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1、第5章变磁阻式传感器5.1电感式传感器（自感式传感器）5.2差动式电感传感器5.3差动变压器式传感器（互感式传感器）5.4电动式传感器电感式传感器应用实例习题利用电磁感应原理将被测非电量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈自感量L或互感量M的变化,再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出,这种装置称为电感式传感器。电感式传感器具有结构简单,工作可靠,测量精度高,零点稳定,输出功率较大等一系列优点。其主要缺点是灵敏度、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。这种传感器能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
2、采用。电磁感应被测非电量自感系数L互感系数M测量电路U、I、fa)变气隙型b)变面积型c)螺管型自感式传感器原理图电感式传感器的结构原理图如图所示。它由线圈1、铁芯2和衔铁3三部分组成,在铁芯和衔铁之间留有空气隙δ。被测物与衔铁相连,当被测物移动时通过衔铁引起空气隙变化,改变磁路的磁阻,使线圈电感量变化。电感量的变化通过测量电路转换为电压、电流或频率的变化,从而实现对被测物位移的检测。5.1变气隙式电感传感器气隙变小，电感变大，电流变小F根据磁路定理（5.1）(5.2）式中,R1、R2和Rδ分别为铁芯、衔铁和空气隙的磁阻。(5.3)式中，l1、l2和δ分别为磁通
3、通过铁芯、衔铁和气隙的长度(m),S1、S2和S分别为铁芯、衔铁和气隙的横截面积(m2),μ1、μ2和μ0分别为铁芯、衔铁和空气的导磁率(H/m)。μ0=4π×10-7H/m。将(5.2)、(5.3)式代入(5.1)式,考虑到一般导磁体的导磁率远大于空气的导磁率(大数千倍乃至数万倍),即有当线圈的匝数为N,流过线圈的交流电的有效值为I（A）,磁路磁通为Φ(Wb),则电感量自感式传感器的工作原理得如果S保持不变，则L为δ的单值函数，构成变气隙式自感传感器，常用来测量线位移。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，常用于测量角位移。电感传
4、感器特性曲线如下图:L=f（S）L=f（δ）δLAL=f(δ)为非线性关系。当δ＝0时，L为∞，考虑导磁体的磁阻，当δ＝0时，并不等于∞，而具有一定的数值，在δ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。衔铁下移以变气隙式自感传感器为例说明输出特性δ线圈铁芯衔铁Δδ忽略高次项：衔铁上移忽略高次项：可以看出,当忽略高次项时,ΔL才与Δδ成比例关系。当然,Δδ/δ0越小,高次项迅速减小,非线性可得到改善。然而,这又会使传感器的量程变小。所以,对输出特性线性度的要求和对测量范围的要求是相互矛盾的,一般对
5、变气隙长度的传感器,取Δδ/δ0=0.1~0.2。为了减小非线性误差,提高灵敏度，实际测量中广泛采用差动电感传感器。采用两个相同的传感线圈共用一个衔铁，两个线圈的电气参数和几何尺寸要求完全相同。这种结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对温度变化、电源频率变化等的影响也可以进行补偿，从而减少了外界影响造成的误差。5.2差动式电感传感器下图是变气隙型、变面积型及螺管型三种类型的差动式自感传感器的结构示意图。当衔铁3移动时，一个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减少，形成差动形式。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
6、（b）变面积型（c）螺管型差动式电感传感器如图5.2(a)所示。图5.2(b)为其电路接线图。传感器的两只电感线圈接成交流电桥的相邻的两臂,另外两个桥臂由电阻组成。螺管形结构的差动电感传感器,工作原理与此相同。图5.2差动式电感传感器(a)结构原理图；(b)电路接线图在起始位置时,衔铁处于中间位置,两边的气隙相等,两只线圈的电感量相等,电桥处于平衡状态,电桥的输出电压Usc=0。当衔铁偏离中间位置向上或向下移动时,两边气隙不等,两只电感线圈的电感量一增一减,电桥失去平衡。电桥输出电压的幅值大小与衔铁移动量的大小成比例,其相位则与衔铁移动方向有关。假定向上移动时输
7、出电压的相位为正,而向下移动时相位将反向180°为负。因此,如果测量出电压的大小和相位,就能决定衔铁位移量的大小和方向。变气隙型差动式自感传感器(习题2推导)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。自感式传感器的测量电路常用电阻平衡臂交流电桥由图5.2知,假定电桥输出端的负载为无穷大,则得输出电压由于两线圈结构完全对称,由(5.4)式知在平衡位置时式中,R0为线圈的铜电阻。当某一时刻,设衔铁向上位移,则上下两边气隙不等,阻抗也随之改变,上边增加了ΔΖ1=
8、jωΔL1,下边减少了Δ
