第三章 电感式传感器

课题：第三章 电感式传感器

课型：新知课

教学目标：1、掌握自感式传感器的工作原理；

2、掌握自感式传感器的灵敏度和非线性；

3、掌握自感式传感器的等效电路；

4、了解自感式传感器的特点及应用；

5、掌握变压器式传感器的工作原理；

6、掌握变压器式传感器的等效电路；

7、掌握涡流式传感器的工作原理；

8、掌握涡流式传感器的特点及应用；

9、掌握压磁式传感器的工作原理。

重点：1、自感式传感器的工作原理；

2、自感式传感器的灵敏度和非线性；

3、自感式传感器的等效电路；

4、变压器式传感器的工作原理；

5、变压器式传感器的等效电路；

6、涡流式传感器的工作原理；

7、涡流式传感器的特点及应用；

难点： 1、自感式传感器的灵敏度和非线性；

2、自感式传感器的等效电路；

3、变压器式传感器的工作原理；

4、变压器式传感器的等效电路；

5、涡流式传感器的工作原理。

教学手段、方法：多媒体、课件、讲授

教具：ppt 、板书

教学过程：

电感式传感器是利用线圈自感或互感的变化来实现测量的一种装置。可以用来测量位移、振动、压力、流量、重量、力矩、应变等多种物理量。

电感式传感器的核心部分是可变自感或可变互感，在被测量转换成线圈自感或互感的变化时，一般要利用磁场作为媒介或利用铁磁体的某些现象。这类传感器的主要特征是具有线圈绕组。

3.1 自感式传感器

3.1.1 工作原理

原理结构如图3-1所示，其中B 为动铁心，A 为固定铁心。这两个部件一般为硅钢片或坡莫合金叠片。动铁心B 用弹簧定位，使A 、B 间保持一个初始距离0l ，在铁心A 上绕有W 匝线圈。由电感的定义可写出电感值表达式为

W L I I

ψΦ=

= 式中：ψ----链过线圈的总磁链；

Φ----穿过线圈的磁通；

I -----线圈中流过的电流。 又知 =m

IW R Φ

式中：IW ----磁动势

m R ----磁阻，其值为 0=100=+2n i m i i i

l l R S S μμ∑ 当铁心工作在不饱和状态下时，上式以第二项为主，第一项可略去不计，因此有

20002W S L l μ= 可见电感值与以下几个值有关：与线圈匝数平方成正比，与空气隙有效截面积0S 成正比，与空气隙长度0l 成反比。

这些关系中可以利用空气隙的有效长度0l 和有效截面积0S 作为传感器的输入量，分别称为气隙型（图3-1）和截面型（图3-2）。

图3-1 自感式传感器原理图

图3-2 截面型自感式传感器

传感器也可以做成差分形式，如图3-3所示。在这里固定铁心上有两组线圈，调整可动铁心B ，使之在没有被测量输入时两组线圈的电感值相等；当有被测量输入时，一组自感增大，而另一组将减小。

图3-3 差分自感式传感器

3.1.2 灵敏度及非线性

由上式可知，改变空气隙等效截面积0S 类型传感器，其转换关系是线性的；改变空气隙长度0l 类型的为非线性关系。设L ∆为气隙改变量，则

20000

2W S L l μ= ()222000000000000==-=-1222+W S W S W S l L L L l l l l l l μμμ⎛⎫∆- ⎪+∆∆⎝⎭

气隙型灵敏度为

20000==-1-++L L l l S l l l l ⎡⎤⎛⎫∆∆∆⎢⎥ ⎪∆⎢⎥⎝⎭⎣⎦

以上结论在满足0/1l l ∆时成立。从提高灵敏度的角度看，初始空气隙距离0l 应尽量小，其结果是被测量的范围也变小。同时，灵敏度的非线性也将增加。如采用增大空气隙等效截面积和增加线圈匝数的方法来提高灵敏度，则必将增大传感器的几何尺寸和重量。这些矛盾在设计传感器时应适当考虑。与截面型自感式传感器相比，气隙型的灵敏度较高。但其非线性严重，自由行程小，制造装配困难。因此，近年来何种类型的使用逐渐减少。

对差分式传感器，其灵敏度为

200002=1++L l l S l l l ⎡⎤⎛⎫∆∆⎢⎥-- ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦

与单级式比较，其灵敏度提高一倍，非线性大大减小。

3.1.3 等效电路

自感式传感器从电路角度来看并非纯电感，它既有线圈的铜损耗，又有铁心的涡流及磁滞损耗，这可用折合的有功电阻q R 表示。此外，无功阻抗除电感之外还包括绕组间分布电容。这部分电容用集总参数C 表示，一个电感线圈的完整等效电路可用图3-4表示，则

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=m m W W L R Z Z =+

式中：m R -----磁路总磁阻

m Z -----铁心部分的磁阻抗

0Z -----空气隙的磁阻抗

W -----线圈的匝数

3.1.4 自感式传感器的特点及应用

自感式传感器有如下几个特点：

（1）灵敏度比较好，目前可测0.1m μ的直线位移，输出信号比较大，信噪比较好。

（2）测量范围比较小，适用于测量较小位移。

（3）存在非线性。

（4）消耗功率较大，尤其是单极式电感传感器，这是由于它有较大的电磁吸力的缘故。

（5）工艺要求不高，加工容易。

3.2 变压器式传感器

3.2.1 工作原理

变压器式传感器是将非电量转换为线圈间互感M 的一种磁电机构，很像变压器的工作原理，因此常称为变压器式传感器。这种传感器常采用差分形式。

图3-4所示为典型结构原理。其中：A 、B 为两个山字形固定铁心，在其窗中各绕有两个线圈，1a W 及1b W 为一次绕组，2a W 及2b W 为二次绕组，C 为衔铁。

图3-4 气隙型差动变压器式传感器

在没有非电量输入时，衔铁C 与A 、B 的间隔相同，即00=a b δδ，则绕组1a W 和2a W 间的互感a M 与绕组1b W 和2b W 间的互感b M 相等。

当衔铁位置改变时，则a b M M ≠，此互感的差值即可反映被测量的大小。

为反映差值互感，将两个一次绕组的同名端顺向串联，并施加交流电压U ，而两个二次绕组的同名端反向串联，同时测量串联后的合成电动势2E ，则

222=-a b E E E