1第6章電感式傳感器

電感式傳感器是建立在電磁感應(yīng)基礎(chǔ)上，利用線圈自感或互感的改變來實現(xiàn)測量的一種裝置。它可對直線位移和角位移進(jìn)行直接測量，也可通過一定的敏感元件把振動、壓力、應(yīng)變、流量等轉(zhuǎn)換成位移量而進(jìn)行測量。通?？捎上铝蟹椒ㄊ咕€圈的電感變化：

(1)改變幾何形狀；

(2)改變磁路的磁阻；

(3)改變磁芯材料的導(dǎo)磁率；

(4)改變一組線圈的兩部分或幾部分間的耦合度。2電感式傳感器分類:電感式傳感器渦流式自感型互感型壓磁式傳感器可變磁阻型差動變壓器感應(yīng)同步器3

電感式傳感器的優(yōu)點：

1.結(jié)構(gòu)簡單。工作中沒有活動電接觸點，因而比電位器工作可靠，壽命長。

2.靈敏度高，分辨力大。能測出0.1mm甚至更小的機(jī)械位移變化，能感受小至0.1角秒的微小角度變化。傳感器的輸出信號強(qiáng)，電壓靈敏度一般每毫米可達(dá)數(shù)百毫伏，因此有利于信號的傳輸與放大。4

3.重復(fù)性好，線性度優(yōu)良。在一定位移范圍（最小幾十微米，最大達(dá)數(shù)十甚至數(shù)百毫米）輸出特性的線性度好，并且比較穩(wěn)定，高精度的變磁阻式傳感器，非線性誤差僅0.1%。

4.輸出功率大、輸出阻抗小、抗干擾能力強(qiáng)、對工作環(huán)境要求不高。

電感式傳感器的缺點：

頻率響應(yīng)差，不宜于快速動態(tài)測量，并存在交流零位信號。6自感式傳感器6.1工作原理6.2變氣隙式自感傳感器6.3變面積式自感傳感器6.4螺線管式自感傳感器6.5自感式傳感器測量電路6.6自感式傳感器應(yīng)用舉例6.1工作原理

線圈自感Ψ——線圈總磁鏈,單位：韋伯；I——通過線圈的電流，單位：安培；W——線圈的匝數(shù)；Rm——磁路總磁阻，單位：1/亨。a)氣隙型

b)截面型

c)螺管型自感式傳感器原理圖li——各段導(dǎo)磁體的長度；Ui——各段導(dǎo)磁體的磁導(dǎo)率；Si——各段導(dǎo)磁體的截面積；

δ——空氣隙的厚度；U0

——真空磁導(dǎo)率S——空氣隙截面積變氣隙型傳感器變截面型傳感器線圈中放入圓形銜鐵可變自感螺管型傳感器。6自感式傳感器6.1工作原理6.2變氣隙式自感傳感器6.3變面積式自感傳感器6.4螺線管式自感傳感器6.5自感式傳感器測量電路6.6自感式傳感器應(yīng)用舉例6.2變氣隙式自感傳感器

通常氣隙的磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻

L與δ之間是非線性關(guān)系

當(dāng)銜鐵處于初始位置時，初始電感量為當(dāng)銜鐵上移Δδ時，則，代入并整理得上式用泰勒級數(shù)展開成如下的級數(shù)形式

同理，當(dāng)銜鐵隨被測物體的初始位置向下移動時，有對式作線性處理，即忽略高次項后可得靈敏度為變間隙式自感傳感器的測量范圍與靈敏度及線性度是相矛盾的，因此變隙式自感式傳感器適用于測量微小位移場合。為了減小非線形誤差，實際中廣泛采用差動變隙式電感傳感器差動變隙式電感傳感器

