3.电感式传感器及其应用(传感器原理及其应用)(俞阿龙)(南大)

第3章 电感式传感器及其应用

第三章 电感式传感器及其应 用

第3章 电感式传感器及其应用

以电和磁为媒介，利用磁路磁阻变化引起传感器线圈 的电感(自感或互感)变化来检测非电量的机电转换装置。 – 自感式： L变化

– 差动变压器式： M变化

– 电涡流式： L、M变化优点：结构简单、工作可靠、测量精度高。 应用领域：常用来检测位移、振动、力、加速度、应变、

流量等物理量，是应用较广的一类传感器。不足：存在交流零位信号，不宜于高频动态测量。

第3章 电感式传感器及其应用

3.1 自感式传感器

第3章 电感式传感器及其应用

一、结构及工作原理

U A I 1 2

结构组成：线圈1、铁芯2和衔铁3三部分工作过程： 被测物移动→衔铁→空气隙变化→磁 路磁阻改变→线圈电感量变化→输出 电压、电流或频率变化→实现对被测 物位移的检测。被测物与衔铁 相连

3

铁芯和衔铁之间 留有空气隙δ

第3章 电感式传感器及其应用U A I 1 2

工作原理 ：(导出电感L与衔铁位移关系)

设线圈的匝数为N, 流过线圈的电流为I(A),穿过线圈的磁通为 Φ(Wb), 则电感量

3

N L I I根据磁路定理得：

NI NI R1 R2 R Rm

N N 2 L = I I Rm式中, R1、R2和Rδ分别为铁芯、衔铁和空气隙的磁阻， Rm为磁路总磁阻。

第3章 电感式传感器及其应用

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

R1 R2 R 得

N2 N2 L R 2

0 A

N 2 0 A = 2

结论： 线圈匝数N确定之后, 只要气隙长度δ和气隙截面A二 者之一发生变化, 传感器的电感量就会发生变化。 变气隙长度电感传感器：常用来测量线位移 变气隙截面电感传感器： 常用于测量角位移

第3章 电感式传感器及其应用

2铁芯1线圈 2铁芯

3衔铁 δ 衔 铁 移 动 方 向

1线圈

δ

3衔铁 Δ δ

a 变气隙式传感器

b 变截面式传感器

图3.1 自感式传感器结构图

第3章 电感式传感器及其应用

电感传感器的基本工作原理演示

F

气隙变小，电感变大，电流变小

第3章 电感式传感器及其应用

二、自感式传感器灵敏度及特性分析以变气隙长度传感器为例，设自感式传感器初始气隙为δ0,初始电感量为L0,衔铁位移引起的气 隙变化量为Δδ,

L与δ之间是非线性关系，L与A之间是线性关系，特性曲线如图表示。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:

0 AN 2 L0 2 0

N 2 0 A L0 L L0 L 2( 0 ) 1

L L0 0

0

第3章 电感式传感器及其应用

当

0

1

时

L ...... L0 0 0 0

2

3

忽略高次项得

L L 0 0

同理可得，衔铁下移Δδ时，传感器气隙增大Δδ,即δ=δ0+Δδ, 则此时输出电感为L=L0-ΔL,有：

L L 0 0

当忽略高次项时, ΔL 才与Δδ成线性关系

综上所述，设气隙式传感器的灵敏度为K,则有：

L L0 N 2 0 A K 0 2 2

第3章 电感式传感器及其应用

可见： 变气隙式传感器的输出特性是非线性的 ， Δδ/δ0 越小, 高次 项迅速减小, 非线性可得到改善，而△δ/ δ↑,非线性增大; 非线性与测量范围的要求相矛盾，一般取△δ/ δ=0.1~0.2; 增大灵敏度方法：减小δ0 ; △δ↓与△δ ↑引起的△L的变化大小不同，且△δ越大， △L

相差越大。

第3章 电感式传感器及其应用

变面积式自感传感器传感器气隙长度保持不变，令磁通截面积随被测非电量 而变，则此变面积自感传感器自感L为 N 2 0 N2 L A K A 2 2 0 A变面积式自感传感器在忽略气隙磁通边缘效应的条件下，输入 与输出呈线性关系；因此可望得到较大的线性范围。

但是

N 2 0 dL k0 K dA 2

与变气隙式自感传感器相比，其灵敏度降低。

第3章 电感式传感器及其应用

三、差动式自感传感器 两只完全相同的自感线圈合用一个活动衔铁便构成了 差动式电感传感器。 两只完全对称的简单电感传感器合用一个活动衔铁 上、下两个导磁体几何尺寸、形状、材料完全相同 上、下两个的线圈电气参数(R、L、W)完全相同。

δ1 δ2

Usr

Usc

第3章 电感式传感器及其应用

三、差动式自感传感器 当衔铁下移时，有：N 2 0 A L1 = ( 2 0 + ) 2 3 =L0 1 ( ) ( ) 0 0 0

δ1 δ2

Usr

Usc

N 2 0 A L2 = L0 1 ( ) 2 ( )3 ( 2 0 ) 0 0 0 L L2 L1 2 L0 ( )3 0 0

忽略高次项，得： L 2L0 2 灵敏度系数： K N 0 A 2

0

第3章 电感式传感器及其应用

差动式与单线圈电感式传感器相比，具有下列优点： 线性好； 灵敏度提高一倍，即衔铁位移相同时，输出信号大一 倍； 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；

电磁吸力对测力变化的影响也由于能相互抵消而减小。

第3章 电感式传感器及其应用

四、测量电路1、交流电桥 实际应用中，交流电桥常和差动式自感传感器配合使用,

这样既提高了灵敏度

,又改善了线性度。Z1、