第五讲电感式传感器

第五讲电感式传感器 河南工业职业技术学院电气工程系一、电感式传感器的工作原理二、电感式传感器的分类三、自感式传感器四、自感式传感器的测量电路五、差动变压器式电感式传感器六、差动变压器的特性七、电感式传感器的应用

一、电感式传感器的工作原理 • 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. 电感式传感器具有工作可靠,寿命长;灵敏度高,分辨率高;精度高、线性好的优点。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。广泛应用于测量位移、振动、压力、应变、流量、比重等方面。

自感式 1、按转换原理分：互感式电涡流式变气隙式 2、按结构形式分：变面积式螺管式二、电感式传感器的分类

线圈铁芯式（2-5-1） l Δl 式（2-5-2）衔铁图2-5-1 自感式传感器三、自感式传感器如图所示为自感式传感器的示意图。根据电感定义, 线圈中电感量可由下式确定: 由磁路欧姆定律, 得：则有：

式（2-5-3） 式（2-5-4）式（2-5-5）因为气隙很小，可以认为气隙中的磁场是均匀的。若忽略磁路磁损，则磁路总磁阻为通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻, 则则有:

图2-5-2 变气隙长度式自感式传感器的 L与l0关系上式表明, 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l0或S0均可导致电感变化, 因此自感式传感器又可分为变气隙长度式传感器(变l0)和变气隙面积式传感器(变S0)。使用最广泛是变气隙长度式电感传感器。 1、变气隙长度式自感式传感器（闭磁路式）图2-5-1所示为变l0式的结构示意图。设初始气隙长度为l0，初始电感量为L0，衔铁位移引起的气隙变化量为Δl0，则由式（2-5-5）可知L与l0为非线性关系，特性曲线如图2-5-2所示。

变气隙长度式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾, 所以变气隙长度式电感式传感器用于测量微小位移时是比较精确的。为了减小非线性误差, 实际测量中广泛采用差动变气隙式电感传感器，采用两个电气参数和几何尺寸完全相同的传感线圈共用一个衔铁来构成。图2-5-3 差动变气隙长度式电感传感器

l0 线圈衔铁移动方向衔铁铁芯图2-5-4 变截面式传感器 2、变气隙面积式自感式传感器（闭磁路式）变截面式传感器具有良好的线性度、自由行程大、示值范围宽，但灵敏度较低，通常用来测量比较大的位移量。

线圈衔铁图2-5-5 螺管式自感式传感器测杆 3、螺管式自感式传感器（开磁路式）螺管式自感式传感器常采用差动式。其磁路是开放的，气隙磁路占很长的部分。有限长螺线管内部磁场沿轴线非均匀分布，中间强，两端弱。螺管式自感传感器结构简单，装配容易，自由行程大，示值范围宽；缺点是灵敏度较低，易受外部磁场干扰。目前，该类传感器随放大器性能提高而得以广泛应用。

三种类型比较： 气隙型自感传感器灵敏度高，它的主要缺点是非线性严重，为了限制线性误差，示值范围只能较小；它的自由行程小，因为衔铁在运动方向上受铁心限制，制造装配困难。截面型自感传感器灵敏度较低，截面型的优点是具有较好的线性，因而测量范围可取大些。螺管型自感传感器的灵敏度比截面型的更低，但示值范围大，线性也较好，得到广泛应用。

图2-5-6 电感电桥 四、自感式传感器的测量电路电感式传感器常用交流阻抗电桥和谐振电路实现信号的转换。 1、电感电桥初始平衡状态，Z1=Z2=Z, u0=0 输出空载电压衔铁偏离中间零点时

传感器衔铁移动方向相反时： 空载输出电压为：只能确定衔铁位移的大小，不能判断位移的方向。为了判断位移的方向，要在后续电路中配置相敏检波器。

图2-5-7 a）非相敏检波 b）相敏检波 1—理想特性曲线 2—实际特性曲线加相敏检波器输出特性曲线

图2-5-8 JGH型电感测厚仪 2、相敏整流电路以JGH型电感测厚仪为例具体分析相敏整流电路。自感传感器的两个线圈L1和L2作为两个相邻的桥臂，电容C1和C2为另外两个桥臂，构成交流不平衡电桥。在电桥的测量对角线输出端接入四只二极管VD1～VD4构成相敏整流器。

当电源电压为正半周时，VD1、VD4导通，负半周时，VD2、VD3导通。当电源电压为正半周时，VD1、VD4导通，负半周时，VD2、VD3导通。电桥输出加在电压表上的电压极性为下正上负。当L1＞L2时当L1＜L2时，电桥输出加在电压表上的电压极性为上正下负。电路作用：辨别衔铁位移方向。 U0的大小反映位移的大小，U0的极性反映位移的方向。

