第7章 电感式传感器（课件）- 《传感器与检测技术(第二版)》同步教学（重庆大学版）

1.掌握三种电感式传感器工作原理及结构性能　　　 2.掌握其测量电路 3.了解电感式传感器的应用 第七章 电感式传感器 传感器与检测技术 返回课程索引 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。 第七章 电感式传感器 分类: 电感式传感器 自感式 互感式 变气隙间距型 变气隙截面积型 螺管型 可变磁阻型 涡流式 高频反射型 低频透射型 差动变压器 感应同步器 7.1 自感式电感传感器 1、工作原理 线圈自感L与气隙δ成反比，而与气隙导磁截面积A成正比。 第七章 电感式传感器 根据法拉第的电磁感应定律，线圈的电感值可按下式计算 由于改变δ或A，都是使空气隙的磁阻发生变化，因此自感式传感器也称为变磁阻式传感器。 7.1 自感式传感器 7.1.1变气隙厚度式自感传感器 当衔铁产生位移时，空气隙厚度δ发生变化，从而使电感值发生变化。 灵敏度 由图可以看出，L＝f（δ）是非线性的。 δ L δ0 L0 0 7.1 自感式传感器 利用泰勒展开式 经线性化后灵敏度 当衔铁位移Δδ<<δ0 时，可用泰勒展开式对上式进行线性化处理 当Δδ较小时，输出的线性度较高，但是随着Δδ的增大，非线性误差急剧增大。 由于输出特性的非线性和衔铁上、下向移动时电感量正、负变化量的不对称性，使得变气隙型传感器只能工作在很小的区域内，只能用于微小位移的测量：0.001～1mm 。 灵敏度K和非线性误差均与初始气隙的厚度δ0成反比，即初始气隙的厚度越小，灵敏度越高，非线性误差也越大。 由此可见，对于变气隙型电感式传感器，提高灵敏度与减小非线性误差是矛盾的。 7.1 自感式传感器 7.1 自感式传感器 在实际工作中，为了提高测量灵敏度和减小非线性误差，通常采用差动结构。 将这两个差动线圈接入相应的测量电路，测量电路的输出与两个差动线圈电感量的总变化量ΔL＝ΔL1-ΔL2 成正比。 7.1 自感式传感器 灵敏度： 当构成差动式电感传感器时，输出与不存在偶次项，因此差动式电感传感器的非线性明显改善。 7.1.2螺管式自感传感器 7.1 自感式传感器 结构简单、制造容易，但灵敏度低，适用于较大位移(数毫米)测量。 工作原理：衔铁随被测体沿轴向移动，磁路的磁阻发生变化，从而使线圈的电感量发生变化。 单螺管型 线圈的电感量取决于衔铁插入的深度x，而且随着衔铁插入深度的增加而增大。 7.1 自感式传感器 当衔铁的插入长度x增加△x时，单线圈螺线管型自感式传感器的灵敏度为 实际上由于线圈内部的磁场是不均匀的，电感量的增量ΔL与△x存在着一定的非线性。 为提高灵敏度和线性度，螺线管型自感式传感器常采用差动结构。 7.1 自感式传感器 双螺管型差动型 等效电路 将传感器两线圈接于电桥的相邻桥臂时，其输出灵敏度可提高一倍，并改善了非线性特性，补偿干扰影响。 特性曲线 差动式结构的灵敏度比单线圈结构的灵敏度提高了约一倍。 差动式结构的线性要比单线圈结构的线性好，非线性误差约减小一个数量级。 在差动式结构中，由于两个电感线圈对称放置，其工作条件基本相同，对衔铁的电磁吸力在很大程度上可以互相抵消，温度变化、电源波动、外界干扰的影响也可在很大程度上可相互抵消。 7.1 自感式传感器 7.1.3变面积式自感传感器 7.1 自感式传感器 灵敏度 工作原理：变截面型自感式传感器的结构如图所示，衔铁上下移动时，将使气隙截面积A发生变化，从而使线圈的电感量L发生变化。 7.1 自感式传感器 差动变面积型 变面积式自感传感器常用于角位移的测量。 采用差动结构可以提高灵敏度约一倍左右。 采用差动结构不会减小非线性误差。 灵敏度为常数 输出特性为线性，因此测量范围大。 要提高灵敏度，气隙厚度δ不能过大。 变气隙截面积型自感式传感器的特点： 7.1.4、自感式传感器的测量电路 传感器线圈不仅具有电感，而且线圈导线具有一定的电阻，因此自感传感器的线圈可以用复阻抗Z等效，常用测量电路有交流电桥、变压器式交流电桥、谐振电路。 交流电桥 将直流电桥的电阻R用阻抗Z代替，阻抗写成矢量形式，则交流电桥平衡条件为：                                                                 7.1 自感式传感器 交流电桥有不同的组合，常用的有电容、电感电桥，其相邻两臂接入电阻，而另外两臂接入相同性质的阻抗，例如都是电容或电感。 a) 电容电桥 b)电感电桥 7.1 自感式传感器 纯电阻的交流电桥，为了减小导线之间形成的分布电容的影响，也须进行电阻和电容的平衡调节。 交流电阻电桥 7.1 自