电感式传感器课件

第3.3节 电感式传感器 机电工程系机电工程系 刘彦彦刘彦彦1、测量原理：即利用电磁感应原理将被测非电量变化转换成线圈自感L或自感M的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出。2、测量范围：位移、压力、流量、振动等3、种类：分为自感式（变磁阻式）、变压器式、涡流式等4、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、重复性好灵敏度、线性度相互制约缺点：电磁电磁电磁电磁感应感应感应感应 被测非电量被测非电量被测非电量被测非电量自感系数自感系数自感系数自感系数L L互感系数互感系数互感系数互感系数MM测量测量测量测量电路电路电路电路 U U、I I、f f把被测量转换为线圈自感L的变化。把被测量转换为线圈互感M的变化。传感器本身是一个变压器。电感式传感器自感式互感式电涡流式把被测量转换为线圈的阻抗变化。3.3.1 3.3.1 自感式传感器自感式传感器|一、自感式传感器的工作原理一、自感式传感器的工作原理|二、灵敏度与非线性二、灵敏度与非线性|三、零点残余电压三、零点残余电压|四、自感式传感器的应用四、自感式传感器的应用 S&M Ch3自感式传感器的工作原理F220V准备工作准备工作电感传感器的基本工作原理演示电感传感器的基本工作原理演示S&M Ch3自感式传感器的工作原理气隙变小，电感变大，电流变小F F一、一、自感式传感器的工作原理自感式传感器的工作原理 自感式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料（硅钢片或坡莫合金）制成。固定运动图3-1自感式传感器原理结构图在铁芯和衔铁之间有气隙，传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度发生改变，引起磁路中磁阻变化磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化线圈的电感值变化，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。衔铁移动改变磁阻变化电感值变化与传感器相连式中,Rm为磁路总磁阻；为线圈总磁链；为通过线圈的电流；为线圈的匝数；为穿过线圈的磁通；自感式传感器原理结构图线圈中电感量可由下式确定：（3-1）根据磁路欧姆定律：（3-2）工作原理分析工作原理分析气隙很小，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 自感式传感器原理结构图（3-3）为铁心材料的磁导率（H/m）为衔铁材料的磁导率（H/m）为磁通通过铁心的长度（m）为磁通通过衔铁的长度（m）为铁心的截面积（m2）为空气的磁导率（4*10-7H/m）为气隙的截面积（m2）为气隙的厚度（m）通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻，即（3-4）则式（3-3）可写为（3-5）联立式（3-1）、式（3-2）及式（3-5），可得（3-6）上式表明：当线圈匝数为常数线圈匝数为常数时，电感L仅仅是磁路中磁阻Rm的函数，改变或A0均可导致电感变化，因此变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度的传感器和变气隙面积A0的传感器。目前使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器。二、灵敏度与非线性L与之间是非线性关系，特性曲线如图3-2所示。图3-2 自感式电压传感器的L-特性分析：分析：当衔铁处于初始位置时，初始电感量为（3-7）当衔铁上移时，传感器气隙减小，即=0，则此时输出电感为（3-8）气隙型传感器灵敏度分析气隙型传感器灵敏度分析当/01时（泰勒级数）：（3-9）可求得电感增量L和相对增量L/L0的表达式，即(3-10)(3-11)同理，当衔铁随被测体的初始位置向下移动时，有（3-12）（3-13）对式（3-11）、（3-13）作线性处理，即忽略高次项后，可得（3-14）灵敏度定义为单位气隙厚度变化引起的电感量的变化。可见：气隙型电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾，因此气隙型电感式传感器适用于测量微小位移的场合。（3-15）线性处理后得出的近似结果由表示与 衔铁上移 切线斜率变大衔铁下移切线斜率变小 上移下移与线性度衔铁上移：衔铁下移：无论上移或下移，非线性都将增大。差动变隙式电感传感器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差动变隙式电感传感器 1-铁芯；2-线圈；3-衔铁衔铁上移：两个线圈的电感变化量L1、L2分别由式（3-10）及式（3-12）表示，差动传感器电感的总变化量L=L1+L2,具体表达式为 对上式进行线性处理,即忽略高次项得 一边气隙增大，一边减小灵敏度K0为 比较单线圈式和差动式：差动式变间隙电感传感器的灵敏度是单线圈式的两倍。差动式的非线性项(忽略高次项)：单线圈的非线性项（忽略高次项)：由于/01，因此，差动式的线性度得到明显改善。在实际应用中大量采用差动自感传感器。四、零点残余电压四、零点残余电压UU0 0 当差动自感传感器的衔铁处于中间位当差动自感传感器的衔铁处于中间位置时，理想条件下其输出电压为零。但实际置时，理想条件下其输出电压为零。但实际上，当使用桥式电路时，在零点仍有一个微上，当使用桥式电路时，在零点仍有一个微小的电压值小的电压值(从零点几从零点几mVmV到数十到数十mV)mV)存在，称存在，称为为零点残余电压零点残余电压。0 x-xe20产生的原因：产生的原因：产生的原因：产生的原因：两电感线圈的等效参数两电感线圈的等效参数（电感、电阻）（电感、电阻）不对称；不对称；铁芯磁路存在非线性，产生高次谐波不同，铁芯磁路存在非线性，产生高次谐波不同，不能互相抵消。不能互相抵消。零残电压过大带来的影响：零残电压过大带来的影响：灵敏度下降、非线性误差增大灵敏度下降、非线性误差增大灵敏度下降、非线性误差增大灵敏度下降、非线性误差增大测量有用的信号被淹没，不再反映被测量变化造成放大测量有用的信号被淹没，不再反映被测量变化造成放大电路后级饱和，仪器不能正常工作。电路后级饱和，仪器不能正常工作。过大的零位电压会使放大器提前饱和，若传感器输出作为伺服系统的控制信号，零位电压还会使伺服电机发热，甚至产生零位误动作。S&M Ch3五、自感式传感器的应用自感式传感器的应用S&M Ch3五、自感式传感器的应用自感式传感器的应用该圆度计采用旁向式电感测微头电感式不圆度计原理电感式不圆度计原理 五、自感式传感器的应用五、自感式传感器的应用压力测量压力测量 变隙电感式压力传感器结构图 当压力进入膜盒时，膜盒的顶端在压力P的作用下产生与压力P大小成正比的位移，于是衔铁也发生移动，从而使气隙发生变化，流过线圈的电流也发生相应的变化，电流表A的指示值就反映了被测压力的大小。当当被被测测压压力力进进入入C形形弹弹簧簧管管时时，C形形弹弹簧簧管管产产生生变变形形，其其自自由由端端发发生生位位移移，带带动动与与自自由由端端连连接接成成一一体体的的衔衔铁铁运运动动，使使线线圈圈1和和线线圈圈2中中的的电电感感发发生生大大小小相相等等、符符号号相相反反的的变变化化。即即一一个个电电感感量量增增大大，另另一一个个电电感感量量减减小小。电电感感的的这这种种变变化化通通过过电电桥桥电电路路转转换换成成电电压压输输出出。由由于于输输出出电电压压与与被被测测压压力力之之间间成成比比例例关关系系，所所以以只只要要用用检检测测仪仪表表测测量量出输出电压，出输出电压，即可得知被测压力的大小即可得知被测压力的大小。变隙式差动电感压力传感器 压力测量动画演示总结总结布置作业布置作业预习预习差动变压器式传感器差动变压器式传感器