第4章电感式传感器(教学用).ppt

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1、4.1自感式电感传感器4.2差动变压器式传感器4.3电涡流式传感器第4章电感式传感器第4章电感式传感器电感式传感器的工作基础：电磁感应即利用线圈电感或互感的改变来实现非电量测量。分为自感式、互感式、电涡流式等特点：工作可靠、寿命长灵敏度高，分辨力高精度高、线性好性能稳定、重复性好各种电感式传感器非接触式位移传感器测厚传感器电感粗糙度仪接近式传感器4.1自感式电感传感器一、工作原理变磁阻式传感器的结构如下图所示。它由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成。在铁芯和衔铁之间有气隙,气隙厚度为δ,传

2、感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时,气隙厚度δ发生改变,引起磁路中磁阻变化,从而导致电感线圈的电感值变化,因此只要能测出这种电感量的变化,就能确定衔铁位移量的大小和方向。上式中:L——该元件的自感或电感；Ψ——线圈总磁链;I——通过线圈的电流;W——线圈的匝数;Φ——穿过线圈的磁通。由磁路欧姆定律,得：根据电感定义,线圈中电感量可由下式确定:式中:Rm——磁路总磁阻。引入知识环形线圈如下图，其中媒质是均匀的，磁导率为，试计算线圈内部的磁通。根据安培环路定律，有设磁路的平均长度为l，则有SxHxIW匝环形线圈如下图

3、，其中媒质是均匀的，磁导率为，试计算线圈内部的磁通。式中：F=WI——磁通势，由其产生磁通；Rm——磁阻，表示磁路对磁通的阻碍作用；l——为磁路的平均长度；S——为磁路的截面积。即有：2.磁路的欧姆定律若某磁路的磁通为，磁通势为F，磁阻为Rm，则此即磁路的欧姆定律。磁路磁通势F磁通磁阻电路电动势E电流密度J电阻磁场强度H电流IWI+_EIR对于变隙式传感器,因为气隙很小,所以可以认为气隙中的磁场是均匀的。若忽略磁路磁损,则磁路总磁阻为式中:μ1——铁芯材料的导磁率;μ2——衔铁材料的导磁率;L1——磁通通过铁芯的长度;

4、L2——磁通通过衔铁的长度;A1——铁芯的截面积;A2——衔铁的截面积;μ0——空气的导磁率;由磁路欧姆定律,得：式中:Rm——磁路总磁阻。A0——气隙的截面积;δ——气隙的厚度。通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻,即：则上式可近似为：又因为：所以：并且上式表明,当线圈匝数为常数时,电感L仅仅是磁路中磁阻Rm的函数,只要改变δ或A0均可导致电感变化,因此自感式传感器又可分为变气隙厚度δ的传感器和变气隙面积A0的传感器。使用最广泛的是变气隙厚度δ式电感传感器。二、输出特性由上式可知，变气隙厚度（变隙）式电感传感器的L与

5、δ之间是非线性关系，特性曲线如下图所示。设电感传感器初始气隙为δ0,初始电感量为L0,衔铁位移引起的气隙变化量为Δδ,当衔铁处于初始位置时,初始电感量为：当衔铁上移Δδ时,传感器气隙减小Δδ,即δ=δ0-Δδ,则此时输出电感为L=L0+ΔL,则：电感的变化量为：电感的变化量为：则：，当时，可将上式展开成泰勒级数形式：同理，当衔铁向下移动Δδ时，传感器的气隙将增大，即为：同理，当衔铁向下移动Δδ时，传感器的气隙将增大，即为：这时的电感量为：电感的变化量为：则：，当可将上式展开成级数：当衔铁上移Δδ时：当衔铁向下移动Δδ时：对上两式作线

6、性处理，即忽略高次项后，可得则ΔL与Δδ近似成比例关系，因此高次项的存在是造成非线性的原因。忽略高次项后，可得则ΔL与Δδ近似成比例关系，因此高次项的存在是造成非线性的原因。但是，当气隙相对变化Δδ/δ0很小时，高次项将迅速减小，非线性可以得到改善，然而这又会使传感器的测量范围（即衔铁的允许工作位移）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。因此变隙式电感式传感器适用于测量微小位移的场合，一般对于变气隙长度电感传感器，为了得到较好的线性特性，取Δδ/δ0=0.1～0.2，这时L=f(δ)可近似看作一条直线。忽

7、略高次项后，可得：灵敏度为：为了减小非线性误差,实际测量中广泛采用差动变隙式电感传感器。差动变隙式电感传感器由上图可知,差动变隙式电感传感器由两个相同的电感线圈1、2合用一个衔铁和相应的磁路组成,测量时,衔铁通过导杆与被测位移量相连。当被测体上下移动时,导杆带动衔铁也以相同的位移上下移动,使两个磁回路中磁阻发生大小相等,方向相反的变化,导致一个线圈的电感量增加,另一个线圈的电感量减小,形成差动形式。差动变隙式电感传感器当衔铁往上移动Δδ时,两个线圈的电感变化量ΔL1、ΔL2分别是：差动变隙式电感传感器当差动使用时,两个电感线圈接成交

8、流电桥的相邻桥臂,另两个桥臂由电阻组成,电桥输出电压与ΔL有关,其具体表达式为：对上式进行线性处理，忽略高次项得：灵敏度K0为:对上式进行线性处理，忽略高次项得：灵敏度K0为：比较单线圈和差动两种变间隙式电感传感器的特性,可以得到如下