第4章 电感式传感器（课件）- 《传感器检测技术》同步教学（机工版）

传感器与检测技术 各种电感式传感器 非接触式位移传感器 测厚传感器 电 感 粗 糙 度 仪 接近式传感器 第4章 电感式传感器 4.1 变磁阻式传感器 4.2 差动变压器式传感器 4.3 电涡流式传感器 电感式传感器的工作基础：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 分为变磁阻式、变压器式、涡流式等 特点： 工作可靠、寿命长 灵敏度高，分辨力高 精度高、线性好 性能稳定、重复性好 电感式传感器概述 4.1 变磁阻式传感器（自感式） 4.1.1工作原理 变磁阻式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料制成 在铁芯和衔铁之间有气隙，传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度δ发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。 4.1 变磁阻式传感器（自感式） 根据磁路欧姆定律： 式中, Rm为磁路总磁阻。 若气隙很小，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 4.1 变磁阻式传感器（自感式） 根据电感定义, 线圈中电感量可由下式确定: 式中: ——线圈总磁链;  I ——通过线圈的电流;  w——线圈的匝数;  Φ ——穿过线圈的磁通。 μ —— 导磁率 通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻， 即 则有： 因而可得： 4.1 变磁阻式传感器（自感式） 上式表明：当线圈匝数为常数时，电感L仅仅是磁路中磁阻Rm的函数，改变δ或A0均可导致电感变化，因此变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度δ的传感器和变气隙面积A0的传感器。 目前使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器。  4.1 变磁阻式传感器（自感式） 调节气隙厚度型 调节气隙截面积型 4.1.2 输出特性 图4-2 变隙式电压传感器的L-δ特性 4.1 变磁阻式传感器（自感式） L与δ之间是非线性关系， 特性曲线如图5-2所示。 分析：当衔铁处于初始位置时，初始电感量为 当衔铁上移Δδ时，传感器气隙减小Δδ，即δ=δ0－Δδ， 则此时输出电感为 4.1 变磁阻式传感器（自感式） 当Δδ/δ0<<1时（台劳级数）： 可求得电感增量ΔL和相对增量ΔL/L0的表达式，即 4.1 变磁阻式传感器（自感式） 忽略高次项后，可得 泰勒级数的定义 若函数f（x）在点的某一邻域内具有直到（n+1）阶导数，则在该邻域内f（x）的n阶泰勒公式为： f(x)=f(x0)+f`( x0)(x- x0)+f``( x0)(x-x0)²/2!+f```( x0)(x- 0)³/3! +...fn(x0)(x- x0)n/n!+.... 其中：fn(x0)(x- x0)n/n!，称为拉格朗日余项。 以上函数展开式称为泰勒级数。 同理，当衔铁随被测体的初始位置向下移动Δδ时，有 忽略高次项后，可得 4.1 变磁阻式传感器（自感式） 变磁阻式传感器灵敏度为： 线性化处理后，灵敏度为常数。实际上变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾，变隙式电感式传感器适用于测量微小位移的场合。 4.1 变磁阻式传感器（自感式） 衔铁上移 切线斜率变大 衔铁下移 切线斜率变小 4.1 变磁阻式传感器（自感式） 1、灵敏度与气隙关系： 衔铁上移： 衔铁下移： 无论上移或下移，非线性都将增大。 2、线性度与气隙关系： 4.1 变磁阻式传感器（自感式） 差动变隙式电感传感器 　 为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变隙式电感传感器。 4.1 变磁阻式传感器（自感式） 衔铁上移Δδ：两个线圈的电感变化量为ΔL1、ΔL2表示， 差动传感器电感的总变化量ΔL=ΔL1+ΔL2, 具体表达式为 对上式进行线性处理, 即忽略高次项得 4.1 变磁阻式传感器（自感式） 灵敏度K0为 比较单线圈式和差动式： 差动式变间隙电感传感器的灵敏度是单线圈式的两倍。 由于Δδ/δ0<<1，因此，差动式的线性度得到明显改善。 4.1 变磁阻式传感器（自感式）  电感式传感器的测量电路有交流电桥式、 变压器式交流电桥以及谐振式等。  4.1 变磁阻式传感器（自感式） 4.1.3 测量电路 1. 交流电桥式测量电路 当衔铁下移时： 4.1 变磁阻式传感器（自感式） 当衔铁上移时： 电路品质因素高时： 变压器式交流电桥 2. 变压器式交流电桥 4.1 变磁阻式传感器（自感式）  电桥两臂Z1、Z2为传感器线圈阻抗，另外两桥臂为交流变压器次级线圈