第3章-电感式传感器.ppt

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1、第3章电感式传感器教学内容本章阐述电感式传感器的工作原理；电感式传感器的结构；电涡流式传感器的原理以及测量电路。教学重点1．变磁阻式传感器2．差动变压器式传感器3．电涡流式传感器●磁路的基本概念与基本定律由磁性材料、磁性元件及线圈绕组组成的一个磁的通路1、磁路磁路长度L3.1自感式（变磁阻式）传感器2、磁路分析中的基本量⑴、磁动势磁路绕组中通过的电流与绕组匝数的乘积称为该绕组产生的磁动势.W安匝⑵、磁压降（磁位差）磁路中某一段的长度与该段的磁场强度的乘积称为该段磁路的磁压降（磁位差）3、磁路的欧姆定律－磁阻磁路中各要素的关系有下列对应关系电磁

2、UcUg两者为形式上相似，有本质上的差别电路磁路能量耗散能量储存电阻率为常数磁导率随磁场变化近似计算RmcRmgWIWI铁芯磁阻气隙磁阻磁动势磁通与磁场的关系RmcRmgWIWI由有铁芯磁场气隙磁场WIlglc磁路中储能通常的铁磁材料因此有两者之比通常都有气隙中储能为铁心中的１００－１０００倍因此电感式传感器是以电和磁为媒介，利用磁场的变化引起线圈的电感量或互感量的变化，把非电量转换为电量的装置。它们能把输入的物理量，如位移、振动、加速度、力、压力、扭矩以及流量等转换成电量。它也是非电量检测中应用比较广泛的一类传感器。电磁感应被测非电量自感系

3、数L互感系数M测量电路U、I、f电感式传感器种类较多，本章介绍变磁阻式电感传感器、差动变压器式传感器、电涡流式传感器的原理及其应用。电感式传感器与其它类型的传感器相比，有如下显著的特点：灵敏度高、分辨力高（能测0.1μm的机械位移，能感受非常小的小角度变化）、线性较好（非线性误差可达0.1%）、输出功率大等。其主要缺点是频率响应较低。电感式传感器自感式传感器互感式传感器电涡流式传感器LS变磁阻式传感器是利用线圈自身电感的改变来实现非电量与电量的转换。目前常用的变磁阻式传感器有三种类型：变气隙型、变面积型和螺管插铁型。它们的基本结构包括线圈、铁

4、芯和活动衔铁等三个部分。3.1.2自感式传感器工作原理如图所示为变气隙式电感传感器的结构形式。活动衔铁和铁芯都由截面积相等的高导磁材料做成，线圈绕在铁芯上，衔铁和铁芯间有一气隙。一、变磁路气隙式传感器δ线圈铁芯衔铁Δδ当活动衔铁作纵向位移时，气隙发生变化，从而使铁芯磁路中的磁阻发生变化，磁阻的变化将使线圈的电感量发生变化。这样，活动衔铁的位移量与线圈的电感量之间存在一定的对应关系，只要测出线圈的电感量变化就可以得知位移量的大小。工作原理：式中Ψ——与线圈交链的磁链；Φ——由激励电流产生的磁通量；I——流过线圈的电流；N——线圈匝数。式中，Rm

5、为磁通通过路径的磁阻。从电工学中可知线圈的电感量L为从磁路理论得知，线圈通以电流I后激励的磁通量为上式是磁路的欧姆定律表示式，代入后得：从结构中可知，磁路磁阻由三个部分组成：总的磁阻Rm为RF、串联后与R0并联的结果。但由于漏磁很少，即R0很大，故①线圈外部空间漏磁磁路的磁阻R0；②导磁体（铁芯和衔铁）的磁阻RF；③磁通路径上气隙的磁阻。δ线圈铁芯衔铁Δδ而导磁体磁阻RF由于铁芯和衔铁都是高导磁材料做成的，它与气隙磁阻相比显得很小，故对于变气隙电感传感器，其磁路的磁阻由气隙磁阻所决定，即磁阻的求计公式可近似为δ线圈铁芯衔铁Δδ如果S保持不变，

6、则L为δ的单值函数，构成变气隙式自感传感器若保持δ不变，使S随被测量（如位移）变化，则构成变截面式自感传感器，δ线圈铁芯衔铁ΔδL上式表明，线圈电感量与线圈总匝数N、导磁体横截面积S、空气导磁系数以及气隙总长度有关。当传感器结构一定后，N与S均为定值，气隙总长度的变化将使线圈电感量L发生变化，它们之间的关系如图示。图中可见，L-的关系是非线性的关系。由于实际上=0时，Rm=RF，故，而为一个定值。若衔铁位移很小时，可认为L-的关系为近似线性。输出特性：在初始位置电感量活动衔铁上移此时δ线圈铁芯衔铁Δδ相对变化量电感变化量当同理，活动衔铁下移（

7、气隙增大）电感量当电感变化量相对变化量或★上式告诉我们，当活动衔铁的位移量很小时，线圈的电感变化量（或相对变化量）与位移量有线性关系。变气隙式电感传感器的电感灵敏度为若不考虑高次项为使电感传感器的电感灵敏度提高，可减小气隙，但减小则受　　限制，那么位移测量范围将减小。而且从式中可知，气隙减小时，非线性误差将增大。故一般取=(0.1－0.2)　，而气隙　　=0.1~0.5mm。实际上L-为非线性关系，它的非线性误差为气隙长度保持不变，而改变铁芯与衔铁之间的相对遮盖面积（即气隙磁路截面积）的电感传感器叫变面积型电感传感器。其结构示意图如图所示。a

8、b二、变磁路截面积式电感传感器线圈铁芯衔铁衔铁移动方向δδ线圈铁芯衔铁Δδδ，ALL=f(A)L=f(δ)电感的相对变化变面积式电感传感器线圈电感量的计算也如变气隙