第六章电感传感器

量程<100mm
例子：P168
2.3 差动变压器
一、概念： 差动变压器是互感传感器，是把被测位
转换为传感器线圈的互感的变化量，由 于常做成差动的，故称差动变压器。 二、工作原理 主要由一个线框和一个铁心组成。一次 线圈一组，二次线圈两组。
1 2 4 3
(a)气隙型
21 3
4
(b)螺管型 Es
-x
度高。主要测量位移、厚度、振动以及 探伤等，应用极为广泛。
四、测量电路
为反映铁心移动的方向，在差动测量电路中常 采用差动整流器。
2.4 涡流传感器
一、涡流的概念 涡流—成块的金属置于变化着的磁场
中或者在磁场中运动时，金属体内都要 产生感应电动势形成电流，这种电流在 金属体内是自己闭合的，称为涡流。其 大小与（μ、ρ、ω 、δ、x）有关。
来自百度文库、涡流传感器的特点 可进行非接触测量，动态响应好，灵敏
x
当铁芯在平衡位置时，US1 = US2
差动变压器输出
电势Ｕ０与衔铁 位移x的关系。其 中x表示衔铁偏离
中心位置的距离。
Ｕ０
e21
Ｕ０
0
e22 x
差动变压器输出特性
空载时的等效电路
I1
U1
R1 jL1
E1 jM 1 I1
E2 jM 2 I2
U2
E1 E2
j (M1 M 2 )
2、特点：抗干扰能力强，灵敏度提高一 倍，线性好，精度及特性变好 ，电磁吸力对测量力的影响相 互抵消。
四、测量电路（L→I/V 的幅值、频率、相位的变化） 基本测量电路通常都采用交流桥路
一
般 电
桥
U0 U
U0
U0
Z1
U
R0
U
U
Z
Z1 Z 2
R0 R0
2Z
Z1
U jL U L
=Z+ΔZ
同理：如衔铁下移：Z1 =Z-ΔZ Z2 =Z+ΔZ
当电源上正下负时,VR1 > VR2 输出上正下负
当电源上负下正时,VR1 < VR2 输出仍上正下负
所以：当衔铁下移时，输出上正下负，其大小与位
移相关。
4、特点
简单，输出功率大，精度较高，但输出与激励电 源频率相关，要求有稳频电源。
5、应用
测位移。派生量：压力、流量、厚度、震动等，
频率太低引起铁损及偶合电容影响增大
矛盾：f↑→φ↑→U2↑ f↑→ωL↑→U2↓
取最佳值
4、温度特性
温度误差主要受机械部分的热胀冷缩和一 次线圈中的电阻的温度系数影响。
5、零点残余电压及其消除方法
零点残余电压主要由结构的不对称、和 高谐波等引起。
采用相敏整流电路使输出同时反映铁 芯移动的大小与方向，并大大减少零点残余 电压。也可附加调零电路解决。
2 r jL0 2 L0
四2、、变测压量器电桥路
U0
U AUB
Z1
1
U U
Z1 Z 2
2
U 2
Z Z
都采基U2用本交测r 流量j桥电j路路LL0通常U2
I
L L0
如衔铁上移：
C
δ1↓→ωL1↑→ Z1 =Z+ΔZ
U
Z1
δ2↑→ωL2↓→ Z2 =Z-ΔZ
~
2
U 2
D
Z2
A
U 0
B
L
U0 2
3、相敏整流电路：既反映输入的大小，又能辩向
P167
在中间位置时， Z = Z1 = Z2 输出为零 如衔铁上移：Z1 =Z+ΔZ Z2 =Z-ΔZ 当电源上正下负时,VR1< VR2 输出下正上负 当电源上负下正时，VR1 > VR2 输出仍下正上负 所以：当衔铁上移时，输出下正上负，其大小与位移相关
但频率响应低，不宜进行快速动态测量。
2.2 自感传感器
一、简单自感传感器 工作原理
1、结构： 由线圈、铁心
和衔铁组成。
衔铁
线圈 铁芯
δ Δδ
2、线圈自感电动势：
e'
L
t
eL
Ne ' L
N
t
t
L N
I
I
L I
eL
L
I t
3、线圈自感L：p164
n Rmi
i 1
n i 1
如铁芯下移：M1 = M-ΔM M2 =M+ΔM
U2
2M R12 (L1 )2 U1 与U21极性相反
三、特性 1、灵敏度： 一般大于50mV/mm/V
提高灵敏度的措施： 提高Q值，增大尺寸，长度：直径=1.2:2.0 增大铁芯直径，采用导磁率高的材料； 提高励磁电压。 2、频率特性： 激磁频率一般取：10～50KHZ， 也可在5～400KHZ内。 但频率太高引起温度及频率误差增大
r 2 (L0 )2
U0 2
L r 2 (L0 )2
四、如测衔量铁电下路移：Z1 =Z-ΔZ Z2 =Z+ΔZ 相差1800
变压器电桥简单，输出阻抗小，应用广泛。
结论：输出U0的大小与位移的大小相关； 输出U0的方向与位移方向相关，可相差1800 但交流表只能反映输入的大小，无法辩向。
残余电压是由于结构上不对称及励磁电压中有高次谐 波等原因造成。
第六章 电感传感器
电气信息学院
被测非电量 电磁 自感系数L 测量 U、I、f 感应 互感系数M 电路
电感式传感器
自感式传感器 互感式传感器 电涡流式传感器
2.1 概述
1、定义： 电感传感器是将被测量转换为线圈的自感或
互感的变化来测量的装置。 2、特点：
结构简单、可靠，输出功率高，分辨力高（ 0.01μm),灵敏(几百mV/1mm) 线性较好(0.05～0.1%），稳定，抗干扰能力 强。
U1
R1 jL1
U2
(M1 M 2 ) R12 (L1 ) 2
U1
Z R21 R21 jL21 jL22 Z (R21 R21 )2 (L21 L22 )2
中间位置时， M1 = M2 输出为零
如铁芯上移：M1 =M+ΔM M2 = M-ΔM
U2
2M R12 (L1 )2 U1 与U21极性相同
li
i si
空气隙相对截面积
Rm
n i 1
li
i si
2
0s
2 0s
NI
磁路欧姆定律
Rm
空气隙 厚度
L
N
I
I
N2
N2
2
N 20s 2
Rm
0s
L N 20 s
2
一般导磁体的磁阻与空气隙 的磁阻相比很小，可忽略。
自感型--可变磁阻式位移传感器
可变磁阻式
L w 20S 2
(a)
(b)
(c)
(d)
（a）可变导磁面积型；（b）差动型；（c）单螺管线圈型；（d）双螺管线圈差动
L w 20S 2
变S型：线性，灵敏度低，行程较长 变气隙型：线性较差，灵敏度较高，行程短
螺管式： 结构简单 灵敏度较低 行程长
三、差动自感传感器
1、组成：由两个具有公共衔铁的完全相 同的自感传感器组成，衔铁处 于中间位置时，U0=0