课题4 电感式传感器及其应用（课件）- 《传感器与检测技术应用》同步教学（北京理工大学版）

课题4 电感式传感器及其应用 任务1 自感式传感器 任务2 差动变压器式传感器 任务3 电涡流传感器 任务4 知识扩展—一次仪表与4~20 mA二线制输出方式 任务5 电感式传感器实项目实训—电感式接近开关 返回 任务1 自感式传感器 自感式传感器(也叫变磁阻式电感传感器)是利用自感量随气隙变化而改变的原理制成的，可直接用来测量位移量，主要由线圈、铁芯、衔铁等部分组成。自感式传感器主要有闭磁路变隙式和开磁路螺线管式，它们又都可以分为单线圈式与差动式两种结构形式。 4.1.1工作原理 如图4 -2所示，由电工知识可知，线圈的自感量等于线圈中通入单位电流所产生的磁链数，即线圈的自感系数L =Ψ/I= NΦ/I(H)。Ψ= NΦ为磁链， Φ为磁通(Wb) ,I为流过线圈的电流(A) , N为线圈匝数。 下一页 返回 任务1 自感式传感器 根据磁路欧姆定律: Φ =μNIS/l , μ为磁导率，S为磁路截面积，l为磁路总长度。令R m= l/μS为磁路的磁阻，可得线圈的电感量为 如把铁芯和衔铁的磁阻忽略不计，则式(4一1)可改写为 式中，S0为气隙的等效截面积; μ0为空气的磁导率。 上一页 下一页 返回 任务1 自感式传感器 自感式传感器实质上是一个带气隙的铁芯线圈。按磁路几何参数变化，自感式传感器有变气隙式、变面积式与螺管式三种，前两种属于闭磁路式，螺管式属于开磁路式，如图4-3所示。 1.变气隙式(闭磁路式)自感式传感器 变气隙式自感式传感器结构原理如图4 -4所示。图4 -4(a)为单边式，它们由铁芯、线圈、衔铁、测杆及弹簧等组成。由式(4 -2)可知，变气隙长度式传感器的线性度差、示值范围窄、自由行程小，但在小位移下灵敏度很高，常用于小位移的测量。 同样由式(4 -2)可知，变截面式传感器具有良好的线性度、自由行程大、示值范围宽，但灵敏度较低，通常用来测量比较大的位移。 上一页 下一页 返回 任务1 自感式传感器 为了扩大示值范围和减小非线性误差，可采用差动结构，如图4 -4(b)所示。将两个线圈接在电桥的相邻臂，构成差动电桥，不仅可使灵敏度提高一倍，而且使非线性误差大为减小。如当△x/l0 = 10%时，单边式非线性误差小于10%，而差动式非线性误差小于1%。 2.螺线管式(开磁路式)自感式传感器 螺线管式自感式传感器常采用差动式。如图4 -5所示，它是在螺线管中插入圆柱形铁芯而构成的。其磁路是开放的，气隙磁路占很长的部分。有限长螺线管内部磁场沿轴线非均匀分布，中间强，两端弱。插入铁芯的长度不宜过短也不宜过长，一般以铁芯与线圈长度比为0.5,半径比趋于1为宜。 上一页 下一页 返回 任务1 自感式传感器 铁磁材料的选取决定于供桥电源的频率，500 Hz以下多用硅钢片，500 Hz以上多用薄膜合金，更高频率则选用铁氧体。从线性度考虑，匝数和铁芯长度有一最佳数值，应通过实验选定。 从结构图可以看出，差动式电感传感器对外界影响如温度的变化、电源频率的变化等基本上可以互相抵消，衔铁承受的电磁吸力也较小，从而减小了测量误差。从输出特性曲线(如图4 -6所示)可以看出，差动式电感传感器的线性较好，且输出曲线较陡，灵敏度约为非差动式电感传感器的两倍。 上一页 下一页 返回 任务1 自感式传感器 4.1.2自感式传感器的测量电路 自感式传感器的测量电路用来将电感量的变化转换成相应的电压或电流信号，以便供放大器进行放大，然后用测量仪表显示或记录。 自感式传感器的测量电路有交流分压式、交流电桥式和谐振式等多种，常用的差动式传感器大多采用交流电桥式。交流电桥的种类很多，差动形式工作时其电桥电路常采用双臂工作方式。两个差动线圈Z1和Z2分别作为电桥的两个桥臂，另外两个平衡臂可以是电阻或电抗，或者是带中心抽头的变压器的两个二次绕组或紧藕合线圈等形式。 上一页 下一页 返回 任务1 自感式传感器 1.变压器交流电桥 采用变压器副绕组作平衡臂的交流电桥如图4 -7所示。因为电桥有两臂为传感器的差动线圈阻抗Z1和Z2 ，所以该电路又称为差动交流电桥。 设O点为电位参考点，根据电路的基本分析方法，可得到电桥输出电压 为 上一页 下一页 返回 任务1 自感式传感器 当传感器的活动铁芯处于初始平衡位置时，两线圈的电感相等，阻抗也相等，即Z10= Z20 = Z0，其中Z0表示活动铁芯处于初始平衡位置时每一个线圈的阻抗。由式(4-3)可知，这时电桥输出电压 = 0，电桥处于平衡状态。 当铁芯向一边移动时，则一个线圈的阻抗增加，即Z1= Z0 + △Z，而另一个线圈的阻抗减小， Z2= Z0 - △ Z，代入式(4一3)得 上一页 下一页 返回 任务1 自感式传感器 当传感器线圈为高口值