《课电感式传感器》PPT课件

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1、第一节自感式电感传感器第二节差动变压器第三节电涡流式传感器第五章电感式传感器电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化，从而导致线圈电感量改变这一物理现象来实现测量的。因此根据转换原理，电感式传感器可以分为自感式和互感式两大类。自感式电感传感器可分为变间隙型、变面积型和螺管型三种类型。一、自感式电感传感器的工作原理（一）变间隙型电感传感器变间隙型电感传感器的结构示意图如图5-1所示。第一节自感式电感传感器图5–1变间隙式电感传感器传感器由线圈、铁心和衔铁组成。工作时衔铁与被测物体连接，被测物体的位移将引起空气隙的长度发

2、生变化。由于气隙磁阻的变化，导致了线圈电感量的变化。线圈的电感可用下式表示：式中，N为线圈匝数；Rm为磁路总磁阻。(5-1)对于变间隙式电感传感器，如果忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为式中，l1为铁心磁路长；l2为衔铁磁路长；S为截面积；µ1为铁心磁导率；µ2为衔铁磁导率；µ0为空气磁导率；δ为空气隙厚度。因此有：(5-2)(5-3)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：(5-4)由上式可以看出传感器的电感值随气隙的增大而减小。为了避免非线性，气隙的相对变化量要很小，但过小又将影响测量范围，所以

3、要兼顾考虑两个方面。（二）变面积型电感传感器由变气隙型电感传感器可知，气隙长度不变，铁心与衔铁之间相对而言覆盖面积随被测量的变化面改变，从而导致线圈的电感量发生变化，这种形式称之为变面积型电感传感器，其结构示意图见下图。通过对式（5-4）的分析可知，线圈电感量L与气隙厚度是非线性的，但与磁通截面积A却是成正比，是一种线性关系。特性曲线参见图5-3。（三）螺管型电感式传感器下图为螺管型电感式传感器的结构图。螺管型电感传感器的衔铁随被测对象移动，线圈磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈电感量也因此而变化。线圈电感量的大小与衔铁插入线圈的深度有

4、关。设线圈长度为l、线圈的平均半径为r、线圈的匝数为N、衔铁进入线圈的长度la、衔铁的半径为ra、铁心的有效磁导率为µm，则线圈的电感量L与衔铁进入线圈的长度la的关系可表示为(5-5)以上三种形式的电感式传感器有如下特点：●变间隙型灵敏度较高,但非线性误差较大,且制作装配比较困难.●变面积型灵敏度较前者小,但线性较好,量程较大,使用比较广泛.●螺管型灵敏度较低,但量程大且结构简单易于制作和批量生产,是使用最广泛的一种电感式传感器.(四)差动电感传感器在实际使用中，常采用两个相同的传感线圈共用一个衔铁，构成差动式电感传感器，这样可以提

5、高传感器的灵敏度，减小测量误差。图5-5是变间隙型、变面积型及螺管型三种类型的差动式电感传感器。差动式电感传感器的结构要求两个导磁体的几何尺寸及材料完全相同，两个线圈的电气参数和几何尺寸完全相同。差动式结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对温度变化、电源频率变化等影响，也可以进行补偿，从而减少了外界影响造成的误差。二、自感式电感传感器的测量电路交流电桥是电感式传感器的主要测量电路，它的作用是将线圈电感的变化转换成电桥电路的电压或电流输出。前面已提到差动式结构可以提高灵敏度，改善线性，所以交流电桥也多采用双臂工作形式。通常将传感器作为电

6、桥的两个工作臂，电桥的平衡臂可以是纯电阻，也可以是变压器的二次侧绕组或紧耦合电感线圈。图5-6是交流电桥的常用形式。（一）电阻平衡臂电桥电阻平衡臂电桥如图5-6所示。Z1、Z2为传感器阻抗。R1’=R2’=R’;L1=L2=L;则有Z1=Z2=Z=R’+jwL,另有R1=R2=R。由于电桥工作臂是差动形式，则在工作时，Z1=Z+△Z和Z2=Z-△Z，当ZL→∞时，电桥的输出电压为当ωL＞＞R’时，上式可近似为：（5-7）由上式可以看出：交流电桥的输出电压与传感器线圈电感的相对变化量是成正比的。（5-6）一、差动变压器的工作原理差动变压

7、器的工作原理类似变压器的作用原理。这种类型的传感器主要包括有衔铁、一次绕组和二次绕组等。一、二次绕组间的耦合能随衔铁的移动而变化，即绕组间的互感随被测位移改变而变化。由于在使用时采用两个二次绕组反向串接，以差动方式输出，所以把这种传感器称为差动变压器式电感传感器，通常简称差动变压器。第二节差动变压器差动变压器工作在理想情况下（忽略涡流损耗、磁滞损耗和分布电容等影响），它的等效电路如图5-8所示。图U1为一次绕组激励电压；M1、M2分别为一次绕组与两个二次绕组间的互感：L1、R1分别为一次绕组的电感和有效电阻；L21、L22分别为两个二

8、次绕组的电感；R21、R22分别为两个二次绕组的有效电阻。对于差动变压器，当衔铁处于中间位置时，两个二次绕组互相相同，因而由一次激励引起的感应电动势相同。由于两个二次绕组反向串接，所以差动输出电动势为零。当衔铁移向二次绕