第四章电感式传感器

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4.1.1.2 变面积型电感传感器
铁心与衔铁之间相对覆盖面积随被测量的变化 面改变，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，见图4.1.2。L与δ 是非 线性的，但与A成正比，特性曲线参见图4.1.3。
2 3 δ 1
L L=f(A)
L=f(δ )
δ , A 图4.1.2 变面积型电感传感器
N L Rm

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忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为 因此：
N2 L Rm
l1 l2 2 Rm 1 A 2 A 0 A
N2 l1 l 2 2 1 A 2 A 0 A
线圈的电感值可近似地表示为
N 0 A L 2
2
因此，其灵敏度随气隙的增大而减小。
1—气缸 2—活塞 微器 7—钨钢测头
图3-14 滚柱直径分选装置 3—推杆 4—被测滚柱 5—落料管 6—电感测 8—限位挡板 9—电磁翻板 10—容器（料斗）
4.2 差动变压器 4 差动变压器式传感器的应用 电感式滚柱直径分选装置
测微仪
圆柱滚子
4.2 差动变压器 4 差动变压器式传感器的应用 电感式滚柱直径分选装置（外形）
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第四章 电感式传感器
本章的主要内容有：
1.自感式电感传感器的结构原理；
2.互感式电感传感器的结构原理；
3. 电感传感器的典型测量电路；
4. 电感传感器的主要应用；
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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，导致线圈电感量改变来实现测量的。
． U/2
2
． U0
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。
a) 电阻平衡臂电桥 b) 变压器式电桥 c)
U
紧耦合电感臂电桥
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直径测微装置
汽缸
控制键盘
长度测微装置
滑道
4.2 差动变压器 4 差动变压器式传感器的应用
机械及气动元件
电感测微器
汽缸
气水分离器 （供气三联件） 气压表 （0.4MPa左右） 导气管 储气罐
1-衔铁 2-铁芯 3-线圈
图4.1.3 电感传感器特性
可变导磁面积型
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4.1.1.3 螺管型电感式传感器 下图为其结构原理图，衔铁随被测物移动，引起 磁阻发生变化，导致电感量改变。 线圈电感量与衔铁进入线圈 4 2 N 2 2 2 的长度可表示为 L lr ( 1 ) l r m a a l2
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。
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4.2 差动变压器
差动变压器的输出特性曲线
· E2
如左图所示，其中E2
的实线表示理想的输出特
· E22 · E21
性，而虚线部分表示实际 的输出特性。E0为零点残
余电动势。
e22 jM 2i1
N 2 21 N 21 N1 M1 i1 Rm1 N 222 N 22 N1 M2 i1 Rm 2
u1 u2 e21 e22 j ( M 1 M 2 ) R1 jL1
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4.2 差动变压器 2. 等效电路
l 4 3 2 3 l 4 3
4 l 2 a) b)
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
c)
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4.1.2 测量电路 差动式结构可以提高灵敏度，改善线性，所以交 流电桥大多采用双臂工作形式。下图是交流电桥的几 种常用形式。
检波电路，则只能判别位移的大小，却无法判别输出的相位和 位移的方向。
如果在输出电压送到指示仪前，经过一个能判别相位的检
波电路，则不但可以反映位移的大小（幅值），还可以反映位 移的方向（相位）。这种检波电路称为相敏检波电路。
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4.2 差动变压器 3 常用测量电路 差动相敏检波电路
Z1 L1 L2 Z2 ˊ R 2 ． U
a) 电阻平衡臂电桥 b) 变压器式电桥 c) 紧耦合电感臂电桥
ˊ R 1
R1
ZL R2
． U0 ． U
． U/2 ． U/2
百度文库
Z1 ． U
Z2
． U0 M L L
Z1
Z2
． U0
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ˊ R 1
4.1.2.1 电阻平衡臂电桥 电阻平衡臂电桥如上图a所示，工作时， Z1=Z+△Z 和 Z2=Z-△Z，当 ZL→∞时，电桥 的输出电压为:
变间隙型电 传感器
分类:
电感式传感器 自感型
变面积型电 传感器
螺线管型电 传感器
互感型
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4.1 自感式电感传感器 自感式电感传感器常见的形式:
变隙式
变截面式
螺线管式
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4.1 自感式电感传感器 先看一个实验： 将一只380V交流接触器线圈与交流毫安表串联后，接 到机床用控制变压器的36V交流电压源上，如图4-1所示。 这时毫安表的示值约为几十毫安。用手慢慢将接触器的活 动铁心（称为衔铁）往下按，我们会发现毫安表的读数逐 渐减小。当衔铁与固定铁心之间的气隙等于零时，毫安表
模拟式及数字式电感测微仪:
4.2 差动变压器 (11.11) 4 差动变压器式传感器的应用
轴向式电感测微器的内部结构:
1—引线电缆 3—衔铁 5—测力弹簧 2—固定磁筒 4—线圈 6—防转销
7—钢球导轨（直线轴承）
8—测杆
10—测端 12—基准面
9—密封套
11—被测工件
4.2 差动变压器 4 差动变压器式传感器的应用 电感式滚柱直径分选装置
. . . .
Z1 L1 L2 Z2
R1 ZL R2 ． U0
ˊ R 2 ． U
a)
电阻平衡臂电桥
Z1 R1 Z1 2 R R ( Z1 Z 2 ) U Z U0 U U U Z1 Z 2 R1 R2 ( Z1 Z 2 ) 2 R 2 Z
.
当ωL＞＞R’时，上式可近似为：
