第5章 电感式传感器原理及其应用

自感式传感器结构图
5.2.2自感式传感器的工作原理 自感式传感器的工作原理 自感式传感器是把被测量变化转换成自感L的变化 的变化， 自感式传感器是把被测量变化转换成自感 的变化， 通过一定的转换电路转换成电压或电流输出。 通过一定的转换电路转换成电压或电流输出。 传感器在使用时，其运动部分与动铁心（衔铁） 传感器在使用时，其运动部分与动铁心（衔铁）相 当动铁芯移动时， 连，当动铁芯移动时，铁芯与衔铁间的气隙厚度 δ 发生改变，引起磁路磁阻变化， 发生改变，引起磁路磁阻变化，导致线圈电感值发 生改变，只要测量电感量的变化， 生改变，只要测量电感量的变化，就能确定动铁芯 的位移量的大小和方向。 的位移量的大小和方向。
1.差动式自感传感器的结构 差动式自感传感器的结构
(a)变气隙式； 变气隙式； 变气隙式
（b）变面积式； ）变面积式； 差动式自感传感器
（c）螺管式 ）
三种形式的差动式自感传感器以变气隙厚度式电 感传感器的应用最广。 感传感器的应用最广。
变气隙式差动式自感传感器结构剖面图
2.差动式自感传感器的特点 差动式自感传感器的特点 自感系数特性曲线如图所示。 自感系数特性曲线如图所示。
（4）调相电路 ） 调相电路的基本原理是， 调相电路的基本原理是，传感器电感的变化将引起 的变化。 输出电压相位 ϕ 的变化。
第5章 电感式传感器原理及其应用 章
5.1概述 概述 5.2 自感式传感器 5.3差动变压器式传感器 差动变压器式传感器 5.4电涡流式传感器 电涡流式传感器
5.1概述 概述
1.电感式传感器的定义 电感式传感器的定义 利用电磁感应原理将被测非电量转换成线圈 的变化， 自感系数 L 或互感系数 M 的变化，再由测 量电路转换为电压或电流的变化量输出， 量电路转换为电压或电流的变化量输出，这 种装置称为电感式传感器。 种装置称为电感式传感器。
所示为变压器电桥， 图5-8所示为变压器电桥， 1 和 Z 2 为传感器 所示为变压器电桥 Z 两个线圈的阻抗， 两个线圈的阻抗，另两臂为电源变压器二次 侧线圈的两半， 侧线圈的两半，每半的电压为 u 。
2
（1）变压器电桥电路 ）
变压器式电桥如图所示， 变压器式电桥如图所示，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： 侧绕组，当负载阻抗无穷大时输出电压为：
螺管式自感传感器： 螺管式自感传感器：
传感器工作时， 传感器工作时，衔铁在线圈中伸入长度的变化将引起 螺管线圈电感量的变化。 螺管线圈电感量的变化。 对于长螺管线圈l>>r，当衔铁工作在螺管的中部时， 对于长螺管线圈l>>r，当衔铁工作在螺管的中部时， l>>r 可以认为线圈内磁场强度是均匀的，线圈电感量L 可以认为线圈内磁场强度是均匀的，线圈电感量L与衔铁的 插入深度l大致上成正比。 插入深度l大致上成正比。
VD1 Z1 VD2 V U0 Z2 U VD4 VD3 R2 R1
带相敏整流的电桥电路
当电源U下正上负时，电阻R1上的压降大于 2上的压降， 当电源 下正上负时，电阻 上的压降大于R 上的压降， 下正上负时 则电压表有输出，输出电压下正上负。 则电压表有输出，输出电压下正上负。 反之， 增加， 减小时， 上正下负 上正下负， 反之，当Z2增加，Z1减小时，U上正下负，R1上压降大于 R2上压降。U上负下正时，R2上压降大于 1上压降，电压表也 上压降。 上负下正时 上负下正时， 上压降大于R 上压降， 有输出，输出电压上正下负。 有输出，输出电压上正下负。
5.2.4电感式传感器的测量电路 自感式传感器实现了把被测量的变化为电感量的变 为了测出电感量的变化， 化。为了测出电感量的变化，就要用转换电路把电 感量的变化转换成电压（或电流）的变化， 感量的变化转换成电压（或电流）的变化，最常用 的转换电路有调幅、调频和调相电路。 的转换电路有调幅、调频和调相电路。 1.调幅电路 调幅电路 （1）变压器电路 ）
1 f= 2π LC
变化时， 当L变化时，振荡频率随之变化，根据 的大小即可 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。 测出被测量的值。 f和L的特性曲线具有严重的非线性关系，要求后续 的特性曲线具有严重的非线性关系， 和 的特性曲线具有严重的非线性关系 电路做适当线性化处理。 电路做适当线性化处理。
N 2Sµ 0 L = 2δ
当线圈匝数N为常数时，电感 仅仅是磁路 当线圈匝数 为常数时，电感L仅仅是磁路 为常数时 中磁阻的函数， 中磁阻的函数，只要改变 δ 或S均可导致电感变 均可导致电感变 化。因此变磁阻式传感器又可分为变气隙 δ 厚 度的传感器和变气隙面积S的传感器 的传感器。 度的传感器和变气隙面积 的传感器。
自感式传感器的工作原理示意图
线圈 铁心
由于 NΦ = LI , Fm = NI , Φ m = Fm m
N2 可得： 可得： L = Rm
Rm
δ
衔铁 ⊿δ
变气隙式自感传感器结构
磁路的总磁阻可表示为： 磁路的总磁阻可表示为： li 2δ Rm = ∑ + µi Si µ0 S 近似计算出线圈的电感量为： 近似计算出线圈的电感量为：
U 0 = Z2 I −
. .
