本章學(xué)習(xí)內(nèi)容：1.變磁阻式傳感器2.差動(dòng)變壓器式傳感器3.渦流式傳感器原理與應(yīng)用第四章、電感式傳感器電感式傳感器電感式傳感器綜述被測(cè)物理量位移振動(dòng)壓力流量比重的變化傳感器自感系數(shù)L互感系數(shù)M的變化電路電壓電流電感式傳感器

電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，它是把被測(cè)量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。電感傳感器優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，分辨力高，位移：0.1m；精度高，線性特性好，非線性誤差：0.05%0.1%；性能穩(wěn)定，重復(fù)性好；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、輸出功率大、輸出阻抗小、抗干擾能力強(qiáng)、對(duì)工作環(huán)境要求不高、壽命長(zhǎng)能實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸、記錄、顯示和控制等。電感式傳感器電感式傳感器

電感式傳感器自感型可變磁阻型渦流式互感型電感式傳感器分類：差動(dòng)變壓器型4.1自感型--可變磁阻式

一、工作原理

將被測(cè)對(duì)象的微小變化(x)

電感的變化(L)

傳感器運(yùn)動(dòng)部分與銜鐵相連，測(cè)物理量時(shí)，運(yùn)動(dòng)部分位移銜鐵位移氣隙厚度變化線圈自感系數(shù)L變化電感式傳感器若很小，且不考慮磁路鐵損，則

根據(jù)電工學(xué)：線圈中的電感量li

各導(dǎo)磁體長(zhǎng)度

空氣隙間隙i

各導(dǎo)磁體相對(duì)導(dǎo)磁率

0

空氣隙導(dǎo)磁系數(shù)Ai

各導(dǎo)磁體截面積A

空氣隙截面積因?yàn)?/p>

鐵芯、

銜鐵>>

氣隙，所以，R鐵芯+R銜鐵<<R氣隙

二.電感傳感器的三種型式

氣隙變化型—變氣隙的間隙

(a)面積變化型—變氣隙的截面積S(b)螺管型—變銜鐵與線圈重合長(zhǎng)度(c)電感式傳感器電感傳感器的分類比較三.特性

靈敏度輸出特性

(以變氣隙為例)氣隙變化量為?δ，相應(yīng)的電感變化為：

可見輸出特性為非線性關(guān)系即：傳感器的測(cè)量范圍與靈敏度及線性度相矛盾

電感式傳感器差動(dòng)型式

為了增加靈敏度，改善線性，往往做成差動(dòng)式的。差動(dòng)優(yōu)點(diǎn)：（1）.大大的改善了線性，減小線性誤差；（2）.使靈敏度提高一倍。電感式傳感器四.測(cè)量電路交流電橋式測(cè)量電路

變壓器式交流電橋諧振式測(cè)量電路

電感式傳感器電感式傳感器的等效電路

等效線圈阻抗為品質(zhì)因數(shù)

線圈阻抗化簡(jiǎn)為：電感式傳感器交流電橋式測(cè)量電路

差動(dòng)式的輸出電壓差動(dòng)傳感器電感的總變化量

忽略高次項(xiàng)，靈敏度K0

交流電橋式測(cè)量電路特點(diǎn)差動(dòng)式變間隙電感傳感器比單線圈式的靈敏度高一倍差動(dòng)式的線性度得到明顯改善。

電感式傳感器變壓器式交流電橋

橋路輸出電壓

銜鐵上、下移動(dòng)相同距離時(shí)，輸出電壓相位相反，大小隨銜鐵的位移而變化。電感式傳感器調(diào)頻測(cè)量電路

振蕩頻率

當(dāng)變化時(shí)，振蕩頻率隨之變化，根據(jù)頻率的大小即可測(cè)出被測(cè)量的值，頻率與電感有嚴(yán)重的非線性關(guān)系。

調(diào)幅測(cè)量電路4.2.互感型--差動(dòng)變壓（原理）差動(dòng)變壓器本身是變壓器，利用互感原理，所以也稱互感傳感器。互感現(xiàn)象：線圈N1輸入電流i1，

N2產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)e12

電感式傳感器基本結(jié)構(gòu)：變隙式差動(dòng)變壓器圖4-11差動(dòng)變壓器式傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖（a）、（b）變隙式差動(dòng)變壓器;電感式傳感器圖4-11差動(dòng)變壓器式傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖（c）、（d）螺線管式差動(dòng)變壓器;基本結(jié)構(gòu)：螺線管式差動(dòng)變壓器電感式傳感器圖4-11差動(dòng)變壓器式傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖（e）、（f）變面積式差動(dòng)變壓器基本結(jié)構(gòu)：變面積式差動(dòng)變壓器電感式傳感器一、差動(dòng)變壓器原理u

初級(jí)線圈的激勵(lì)電壓r1、L1a

初級(jí)線圈的電阻和電感L2a、L2b

次級(jí)線圈的電感r2a、r2b

次級(jí)線圈的電阻

W1

初級(jí)線圈的匝數(shù)W21、W2

次級(jí)線圈的匝數(shù)電感式傳感器原理推導(dǎo)在初級(jí)線圈中

次級(jí)線圈中的感應(yīng)電勢(shì)

