3 电感式传感器（课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（清华大学版）

项目三 电感式传感器 项目分析 任务3.1　认识电感式传感器 任务3.2　电感式传感器的应用 知识拓展 项目三　电感式传感器 项目分析 了解电感式传感器 熟悉电感式传感器的应用 能正确使用常用的电感式传感器 任务分析 1 任务一 传感器技术基础 任务3.1 认识电感式传感器 相关知识 2 技能训练 3 任务分析 本任务主要介绍常用的电感式传感器。通过学习，了解常用的电感传感器的基本结构、工作原理及应用特点，初步具备识别各类电感式传感器的能力。 相关知识 电感式传感器具有结构简单、工作可靠、灵敏度高、分辨率大，线性度好。能测出0.1微米甚至更小的机械位移变化，可以把输入的各种机械物理量如位移、振动、压力、应变、流量、比重等参数转换成电量输出。其测量的关键是基于物体的位移。 电感式传感器可分为自感式、互感式和电涡流式三大类。自感式传感器是把被测位移量转换为线圈的自感变化；互感式传感器是把被测位移量转换为线圈间的互感变化；电涡流式传感器是把被测位移量转换为线圈的阻抗变化。 1．电感式传感器简述 1）自感式传感器 2．原理和结构 自感式电感传感器工作时，衔铁通过测杆与被测物体相接触，被测物体的位移将引起线圈电感式变化。当传感器线圈接入测量转换电路后，电感的变化将被转换成电压、电流或频率的变化，从而完成非电量到电量的转换。 （1）工作原理 变气隙式自感传感器实质上就是一个带铁心的线圈，见表3—1。线圈1套在固定铁心2上，活动衔铁3与被测物相连，并与铁心保持一个初始气隙δ，铁心材料通常选用硅钢片或坡莫合金。当缠绕在铁心2上的线圈1通过交变电流i时，线圈电感值L为 （3－1） 式中N：线圈的匝数；μ0：空气隙的导磁系数；S0：空气隙截面积；δ：空气隙的厚度。 由公式（3－1）可知，电感线圈结构确定后，电感L与面积S0成正比，与气隙厚度δ成反比。因此，自感式传感器常分为变气隙式与变面积式。 表3－1 自感式传感器结构示意图 变截面式电感传感器当被测量带动衔铁上、下移动时，磁路气隙的截面积将发生变化，从而使传感器的电感发生相应变化。若保持气隙长度为常数，则电感L是气隙截面积S0的函数，故称这种传感器为变面积式电感传感器。 螺管式电感传感器的结构，由一只螺管线圈和一根柱形衔铁组成。当被测量作用在衔铁上时，会引起衔铁在线圈中伸入长度的变化，从而引起螺管线圈电感量的变化。当线圈参数和衔铁尺寸一定时，电感相对变化量与衔铁插入长度的相对变化量成正比，但由于线圈内磁场强度沿轴向分布并不均匀，因而这种传感器输出特性为非线性。对于长螺管线圈且衔铁工作在螺管的中部时，可以认为线圈内磁场强度是均匀的。此时线圈电感量与衔铁插入深度成正比。 （2）结构 自感式电感传感器种类繁多，目前常见的有变隙式、变截面式、螺线管式。 在实际工作中常采用两个完全相同的单个线圈的电感传感器共用一个活动衔铁，构成差动式传感器。自感式电感传感器分为单线圈式和差动式两种结构形式。其结构示意图见表3－1，它由线圈、衔铁和铁心等部分组成。 将活动衔铁置于两个线圈的中间，当衔铁移动时，两个线圈的电感产生相反方向的增减，然后利用后面介绍的测量电路(电桥电路)，将两个电感接入电桥相邻的桥臂，这样可以获得比单个工作方式更高的灵敏度和更好的线性度。而且，对外界影响，如温度的变化、电源频率的变化等也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。 2）差动变压器传感器 这种传感器是利用电磁感应中的互感现象，根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组用差动形式连接，故称差动变压器式传感器。 （1）结构 差动变压器结构形式较多，有变隙式、变面积式和螺线管式等。在非电量测量中，应用最多的是螺线管式差动变压器，它可以测量1~100mm的机械位移，并具有测量精度高、灵敏高、结构简单和性能可靠等优点。 螺线管式差动变压器结构如图3－2所示，它主要由一次线圈、两个二次线圈和活动衔铁等组成。 （2）工作原理 图3－2所示为三节式差动变压器。一次绕组1接励磁电源，形成差动变压器的激励电压，相当于变压器的一次侧；而二次绕组2、3由结构尺寸和参数相同的两个绕组反相串接而成，相当于变压器的二次侧。在理想情况下（忽略绕组寄生电容及衔铁损耗），差动变压器的等效电路如图3－3所示。 （3－2） 式中，u2为差动变压器的输出电压；ω为激励电压的角频率；u1为一次绕组励磁电压；L1为二次绕组励磁电感； R1为一次绕组电阻；M1、M2为一次与二次绕组1、2间的