U U U U Z 2 − Z1 = Z2 − = 2 Z1 + Z 2 2 2 Z1 + Z 2
． U
.
.
.
.
Z1 ． U/2 ． U/2 ． U0
当衔铁处于中间位置时， 当衔铁处于中间位置时，L1=L2=L0， Z1=Z2=Z0，此时桥路平衡，输出电压U0=0。 此时桥路平衡，输出电压U =0。 当衔铁下移时， 当衔铁下移时，Z1=Z-△Z，Z2=Z+△Z， △ ， △ ， . 则有： 则有： . U ∆Z
自感系数特性曲线图
2.差动式自感传感器的特点 差动式自感传感器的特点 差动气隙式电感传感器由两个相同的电感线圈1、 差动气隙式电感传感器由两个相同的电感线圈 、2 和磁路组成。 和磁路组成。 测量时，衔铁通过测杆与被测位移量相连， 测量时，衔铁通过测杆与被测位移量相连，当被测 体上下移动时， 体上下移动时，导杆带动衔铁也以相同的位移上下 移动，使两个磁回路中磁阻发生大小相等， 移动，使两个磁回路中磁阻发生大小相等，方向相 反的变化，导致一个线圈的电感量增加，另一个线 反的变化，导致一个线圈的电感量增加， 圈的电感量减小，形成差动形式。 圈的电感量减小，形成差动形式。 差动式与单线圈电感式传感器相比，具有以下优点。 差动式与单线圈电感式传感器相比，具有以下优点。 （1）线性度高。 ）线性度高。 （2）灵敏度高，即衔铁位移相同时，输出信号大一倍。 ）灵敏度高，即衔铁位移相同时，输出信号大一倍。 （3）温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度 ）温度变化、电源波动、 的影响，由于能互相抵消而减小。 的影响，由于能互相抵消而减小。 （4）电磁吸力对测力变化的影响也由于能相互抵消而 ） 减小。 减小。
输出电压经相敏检波可以反映出位移的大小和方向。 输出电压经相敏检波可以反映出位移的大小和方向。
VD1 Z1 VD2 V U0 Z2 U VD4 VD3 R2 R1
带相敏整流的电桥电路
当差动式自感电感传感器处于中间位置时， 当差动式自感电感传感器处于中间位置时，Z1=Z2=Z，输 ， 出电压U 为零。 出电压 0为零。 当衔铁移动使Z 增加， 减小，当电源U上正下负时 上正下负时， 当衔铁移动使 1增加，则Z2减小，当电源 上正下负时， 电阻R 上的压降大于R 上的压降。 电阻 2上的压降大于 1上的压降。
变面积式自感传感器： 变面积式自感传感器：
铁芯 线圈 δ 衔铁
N 2 Sµ 0 L= 2δ
变面积式自感传感器结构
dL N 2 µ 0 灵敏度为： 灵敏度为： k = = dS 2δ 由于漏感等原因，其线性区范围较小，灵敏度也较低， 由于漏感等原因，其线性区范围较小，灵敏度也较低， 因此，在工业中应用得不多。 因此，在工业中应用得不多。
l
衔铁
x 2ra
线圈
螺管型电感传感器
这种传感器结构简单，制作容易，灵敏度较低， 这种传感器结构简单，制作容易，灵敏度较低，适用 于测量较大的位移量。 于测量较大的位移量。
r
电感式传感器的特点： 电感式传感器的特点： （1）结构简单：没有活动的电触点，寿命长。 ）结构简单：没有活动的电触点，寿命长。 （2）灵敏度高：输出信号强，电压灵敏度每毫米能 ）灵敏度高：输出信号强， 达到上百毫伏。 达到上百毫伏。 （3）分辨率大：能感受微小的机械位移与微小的角 ）分辨率大： 度变化。 度变化。 （4）重复性与线性度好：在一定位移范围内，输出 ）重复性与线性度好：在一定位移范围内， 特性的线性度好，输出稳定。 特性的线性度好，输出稳定。 （5）电感式传感器的缺点是存在交流零位信号，不 ）电感式传感器的缺点是存在交流零位信号， 适宜进行高频动态测量。 适宜进行高频动态测量。
U0 =
. 同理，当衔铁上移时， 同理，当衔铁上移时，有： 0 = − U ∆Z U
Z2
变压器电桥
2 Z
.
