2
～
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。
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
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。
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-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。
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。
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。
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
（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