五、差动变压器式电感传感器 互感式传感器：把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化的传感器根据变压器的基本原理制成的。次级绕组采用差动形式连接, 故称差动变压器式传感器。结构形式：差动变压器结构有变隙式、变面积式和螺线管式等, 应用最多的是螺线管式差动变压器, 它可以测量1～100mm范围内的机械位移。

1、螺管式差动变压器 图2-5-9 螺管式差动变压器结构及等效电路图当一次线圈接入激励电源之后，二次线圈就将产生感应电动势，当两者间的互感量变化时，感应电动势也相应变化。

V 反极性串联请将二次线圈N21、N22的有关端点正确地连接起来，并指出哪两个为输出端点。根据互感知识，输出电动势e2为：衔铁处于中间位置衔铁上移衔铁下移

图2-5-10 差动变压器的输出特性 a)理想特性 b)零点残余电压 c)相敏检波后特性 2、差动变压器输出特性在线性范围内，输出电动势随衔铁正、负位移而线性增大。输出含有零点残余电压,根据输出的大小判断位移的大小,但不能辨别位移的方向.

3、零点残余电压 定义：把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压。（x＝0， U0＝e2≠0) 产生原因：（1）两个二次测量线圈的等效参数（电感、电阻）不对称，使其输出的基波感应电动势的幅值和相位不同，调整磁芯位置时，不能达到幅值和相位同时相同。（2）铁芯的B-H特性的非线性，产生高次谐波不同，不能互相抵消。

3、减小零点残余电压措施 （1）在设计和工艺上，力求做到磁路对称，线圈对称，线圈绕制要均匀。铁芯材料要均匀，要经过热处理去除机械应力和改善磁性。（2）采用拆圈的实验方法来减小零点残余电压。（3）在电路上进行补偿。补偿零点残余电压的电路：补偿原理：改变二次侧线圈的阻抗，使两二次输出电压的大小和相位改变，使零点电压最小。

图2-5-11 差动变压器的补偿电路 串联电阻补偿基波分量，并联电容补偿高次谐波。零点残余电压可用相敏整流器或差动整流电路消除。

4、差动变压器的测量电路 差动整流电路电路是以两个桥路整流后的直流电压之差作为输出的，所以称为差动整流电路。它不但可以反映位移的大小（电压的幅值），还可以反映位移的方向。整流器件：二极管及由它们组成的电桥。

b) 全波电流输出 a) 全波电压输出 d) 半波电流输出 c) 半波电压输出图2-5-12 差动整流电路

（1）全波电压输出 不论两个次级线圈的输出瞬时电压极性如何。（不论正负半周）（2）半波电压输出

（3）全波电流输出 (a)、(c)适用于高阻抗负载 (b)、(d)适用于低阻抗负载电阻R0用于调整零点残余电压。

六、差动变压器的特性 1、灵敏度与激励电动势的关系差动变压器在单位电压激励下，铁芯移动一个单位距离时的输出电压，以mV/mm/V表示。激励电动势e1越大，灵敏越高。但e1过大时会使差动变压器线圈发热而引起输出信号漂移，e1可取零点几伏到数伏，常取3～8V。

2、灵敏度与激励电源频率的关系 激励电源频率过高或过低都会使灵敏度降低，通常选4～10kHz。 3、灵敏度与二次线圈匝数的关系二次线圈匝数越多，灵敏度越高，两者成线性关系。但是匝数增加，零点残余电压也随之变大。

图2-5-13 电感测微仪及其电路框图 • a）轴向式测头 b）测量电路框图 • 1-引线 2-线圈 3-衔铁 4-测力弹簧 • 5-导杆 6-密封罩 7-测头七、电感传感器的应用 1、电感测微仪电感式传感器接成桥式电路，并用振荡电路供电。电桥输出的不平衡电压将与衔铁位移成正比。电桥输出的信号比较小，需经交流放大器放大到一定程度才能推动相敏检波器工作。

图2-5-14 微压力变送器结构示意图 1—接头 2—膜盒 3—底座 4—线路板 5—差动变压器 6—衔铁 7—罩壳 8—插头 9—通孔 2、电感式压力传感器图2-5-14为微压力变送器的结构示意图。由膜盒将压力变换成位移，再由差动变压器转换成输出电压。内装电路，可输出标准信号，故称变送器。

图2-5-14 差动变压器式加速度传感器 3、电感式加速度传感器差动变压器式加速度传感器的结构示意图。它由悬臂梁 1 和差动变压器 2 构成。测量时, 将悬臂梁底座及差动变压器的线圈骨架固定, 而将衔铁的A端与被测振动体相连。当被测体带动衔铁以Δx(t)振动时, 导致差动变压器的输出电压也按相同规律变化。 

第五讲 电感式传感器