第4章 电感式传感器

电感式传感器

第四章 电感式传感器

2011-9-1

电感式传感器

概述 电感式传感器(Inductance sensor)是一种 机电转换装置。 是利用电磁感应原理将 被测电量转换成线圈自感量或互感量的 变化，进而由测量电路转换为电压或电 流的变化量。 可用来测量位移、压力、 流量、振动等非电量信号 按传感器结构可分为： 自感式、互感式、电涡流式。2011-9-1 2

电感式传感器

特点 结构简单、工作可靠； 灵敏度高，能分辨0. 01µm的位移变化； 测量精度高、零点稳定、输出功率较大； 可实现信息的远距离传输、记录、显示和控制， 在工业自动控制系统中被广泛采用； 主要缺点有:– 灵敏度、线性度和测量范围相互制约； – 传感器自身频率响应低，不适用于快速动态测量。

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电感式传感器

非接触式位移传感器

电感粗糙度仪

差动传感器

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电感计数器 测厚传感器 4 振动传感器

电感式传感器

§4-1 自感式传感器 4.1.1 工作原理 结构: 由线圈、铁芯、衔铁三部分组成。 铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为lδ ; 传感器运动部分与衔铁相连，衔铁移动时lδ 发 生变化，引起磁路的磁阻Rm变化，使电芯线圈的 电感值L变化；只要改变气隙厚度或气隙截面积 就可以改变电感。

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1

2

0.5lδ 3 (a)气隙式 (b)变截面式

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电感式传感器

线圈的电感可用下式表示：N2 L= Rm

式中，N为线圈匝数；Rm为磁路总磁阻 (铁芯、衔铁磁阻和空气隙磁阻)(H-1) 。 对于变间隙式电感传感器，如果忽略磁路 铁损，则磁路总磁阻为

lδ N2 l1 l2 Rm = = + + L µ1S1 µ 2 S 2 µ 0 Sl1:铁芯磁路总长；l2:衔铁的磁路长；S:气隙磁通截面积； S1:铁芯 横截面积；S2:衔铁横截面积；µ1:铁芯磁导率；µ2:衔铁磁导率；µ0: 真空磁导率，µ0=4π×10-7H/m; lδ:空气隙总长。7

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一般情况下，导磁体的磁阻与空气隙磁阻相比是 很小的，因此线圈的电感值可近似地表示为

N 2 µ0 S L= lδ可见，自感L是气隙截面积和长度的函数，即 L=f(S,lδ) 如果S保持不变，则L为lδ的单值函数，构成变隙 变隙 式自感传感器；若保持lδ不变，使S随位移变化， 式自感传感器 变截面式自感传感器。 则构成变截面式自感传感器 变截面式自感传感器2011-9-1 8

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L=f(lδ)为非线性关系。当lδ =0时，L为∞,考虑导磁体 的磁阻，当lδ=0时，并不等 于∞,而具有一定的数值， 在lδ较小时其特性曲线如图 中虚线所示。如上下移动衔 铁使面积S改变，从而改变L 值时,则L=f(S)的特性曲线为 一直线。

L L=f(S) ( )

L=f(lδ) ( lδ S

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4.1.2 自感线圈的等效电路假设自感线圈为一理想纯电感，但实际传 感器中包括：线圈的铜损电阻 线圈的铜损电阻(Rc)、铁

芯的 线圈的铜损电阻 铁芯的 涡流损耗电阻(Re)和线圈的寄生电容 线圈的寄生电容(C)。 涡流损耗电阻 线圈的寄生电容 因此，自感传感器的等效电路如下图。Rc C Re2011-9-1

L10

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1、交流电桥

4.1.3 测量电路Z1 L1 L2 Z2 RS1 ZL USC RS2 R2 R1

交流电桥是自感传感器的主要测量电路， 为了提高灵敏度，改善线性度，自 感线圈一般接成差动形式，如图。 Z1、Z2为工作臂，即线圈阻抗，R1、 R2为电桥的平衡臂。Z1 R1 电桥平衡条件： Z = R 2 2

E

设Z1=Z2=Z=RS+jωL;R1=R2=R; RS1=RS2=RS; L1=L2=L E为桥路电源，ZL是负载阻抗。工作时， Z1=Z+ΔZ和Z2=Z-ΔZ

交流电桥原理图

U SC = E2011-9-1

Z ZL Z 2Z L + R + Z

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当ZL→∞时U SC

Z E RS + jω L =E = 2 Z 2 RS + jωL

其输出电压幅值U SC =2 ω 2 L2 + RS 2 2 RS + (ωL ) 2

E≈

ω L2 2 RS + (ωL ) 2

E

输出阻抗

( R + RS ) + (ωL ) Z= 222011-9-1

2

电感式传感器

U SC

1 RS L E 1 1 L RS = 2 Q R + L + j Q L R 2 1 S S 1 + 2 Q

Q=

ωLRS

为自感线圈的品质因数。

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结论1.桥路输出电压Usc包含与电源E同相和正交两个分量。 在实际测量中，只希望有同相分量，如能使 L RS = L RS

或Q值比较大，均能达到此目的。但在实际工作时， △RS/RS一般很小，所以要求线圈有高的品质因数。 当Q值很高时， USC

2.当Q值很低时，自感线圈的电感远小于电阻，电感线圈 相当于纯电阻( Z=Rs),交流电桥即为电阻电桥。例 如，应变测量仪就是如此，此时输出电压 U SC =E RS 。 2 RS

E L = 2 L

该电桥结构简单，其电阻R1、R2可用两个电阻和一个电位 器组成，调零方便。2011-9-1 14

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2、变压器电桥 它的平衡臂为变压器的两个二次侧绕组，当负载 阻抗无穷大时,流入工作臂的电流为

E I= Z1 + Z 2输出电压U SC E E E Z1 Z 2 = Z2 = Z1 + Z 2 2 2 Z1 + Z 2

初始Z1=Z2=Z=RS+jωL,故平衡时，USC=0。双臂 工作时，设Z1=Z– Z,Z2=Z+ Z,相当于差动式自 感传感器的衔铁向一侧移动，则2011-9-1 15

电感式传感器

E Z U SC = 2 Z 同理反方向移动时U SC E Z = 2 Z

I E/2 E E/2 Z2 USC

Z1

变压器电桥原理图

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