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4.2 差动变压器 3 常用测量电路 差动整流电路 电路是以两个桥 路整流后的直流电压
之差作为输出的，所
以称为差动整流电路。 它不但可以反映位移
的大小（电压的幅
值），还可以反映位 移的方向。
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4.2 差动变压器 3 常用测量电路 差动整流电路 图中的RP是用来微调 电路平衡的， VD1~VD4、 VD5~VD8组成普通桥式整
的读数只剩下十几毫安。
电感传感器的基本工作原理演示
F
准备工作
220V
电感传感器的基本工作原理演示
F
气隙变小，电感变大，电流变小
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4.1 自感式电感传感器 自感式电感传感器有变间隙型、 变面积型和螺管型三种。 4.1.1 原理分析 4.1.1.1 变间隙型电感传感器 它的结构示意图如右图所示。 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变化， 导致了线圈电感量的变化。线圈的 电感可用下式表示： 2
· E2
零点残余使得传感器 的输出特性在零点附近不
x
· E0
0
灵敏，给测量带来误差， 它的大小是衡量差动变压 器性能好坏的重要指标。
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4.2 差动变压器
减小零点残余的方法：
尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电 气参数及磁路的对称。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。 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又可改 善输出特性，减小零点残余电动势。 采用补偿线路减小零点残余电动势在 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。
u1 u2 e21 e22 j ( M 1 M 2 ) R1 jL1
（1）当衔铁处于中间位置时，两个二次绕组互感相同，所以
差动输出电动势为零。
（2）当衔铁移向二次绕组L21一边时，输出不为零，在量程内
移动量越大，输出量就越大。
（3） 当衔铁向二次绕组L22一边移动时输出也不为零，但由于
· E0
0
· E22
· E2
· E21
· E2
x
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4.2 差动变压器 3 常用测量电路
u1 u2 e21 e22 j ( M 1 M 2 ) R1 jL1
测量转换电路的作用是将电感量的变化转换成电压或电流
的变化，以便用仪表指示出来。但若仅采用电桥电路和普通的
2 2 2
U 0 Z2 I
.
.
U U U U Z Z1 Z 2 U． 2 2 Z1 Z 2 2 2 Z1 Z 2
a) 电阻平衡臂电桥
.
.
.
.
Z2
． U0
由于Z1=Z-△Z，Z2=Z+△Z，故： .
U Z U0 2 Z
.
b)
变压器式电桥
同理，当衔铁上移时，则有：
U Z U0 2 Z
.
.
可见:输出电压反映了传感器线圈阻抗的变化，还需辩向。
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Z1 L1 L2
2
ˊ R 1
4.1.2.3 紧耦合电感臂电桥 ． ．
ZL U0 R2 ． U U/2
2
R1
Z1 ． U
Z2
． U0 M L L
Z1
该电桥如前图 c所示。它以差动 Z ˊ Z R
4.2 差动变压器
W1
1.工作原理:互感现象
W
W2 Eout Ew Es
-x
x
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4.2 差动变压器
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。
U L U0 2 L
.
.
可见:交流电桥的输出电压与传感器线圈电感的相对变 化量成正比。
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4.1.2.2
变压器式电桥
Z1 L1
2
ˊ R 1
R1 ZL ． U0 ． U ． U/2 ． U/2 Z1
L 变压器式电桥如前图 b ，当负载阻抗无 R 穷大时输出电压为： ˊ Z R
（参考中原量仪股份有限公司资料）
滑道 分选仓位 轴承滚子外形
4.2 差动变压器 4 差动变压器式传感器的应用 电感式滚柱直径分选装置外形
（参考无锡市通达滚 子有限公司资料）
落料振动台
滑道
11个分选仓位 废料仓
4.2 差动变压器 4 差动变压器式传感器的应用 电感式滚柱直径分选装置外形 电感式滚柱直径分选装置（机械结构放大）
差动变压器式传感器构成 该类型的传感器主 要包括有衔铁、一次绕 组和二次绕组等。 E
w
Eout
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4.2 差动变压器 2. 等效电路
R ． U 1
～
1
R
21
M
～
1
． E 21
21
． E 2
L
L1
L
22
R
22
u1 i1 R1 jL1
e21 jM1i1
M
2
～
． E 22


l 2 x
1
图4.1.4 螺管型电感传感器
2-衔铁 1-线圈
通过以上分析可得结论: 变间隙型灵敏度较高,但非线性误差 较大； 变面积型灵敏度较小,但线性较好,量 程较大； 螺管型灵敏度较低,但量程大且结构 简单。
2ra
r
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4.1.1.4 差动式电感传感器
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。下图是变间隙型、变面积型及螺管型三种类型 的差动结构。
图3-7
相敏检波输出特性曲线
a）非相敏检波 b）相敏检波 1—理想特性曲线 2—实际特性曲线
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4.2 差动变压器 3 常用测量电路 差动相敏检波电路
相敏检波电路要求比较电压与差动变压器二次侧输出电 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。
流电路， Ｃ3、Ｃ4、Ｒ3、
Ｒ4组成低通滤波电路，Ａ1 及Ｒ21、Ｒ22、Ｒf、Ｒ23组
成差动减法放大器，用于
克服a、b两点的对地共模 电压。
4.2 差动变压器 4 差动变压器式传感器的应用
轴向式电感测微器的外形 :
其他电感测微头:
航空插头
红宝石测头
4.2 差动变压器 4 差动变压器式传感器的应用