感應(yīng)電勢(shì)的有效值討論：初始位置，銜鐵處于中間位置

當(dāng)銜鐵上升L

當(dāng)銜鐵下降LU0與E2a同相

U0與E2b同相

電感式傳感器二、輸出特性

從理論上講，在銜鐵處于中間位置時(shí)輸出電壓應(yīng)為零，但實(shí)際存在零點(diǎn)殘余電壓，它由這樣一些因素引起：兩個(gè)次級(jí)線圈不對(duì)稱初級(jí)線圈銅耗電阻的存在導(dǎo)磁體靠近的安裝位置、鐵芯長(zhǎng)度等激磁頻率的高低鐵磁材質(zhì)不均勻線圈間存在分布電容電感式傳感器三、測(cè)量電路差動(dòng)整流電路差動(dòng)整流電路，輸入一交流信號(hào)時(shí)整流電路的輸出電壓為：電感式傳感器相敏檢波電路電感式傳感器討論:當(dāng)位移時(shí)，u2與us同頻同相，當(dāng)位移時(shí)，u2與us同頻反相。

當(dāng)u2與us均為正半周時(shí),VD1、VD4截止M點(diǎn)+VD2、VD3導(dǎo)通O點(diǎn)-當(dāng)u2與us均為負(fù)半周時(shí),VD2、VD3截止M點(diǎn)+VD1、VD4導(dǎo)通O點(diǎn)-負(fù)載RL兩端得到的電壓U0始終為正

當(dāng)us均為正半周時(shí),VD1、VD4截止M點(diǎn)-VD2、VD3導(dǎo)通O點(diǎn)+當(dāng)us均為負(fù)半周時(shí),VD2、VD3截止M點(diǎn)-VD1、VD4導(dǎo)通O點(diǎn)+負(fù)載RL兩端得到的電壓U0始終為負(fù)

圖4-20波形圖（a）被測(cè)位移變化波形圖;（b）差動(dòng)變壓器激磁電壓波形;（c）差動(dòng)變壓器輸出電壓波形

(d)相敏檢波解調(diào)電壓波形；

(e)相敏檢波輸出電壓波形四、應(yīng)用差動(dòng)變壓器位移傳感器電感式傳感器案例：板的厚度測(cè)量

~案例：張力測(cè)量壓力測(cè)量加速度測(cè)量液面高度測(cè)量1-懸臂梁2-差動(dòng)變壓器一、原理:渦流效應(yīng)4.3渦流式電感式傳感器原線圈的等效阻抗Z變化：電感式傳感器電渦流效應(yīng)與被測(cè)體的電阻率ρ有關(guān)磁導(dǎo)率μ以及幾何形狀r有關(guān)線圈幾何參數(shù)、線圈中激磁電流頻率f有關(guān)，還與線圈與導(dǎo)體間的距離x有關(guān)高頻反射式渦流傳感器—自感型低頻透射式渦流傳感器—互感型根據(jù)激勵(lì)頻率不同分為電感式傳感器二、電渦流形成范圍電渦流的徑向形成范圍

①

電渦流徑向形成范圍大約在傳感器線圈外徑ras的1.8～2.5倍范圍內(nèi)，且分布不均勻②電渦流密度在ri=0處為零。③電渦流的最大值在r=ras附近的一個(gè)狹窄區(qū)域內(nèi)。④可以用一個(gè)平均半徑為ras

的短路環(huán)來(lái)集中表示分散的電渦流（圖中陰影部分）。

電感式傳感器圖4-25電渦流密度J與半徑r的關(guān)系曲線電渦流強(qiáng)度與距離的關(guān)系

電渦流強(qiáng)度I與距離x呈非線性關(guān)系

在x/ras<<1時(shí)，有較好的線性和靈敏度。

電渦流的軸向貫穿深度

I1——線圈激勵(lì)電流；

I2——金屬導(dǎo)體中等效電流；渦流傳感器的結(jié)構(gòu)及特性

三.電渦流傳感器測(cè)量電路調(diào)頻式電路圖4-28調(diào)頻式測(cè)量電路(a)測(cè)量電路框圖；(b)振蕩電路傳感器線圈接入LC振蕩回路，當(dāng)傳感器與被測(cè)導(dǎo)體距離x改變時(shí)，在渦流影響下，傳感器的電感變化，將導(dǎo)致振蕩頻率的變化，該變化的頻率是距離x的函數(shù)，即f=L(x),該頻率可由數(shù)字頻率計(jì)直接測(cè)量，或者通過(guò)f-V變換，用數(shù)字電壓表測(cè)量對(duì)應(yīng)的電壓。振蕩器電路如圖4-28(b)所示。它由克拉潑電容三點(diǎn)式振蕩器(C2、C3、L、C和Ｖ1)以及射極輸出電路兩部分組成。振蕩器的頻率為為了避免輸出電纜的分布電容的影響，通常將L、C裝在傳感器內(nèi)。此時(shí)電纜分布電容并聯(lián)在大電容C2、C3上，因而對(duì)振蕩頻率f的影響將大大減小。

由傳感器線圈L、電容器C和石英晶體組