第4章电感式传感器（课件）- 《传感器与检测技术 （第4版）》同步教学（机工版）

第4章 电感式传感器 4.1 变磁阻电感式传感器 4.2 差动变压器电感式传感器 4.3 电涡流电感式传感器 知识单元与知识点 变磁阻电感式传感器的工作原理、输出特性、测量电路及典型应用； 差动变压器电感式（变隙式、螺线管式）传感器的工作原理、输出特性； 差动整流电路和相敏检波电路； 电涡流电感式传感器的工作原理、等效电路、测量电路与典型应用。 能力点 深入理解变磁阻、差动变压器电感式传感器的工作原理、输出特性； 深入理解电涡流电感式传感器的工作原理、等效电路； 理解差动整流电路和相敏检波电路； 会分析变磁阻电感式传感器的交流电桥、变压器式交流电桥和谐振式测量电路； 了解电涡流电感式传感器的调频式、调幅式测量电路； 了解变磁阻、差动变压器和电涡流电感式传感器的典型应用。 重难点 重点：变磁阻、差动变压器电感式传感器的工作原理、输出特性，电涡流电感式传感器的工作原理、等效电路。 难点：差动整流电路和相敏检波电路。 学习要求 掌握变磁阻电感式传感器的工作原理、输出特性和灵敏度； 掌握差动变压器电感式传感器的输出特性和灵敏度； 会比较单线圈和差动两种变磁阻（变气隙）电感式传感器的特性； 了解电感式传感器的不同测量电路； 了解电感式传感器的典型应用。 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 4.1 变磁阻电感式传感器（自感式） 4.1.1 工作原理 变磁阻电感式传感器由线圈、铁心和衔铁三部分组成。铁心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。 线圈中电感量可由下式确定： 根据磁路欧姆定律： 式中, Rm为磁路总磁阻。 （4-1） （4-2） 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 （4-3） 通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻， 即 （4-4） 则式（4-3）可写为 （4-5） 联立式（4-1）、 式（4-2）及式（4-5）， 可得 （4-6） 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，因此变磁阻电感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电感式传感器。  4.1.2 输出特性 L与δ之间是非线性关系， 特性曲线如图5-2所示。 图4-2 变隙式电压传感器的L-δ特性 分析： 当衔铁处于初始位置时，初始电感量为 （4-7） 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 （4-8） 当Δδ/δ0<<1时（泰勒级数）： （4-9） 可求得电感增量ΔL和相对增量ΔL/L0的表达式，即 (4-10) (4-11) 同理，当衔铁随被测体的初始位置向下移动Δδ时，有 （4-12） （4-13） 对式（4-11）、（4-13）作线性处理，即忽略高次项后，可得 （4-14） 灵敏度为 可见：变气隙电感式传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾，因此变气隙电感式传感器适用于测量微小位移的场合。 （4-15） 与 衔铁上移 切线斜率变大 灵敏度增加 衔铁下移 切线斜率变小 灵敏度减小 与线性度 衔铁上移： 衔铁下移： 无论衔铁上移或下移，非线性都将增大。 差动变气隙电感式传感器 　　为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变气隙电感式传感器。 衔铁上移Δδ：两个线圈的电感变化量ΔL1、ΔL2分别由式（4-10）及式（4-12）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 灵敏度K0为 比较单线圈式和差动式： ① 差动式变间隙电感传感器的灵敏度是单线圈式的两倍。 ② 差动式的非线性项(忽略高次项)： 单线圈的非线性项（忽略高次项)： 由于Δδ/δ0<<1，因此，差动式的线性度得到明显改善。 4.1.3 测量电路 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。 1. 交流电桥式测量电路 同样地，当衔铁下移时： 当衔铁上移时： 变压器式交流电桥 2. 变压器式交流电桥 电桥两臂Z1、Z2为传感器线圈阻抗，另外两桥臂为