第4章 电感式传感器及应用.ppt

引言 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采用。 电感式传感器种类很多，本章主要介绍自感式、互感式和电涡流式3种传感器 主要章节内容 4.1自感式传感器 4.2差动变压器式传感器 4.3电涡流传感器 4.1自感式传感器 自感式传感器是利用自感量随气隙变化而改变的原理制成的，用来测量位移。自感式传感器主要有闭磁路变隙式和开磁路螺线管式，它们又都可以分为单线圈式与差动式两种结构形式。 内容 4.1.1 基本工作原理 4.1.2 自感式传感器的测量电路 4.1.3 自感式传感器应用举例 电感传感器的基本工作原理演示 气隙变小，电感变大，电流变小 4.1.1 基本工作原理 线圈的自感量等于线圈中通入单位电流所产生的磁链数，即线圈的自感系数 为磁链， 为磁通（Wb），I为流过线圈的电流（A），N为线圈匝数。根据磁路欧姆定律： ， 为磁导率，S为磁路截面积， 为磁路总长度。 线圈的电感量 为磁路的磁阻 结论 只要被测非电量能够引起空气隙长度或等效截面积发生变化，线圈的电感量就会随之变化。 电感式传感器从原理上可分为变气隙长度式和变气隙截面式两种类型，前者常用于测量直线位移，后者常用于测量角位移。 自感式传感器 1．变气隙式（闭磁路式）自感传感器 由电感式可知，变气隙长度式传感器的线性度差、示值范围窄、自由行程小，但在小位移下灵敏度很高，常用于小位移的测量。 2．螺线管式（开磁路式）自感式传感器 螺线管式自感式传感器常采用差动式。 它是在螺线管中插入圆柱形铁芯而构成的。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。插入铁芯的长度不宜过短也不宜过长，一般以铁芯与线圈长度比为0.5、半径比趋于1为宜。铁磁材料的选取决定于供桥电源的频率，500Hz以下多用硅钢片，500Hz以上多用薄膜合金，更高频率则选用铁氧体。从线性度考虑，匝数和铁芯长度有一最佳数值，应通过实验选定。 结构 差动式电感传感器对外界影响，如温度的变化、电源频率的变化等基本上可以互相抵消，衔铁承受的电磁吸力也较小，从而减小了测量误差。 特性 从输出特性曲线（如图4-5所示）可以看出，差动式电感传感器的线性较好，且输出曲线较陡，灵敏度约为非差动式电感传感器的两倍。 4.1.2 自感式传感器的测量电路 自感式传感器的测量电路用来将电感量的变化转换成相应的电压或电流信号，以便供放大器进行放大，然后用测量仪表显示或记录。 测量电路有交流分压式、交流电桥式和谐振式等多种，常用的差动式传感器大多采用交流电桥式 。 交流电桥的种类很多，差动形式工作时其电桥电路常采用双臂工作方式。两个差动线圈Z1和Z2分别作为电桥的两个桥臂，另外两个平衡臂可以是电阻或电抗，或者是带中心抽头的变压器的两个二次绕组或紧耦合线圈等形式。 1．变压器交流电桥 电桥有两臂为传感器的差动线圈的阻抗，所以该电路又称为差动交流电桥 分析 设O点为电位参考点，根据电路的基本分析方法，可得到电桥输出电压为 当传感器的活动铁芯处于初始平衡位置时，两线圈的电感相等，阻抗也相等，即，其中表示活动铁芯处于初始平衡位置时每一个线圈的阻抗。 电桥输出电压，电桥处于平衡状态。 变化时 当铁芯向一边移动时，则一个线圈的阻抗增加 ， 变化后的电压 当传感器线圈为高Q值时，则线圈的电阻远小于其感抗 当活动铁芯向另一边（反方向）移动时 差动式自感传感器采用变压器交流电桥为测量电路时，电桥输出电压既能反映被测体位移量的大小，又能反映位移量的方向，且输出电压与电感变化量呈线性关系。 2．带相敏整流的交流电桥 上述变压器式交流电桥中，由于采用交流电源，则不论活动铁芯向线圈的哪个方向移动，电桥输出电压总是交流的，即无法判别位移的方向。 常采用带相敏整流的交流电桥. 结构 （1）初始平衡位置时 当差动式传感器的活动铁芯处于中间位置时，传感器两个差动线圈的阻抗Z1=Z2=Z0，其等效电路如图所示。 （2）活动铁芯向一边移动时 当活动铁芯向线圈的一个方向移动时，传感器两个差动线圈的阻抗发生变化，等效电路如图4-9所示。 结果 只要活动铁芯向一方向移动，无论在交流电源的正半周还是负半周，电桥输出电压均为正值。 （3）活动铁