第06章 电感式

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1、第6章电感式传感器电感式传感器可分为两大类：根据工作原理亦可分为：自感式传感器互感式传感器变磁阻式传感器变压器式传感器涡流式传感器6.1.1工作原理6.1自感式电感传感器线圈电感值计算：线圈匝数I为线圈中所通交流电的有效值。磁通磁链总磁阻两式联立得:δ线圈铁芯衔铁Δδ若气隙厚度δ较小，可以认为空气隙磁场是均匀的，忽略磁路铁损，则总磁阻为磁路中铁芯，空气隙和衔铁的磁阻之和，即式中l1——磁通通过铁芯的长度；S1——铁芯横截面积；μ1——铁芯的磁导率；l2——磁通通过衔铁的长度；S2——衔铁横截面积；μ2——衔铁的磁导率；δ——空气隙厚度；S0——空气隙横截面积；μ0——空气的磁导率；因为

2、铁芯和衔铁为导磁性材料，其磁阻与空气隙磁阻相比很小，即：有：如果S保持不变，则L为δ的单值函数，构成变气隙δ厚度式传感器若保持δ不变，使S0随被测量（如位移）变化，则构成变气隙面积式自感传感器δ，SLL=f(S)L=f(δ)图6-2电感传感器特性衔铁下移6.1.2变气隙厚度式自感传感器的输出特性假设初始气隙为δ0，则初始电感为:δ线圈铁芯衔铁Δδ忽略高次项：电感相对变化衔铁上移忽略高次项：a）灵敏度和线性度之间存在矛盾，即δ0减小时，灵敏度K提高，但非线性误差δL增加。b)为保证一定的线性度，一般空气的气隙只能在较小的范围内变化微小的位移Δδ，因此只适用于较小位移的检测，如果要测较大位

3、移，可采用螺管形式的电感传感器。c)为减小非线性误差实际测量中广泛采用差动结构（两个线圈，一个可动衔铁），灵敏度是原来的两倍，非线性误差大大降低。结论：6.1.3螺管式自感传感器图6-3螺管式电感传感器1工作原理属于一种开磁路结构形式，铁芯在线圈中伸入长度的变化引起磁阻的变化，从而引起螺管线圈电感值的变化。其沿着轴向的磁场强度H为还可看出，只有在线圈中段才有较好的线性关系，这时H的变化比较小。图6-4螺线管线圈内磁场分布2.特性分析1）对长度为l，半径为r的W匝单层线圈，铁芯未插入，其电感为2）铁芯全部插入3）若铁芯插入线圈长度lc4)当插入的铁芯变化∆lc（伸入）时电感的变化量为相对

4、变化量图6-5差动式自感传感器1-线圈2-铁芯3-衔铁4-导杆（a）变气隙型432131412344（b）变面积型（c）螺管型由两只完全对称的单磁路自感电感传感器合用一个活动衔铁组成。6.1.4差动式自感传感器变气隙型差动式自感传感器衔铁下移：δ衔铁R1R2L2L1忽略高次项：提高一倍上式中不存在偶次项，显然差动式自感传感器的非线性误差在±Δδ工作范围内要比单个自感传感器的小得多。差动式与单线圈电感式传感器相比，具有下列优点：①线性好；②灵敏度提高一倍，即衔铁位移相同时，输出信号大一倍；③温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度的影响，由于能互相抵消而减小；④电磁吸力对测力变化的影响

5、也由于能相互抵消而减小。6.1.5自感式传感器的等效电路实际传感器中，线圈不可能是纯电感，它包括线圈的铜损电阻RC；铁芯的涡流损耗电阻Re；由于线圈和测量设备电缆的接入，存在线圈固有电容和电缆的分布电容，用集中参数C表示。图6-6等效电路ZCLRcRe设RS=RC+Re,为总等效损耗电阻，则等效阻抗等效电感6.1.6自感式传感器的测量电路1.交流电桥式测量电路图6-7交流电桥设初始时Z1=Z2=Z=RS+jωL；R1=R2=R；L1=L2=L0。ZLR1R2Z2Z1对差动变气隙式自感传感器：可见，电桥输出电压与Δδ有关，相位与衔铁移动方向有关。由于是交流信号，还要经过适当电路（如相敏检

6、波电路）处理才能判别衔铁位移的大小及方向。当线圈的品质因数Q很高时432175502505075100L/mHδ/mm100251234-ΔδΔδ1、2为两线圈的电感特性，3为两线圈差接时的电感特性，曲线4为差接后电桥输出电压与位移间的特性曲线。说明：电桥输出电压的大小与衔铁的位移量Δδ有关，相位与衔铁的移动方向有关。若设衔铁向上移动Δδ为负，则U0为负；衔铁向下移动Δδ为正，则U0为正，相位差180°。图6-8变压器交流电桥电桥A点的电位为：B点电位为2.变压器式交流电桥DABZ1Z2IC~初始位置衔铁下移衔铁上移若线圈的Q值很高，损耗电阻可忽略，则当衔铁向上，向下移动形同的距离时，

7、产生的输出电压大小相等，但极性相反。由于输出是交流电压，必须配合相敏检波电路才可判断位移的方向。分为：谐振式调幅电路和谐振式调频电路。调幅电路特点：此电路灵敏度很高，但线性差，适用于线性度要求不高的场合。图6-9谐振式调幅电路3.谐振式测量电路调频电路：振荡频率。当L变化时，振荡频率随之变化，根据f的大小即可测出被测量的值。具有严重的非线性关系。图6-10谐振式调频电路6.2.1工作原理变压器式传感器的工作原理是利用电磁感应中的互感现象，将被