2 Z输Biblioteka 电压反映了传感器线圈阻抗的变化，由于是交流信号， 输出电压反映了传感器线圈阻抗的变化，由于是交流信号， 实际上无法判别输出的相位和位移的方向。 实际上无法判别输出的相位和位移的方向。
（2）相敏检波电路 ）
（3）调频电路 ） 调频电路的基本原理是：传感器电感的变化引起输 调频电路的基本原理是： 出电压频率f的变化 一般把传感器电感线圈L和一 的变化。 出电压频率 的变化。一般把传感器电感线圈 和一 个固定电容C接入一个振荡电路中 其振荡频率为： 接入一个振荡电路中， 个固定电容 接入一个振荡电路中，其振荡频率为：
5.2.3差动式自感传感器 差动式自感传感器 由于线圈中通有交流励磁电流， 由于线圈中通有交流励磁电流，因而衔铁始终承受 电磁吸力，会引起振动和附加误差，而且非线性误 电磁吸力，会引起振动和附加误差， 差较大。外界的干扰、电源电压频率的变化、 差较大。外界的干扰、电源电压频率的变化、温度 的变化都会使输出产生误差。 的变化都会使输出产生误差。 在实际使用中， 在实际使用中，常采用两个相同的传感线圈共用一 个衔铁，构成差动式自感传感器， 个衔铁，构成差动式自感传感器，两个线圈的电气 参数和几何尺寸要求完全相同。 参数和几何尺寸要求完全相同。 这种结构除了可以改善线性、提高灵敏度外， 这种结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对温 度变化、电源频率变化等的影响也可以进行补偿， 度变化、电源频率变化等的影响也可以进行补偿， 从而减少了外界影响造成的误差， 从而减少了外界影响造成的误差，可以减小测量误 差。
当铁芯的结构和材料确定后，自感 是气隙厚 当铁芯的结构和材料确定后，自感L是气隙厚 和气隙磁通截面积S的函数 的函数， 度 δ 和气隙磁通截面积 的函数，即 L = f (δ , S ) 。 如果S保持不变 保持不变， 的单值函数， 如果 保持不变，则L为 δ 的单值函数，可 为 构成变气隙型自感传感器； 变气隙型自感传感器 构成变气隙型自感传感器；如果保持 δ 不 变，使S随位移而变，则可构成变截面型自 随位移而变，则可构成变截面型自 随位移而变 变截面型 感传感器；如果在线圈中放入圆柱形衔铁， 感传感器；如果在线圈中放入圆柱形衔铁， 当衔铁上下移动时，自感量将相应变化， 当衔铁上下移动时，自感量将相应变化，就 构成了螺线管型自感传感器。 螺线管型自感传感器 构成了螺线管型自感传感器。
被测非电量 自感系数L 自感系数L 互感系 互感系数M U、I、f
电磁 感应
测量 电路
2.电感式传感器的分类 电感式传感器的分类 电感式传感器可分为自感式传感器、 电感式传感器可分为自感式传感器、差动变压式传 感器和电涡流传感器三种类型。 感器和电涡流传感器三种类型。
5.2 自感式传感器
5.2.1自感式传感器的结构 自感式传感器的结构 自感式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。 自感式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁 芯与衔铁由硅钢片或坡莫合金等导磁材料制成。 芯与衔铁由硅钢片或坡莫合金等导磁材料制成。