第4章電感式傳感器1PPT

復習：電磁感應現象：當穿過導體回路的磁通量發生變化時，回路中就產生感應電動勢。自感現象：當一線圈中的電流變化時，它所激發的磁場通過線圈自身的磁通量（或磁通匝鏈數）也在變化，使線圈自身產生感應電動勢。這種因線圈自身電流變化所引起的感應現象叫做自感現象，所產生的電動勢叫做自感電動勢。比例系數L稱為自感系數，簡稱自感，它的大小由線圈的幾何形狀、大小以及匝數所決定，若線圈中有鐵磁質，則還與線圈中的電流及介質的性質有關。互感現象：若有兩個線圈時，當線圈1中的電流變化時，會在它鄰近的另一個線圈中產生感應電動勢；同樣，線圈2中的電流變化時，也會在線圈1中產生感應電動勢。這種現象稱為互感現象，所產生的感應電動勢稱為互感電動勢。比例系數M稱為互感系數，簡稱互感，它的大小由線圈的幾何形狀、大小、匝數以及線圈之間的相對位置所決定，若線圈中有鐵磁質，則還與線圈中的電流及介質的性質有關。4.3電感式傳感器將被測非電量如位移、壓力、流量、振動等轉換成線圈自感L或互感M的變化,再由測量電路轉換為電壓或電流的變化量輸出,實現由非電量到電量的轉換，這種裝置稱為電感式傳感器。按轉換原理分：自感式互感式電渦流式壓磁式4.3.1自感式傳感器（變磁阻式傳感器）一、工作原理及結構類型

1.結構：由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。在鐵芯和銜鐵之間有氣隙,氣隙厚度為δ。

2.工作原理：被測體與銜鐵相連，被測體的運動引起銜鐵移動,氣隙厚度δ發生相應改變,引起磁路中磁阻變化,從而導致電感線圈工作過程：被測量變化——磁阻變化——自感變化——電壓或電流變化的自感值變化,因此只要能測出這種電感量的變化,就能確定銜鐵位移量的大小和方向。自感式傳感器的原理圖

3.自感的計算自感磁路總磁阻線圈匝數因為氣隙較小，可以認為氣隙磁場是均勻的，忽略磁路損耗，則式中:μ1——鐵芯材料的磁導率;μ2——銜鐵材料的磁導率;μ0——空氣的磁導率;l1——鐵芯的長度;l2——銜鐵的長度;——空氣隙的長度;A1——鐵芯的截面積;A2——銜鐵的截面積;A——空氣隙的截面積

(4-1）(4-2）由于鐵芯和銜鐵是由高導磁材料制成的，磁導率數量級在102—106以上，其磁導率遠大于空氣的磁導率，，所以通常氣隙磁阻遠大于鐵芯和銜鐵的磁阻,即則式(4-2）可近似為（4－3）

將式(4-3）代入式(4-1）,可得：上式表明,當線圈匝數為常數時,自感L僅僅是磁路中磁阻Rm的函數,只要改變δ或A均可導致自感L變化,因此自感式傳感器又可分為變氣隙厚度δ的傳感器和變氣隙面積A的傳感器。a)變氣隙式（閉磁路）b)變面積式（閉磁路）c)螺管式（開磁路）4.結構類型

二、輸出特性1.變氣隙式自感傳感器(1)單一變氣隙式自感傳感器

A不變，δ變

L與δ之間是非線性關系（如圖所示）設電感初始氣隙為δ0,

初始電感量為L0,

變氣隙式自感傳感器的自感－氣隙長度特性曲線

當銜鐵上移Δδ時,傳感器氣隙減小Δδ,即δ=δ0-Δδ,則此時電感為L=L0+ΔL,得

當Δδ<<δ0時,可將上式用泰勞級數展開成級數形式為

由上式可求得電感增量ΔL的表達式,即

忽略高次項,可得線性輸出為：

當銜鐵下移Δδ時,傳感器氣隙增加Δδ,即δ=δ0+Δδ,則此時自感為：忽略高次項,可得線性輸出為：靈敏度為

由此可見,變氣隙式自感傳感器的測量范圍與靈敏度及線性度相矛盾,所以變氣隙式自感傳感器僅適用于微小位移測量。為了減小非線性誤差,實際測量中廣泛采用差動式變氣隙自感傳感器。考慮到二次項，相對非線性誤差為電容（2）

