传感器与检测技术 教学课件 ppt 作者 魏学业 第3章 电感式和电容式传感器

第3章

电感式和电容式传感器

3.1 电感式传感器

　电感式传感器应用的理论基础是电磁感应，即利用线圈电感或互感的改变来实现非电量测量。依据电磁感应的原理，把被测物理量变化转换为自感系数L或互感系数M的变换。前者称为自感式传感器，后者称为互感式传感器或变压器式传感器。

电感式传感器具有结构简单可靠、分辨率高、零点漂移小、线性度好、性能稳定、抗冲击等优点。主要缺点是灵敏度、线性度和测量范围相互制约，传感器自身频率响应低，不适用于快速动态测量。在工业自动化中，广泛应用于位移、压力、流量等方面的测量。电感式传感器的测量过程如图3-1所示。

图3-1 电感式传感器的测量过程

电感式传感器的种类很多，根据工作原理的不同，可分为变磁阻式、变气隙式（自感式），变压器式和涡流式（互感式）等种类。

3.1.1变磁阻式传感器：

M. Faraday在其提出的电磁感应定律（1831年）指出，当一个线圈中电流i变化时，该电流产生的磁通量Φ也随之变化，因而在线圈绕组产生感应电势e，这种现象称为自感，产生的感应电势称为自感电势。变磁阻式传感器属于自感式传感器。

1.工作原理

变磁阻式传感器的结构如图3-2所示，这种形式的电感传感器也称为变气隙式电感传感器。它由线圈、铁芯和衔铁3部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或其他合金制成，在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为δ,被测部件与衔铁相连。当被测部件移动时，就引起衔铁移动，气隙厚度δ随之发生改变，引起磁路中磁阻的变化，从而导致电感线圈的电感值变化，因此只要能测出电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向，也就实现了对被测部件的测量。

图3-2 变磁阻式传感器的结构

1—线圈；2—铁芯（定铁芯）；3—衔铁（动铁芯）

为通过线圈的电流；对于磁阻式传感器，因为气隙δ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

10011200

2222l S S l S S δμμδμμ⎧⎪⎪⎨⎪⎪⎩ 则式（3-3）可写为m 002R S δμ= （3-4）

2. 特性分析

200002S W L μ

δ=（3-6）

图3-3 变隙式电压传感器的L-δ特性

200000

2()1W S L L μδ

δδδ

==∆-∆-当01δδ∆ 时，可将上式用泰勒级数展开，即

2300001L L δδδδδδ⎡⎤

⎛⎫⎛⎫∆∆∆⎢⎥

=+

+++ ⎪ ⎪⎢⎥⎝⎭⎝⎭⎣⎦

200001L L δδδδδδ⎡⎤

⎛⎫∆∆∆⎢⎥

∆=+++ ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦

（3-7）23000001L L δδδδδδδδ⎡⎤

⎛⎫⎛⎫∆∆∆∆⎢⎥

∆=-+-+ ⎪ ⎪⎢⎥⎝⎭⎝⎭⎣⎦

（3-8）对式（3-7）、式（3-8）作线性化处理，即忽略高次项后，可得

00

L L δ

δ∆∆=

灵敏度定义为单位气隙变化引起的电感量相对变化，即

001

L L K δδ∆==∆

230000011L L K δδδδδδδδ⎡⎤⎛⎫⎛⎫∆∆∆∆⎢⎥==++++ ⎪ ⎪∆⎢⎥⎝⎭⎝⎭⎣⎦ 230000011L L K δδδδδδδδ⎡⎤⎛⎫⎛⎫∆∆∆∆⎢⎥==-+-+ ⎪ ⎪∆⎢⎥⎝⎭⎝⎭⎣⎦

2000=+L L δδδδ⎛⎫⎛⎫⎛⎫∆∆∆ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭非线性部分当衔铁下移：23

000=+L L δδδδ⎛⎫⎛⎫⎛⎫∆∆∆- ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭非线性部分线性度变差。因此，变磁阻式传感器主要用于测量微小位移，为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变磁阻式电感传感器。

2412000021L L L L δδδδδδ⎡⎤⎛⎫⎛⎫∆∆∆⎢⎥∆=∆+∆=+++ ⎪ ⎪⎢⎥⎝⎭⎝⎭⎣⎦

对上式进行线性处理，即忽略高次项得

00

2L L δδ∆∆=灵敏度K 为

00

2L L K δδ∆==∆

差动变隙式电感传感器 1—铁芯；2—线圈；比较单线圈式和差动式两种电感式传感器的特性可知：差动式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，差动式的非线性项近似等于单线圈非线性项乘以，因此差动式的线性度得到明显改善。3

00/2L L δδ⎛⎫∆∆= ⎪⎝⎭

4．测量电路

图3-5 交流电桥

（3）谐振式测量电路　

谐振式测量电路可分为谐振式调幅电路和谐振式调频电路两种。谐振式调幅测量电路如图3-7（a ）所示。L 代表电感式传感器的电感，它与电容C

和变压器的一次绕组串联在一起，接入交流电源

，变压器的二次侧将有电压 输出，输出电压的频率与电源频率相同，但其幅值却随着传感器电感L 的变化而变化。如图3-7（b ）所示。图中

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。

U o U 0

L 图3-7 谐振式调幅测量电路

图3-8 谐振式调频测量电路

5．应用实例

（1）变磁阻式电感压力传感器

变磁阻式电感压力传感器的结构如图3-9所示。它由线圈、铁芯、衔铁、膜盒组成，衔铁与膜盒上部粘贴在一起。其工作原理是：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。

图3-9 变磁阻式电感压力传感器结构图

（2）差动变磁阻式电感压力传感器

图3-10是用差动变磁阻式电感构成的压力传感器。它主要由C形弹簧管、衔铁、铁芯、线圈组成。

它的工作原理是：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。

图3-10 差动变磁阻式电感压力传感器