差動變氣隙式自感傳感器差動變氣隙式自感傳感器差動變氣隙式自感傳感器由兩個相同的電感線圈Ⅰ、Ⅱ和磁路組成,測量時,銜鐵與被測體相連,當被測體上下移動時,銜鐵也上下移動,導致一個線圈的電感量增加,另一個線圈的電感量減小。把兩個電感線圈接成交流電橋的相鄰橋臂,另兩個橋臂由電阻組成,電橋輸出電壓與兩個線圈的電感量的差值ΔL有關，形成差動形式。設初始時，銜鐵處于中間位置，忽略高次項：靈敏度為：相對非線性誤差為銜鐵上移

比較單線圈和差動兩種變間隙式電感傳感器的特性,可以得到如下結論:①差動式比單線圈式的靈敏度高一倍。

②差動式的線性度得到明顯改善。2.變面積式自感傳感器δ不變，A變

鐵芯面積為當鐵芯上下移動x時：自感：靈敏度：結論：變面積式傳感器具有良好的線性度，但靈敏度較低（比變氣隙式低），通常用來測量比較大的位移量。3.螺管式自感傳感器

結構：一個螺管線圈內套入一個活動的銜鐵，就構成了螺管式自感傳感器。

工作原理：當銜鐵插入線圈時，插入部分的磁阻下降，從而使線圈自感量發生改變。設>>，線圈內磁場強度是均勻的，未插入銜鐵時，螺線管自感為：－線圈半徑，－線圈長度，－線圈匝數當插入銜鐵后，電感為：結論：螺管式傳感器具有良好的線性度，測量范圍比較大。但靈敏度較低（比變面積式還低）。提高靈敏度可以采取下列措施：增加N；增加銜鐵面積；采用高磁導率的材料。－銜鐵相對磁導率，re－銜鐵半徑，le－銜鐵插入線圈內的長度線圈的自感與銜鐵插入的深度le成正比。靈敏度：

三種類型比較：

變氣隙型自感傳感器靈敏度高，它的主要缺點是非線性嚴重，為了限制非線性誤差，測量范圍只能較小；它的自由行程小，因為銜鐵在運動方向上受鐵心限制，制造裝配困難。

變面積型和螺管型自感傳感器靈敏度較低，優點是具有較好的線性，因而測量范圍可取大些，自由行程可按需要安排，制造裝配較方便。

螺管型與變面積型自感傳感器相比，批量生產中的互換性好，由于具備上述優點，而靈敏度的問題可在放大電路方面加以解決，因此目前螺管型自感傳感器的應用越來越多。三、等效電路圖４-3-3自感傳感器的等效電路L:線圈電感Rc:線圈銅耗電阻Re:鐵心渦流損耗電阻Rh(f):磁滯損耗電阻C:線圈的寄生電容等效電路圖４-3-3∵∴結論：

1、應選擇激勵頻率

2、更換連接電纜時，須重新進行校準。四、自感式傳感器的測量電路電感式傳感器常用交流阻抗電橋和諧振電路實現信號的轉換。1.電感電橋輸出電壓銜鐵偏離中間點時(變氣隙為例)初始平衡狀態，L1=L2＝L0把差動式自感傳感器接入電橋，輸出電壓與銜鐵位移成線性關系。2.運算放大電路

―－－適用于單一式自感傳感器圖中L0為固定電感，其值等于自感傳感器LX的初始值。3.調頻電路調頻電路的基本原理是：傳感器電感的變化引起輸出電壓頻率f的變化。一般把傳感器電感線圈L和一個固定電容C接入一個振蕩電路中，其振蕩頻率為：當L變化時，振蕩頻率