1-鐵芯；2-線圈；3-銜鐵當(dāng)銜鐵向上移動時，兩個線圈的電感變化量ΔL1、ΔL2

對上式進(jìn)行線性處理，即忽略高次項得

靈敏度k0為（1）差動變間隙式自感傳感器的靈敏度是單線圈式傳感器的兩倍。（2）單線圈是忽略以上高次項，差動式是忽略以上偶次項，因此差動式自感式傳感器線性度得到明顯改善。*另一種形式：Π型6自感式傳感器6.1工作原理6.2變氣隙式自感傳感器6.3變面積式自感傳感器6.4螺線管式自感傳感器6.5自感式傳感器測量電路6.6自感式傳感器應(yīng)用舉例6.3變面積式自感傳感器傳感器氣隙長度保持不變，令磁通截面積隨被測非電量而變，設(shè)鐵芯材料和銜鐵材料的磁導(dǎo)率相同，則此變面積自感傳感器自感L為靈敏度變面積式自感傳感器在忽略氣隙磁通邊緣效應(yīng)的條件下，輸入與輸出呈線性關(guān)系；因此可望得到較大的線性范圍。但是與變氣隙式自感傳感器相比，其靈敏度降低。6自感式傳感器6.1工作原理6.2變氣隙式自感傳感器6.3變面積式自感傳感器6.4螺線管式自感傳感器6.5自感式傳感器測量電路6.6自感式傳感器應(yīng)用舉例19單線圈螺管型傳感器結(jié)構(gòu)圖

有單線圈和差動式兩種結(jié)構(gòu)形式。

單線圈螺管型傳感器的主要元件為一只螺管線圈和一根圓柱形鐵芯。傳感器工作時，因鐵芯在線圈中伸入長度的變化，引起螺管線圈自感值的變化。當(dāng)用恒流源激勵時，則線圈的輸出電壓與鐵芯的位移量有關(guān)。6.4螺管型自感傳感器rx螺旋管鐵心l6.4螺線管式自感傳感器1-螺線管線圈Ⅰ；2-螺線管線圈Ⅱ；3-骨架；4-活動鐵芯

L10，L20——分別為線圈Ⅰ、Ⅱ的初始電感值；差動式螺管型傳感器結(jié)構(gòu)圖當(dāng)鐵芯移動（如右移）后，使右邊電感值增加，左邊電感值減小

根據(jù)以上兩式，可以求得每只線圈的靈敏度為兩只線圈的靈敏度大小相等，符號相反，具有差動特征。

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綜上所述，螺管式自感傳感器的特點：①結(jié)構(gòu)簡單，制造裝配容易；②由于空氣間隙大，磁路的磁阻高，因此靈敏度低，但線性范圍大；③由于磁路大部分為空氣，易受外部磁場干擾；④由于磁阻高，為了達(dá)到某一自感量，需要的線圈匝數(shù)多，因而線圈分布電容大；⑤要求線圈框架尺寸和形狀必須穩(wěn)定，否則影響其線性和穩(wěn)定性。236自感式傳感器6.1工作原理6.2變氣隙式自感傳感器6.3變面積式自感傳感器6.4螺線管式自感傳感器6.5自感式傳感器測量電路6.6自感式傳感器應(yīng)用舉例25等效電路

研究其等效電路的目的是為了分析鐵心線圈的電氣參數(shù)及它們對線圈特性的影響，對了解與分析變磁阻式傳感器以及選擇傳感器參數(shù)有幫助。將傳感器線圈等效成圖示電路：Rc

——線圈的銅耗電阻。Rv

——渦流損耗電阻。Rh

——磁滯損耗電阻。C

——線圈的匝間電容和電纜分布電容。

26（1）銅損電阻Rc

設(shè)導(dǎo)線直徑為d、電阻率為r、線圈匝數(shù)為N，平均匝長為l，當(dāng)忽略導(dǎo)線趨膚效應(yīng)與鄰近效應(yīng)時，線圈電阻為：27

（2）渦流損耗電阻

渦流損耗電阻Rv是因為頻率為f的交變電流激勵產(chǎn)生的交變磁場，會在線圈鐵心中造成渦流損耗。根據(jù)經(jīng)典的渦流損耗計算公式知，為降低渦流損耗，疊片式鐵心的片厚應(yīng)??；高電阻率有利于損耗的下降，而高磁導(dǎo)率卻會使渦流損耗增加。

（3）磁滯損耗電阻

磁滯損耗電阻Rh是因為鐵磁物質(zhì)在交變磁化時，磁分子來回翻轉(zhuǎn)需要克服阻力，類似摩擦生熱的能量損耗。28

（4）并聯(lián)寄生電容

主要由線圈繞組的固有電容與電纜分布電容所構(gòu)成。

為便于分析，先不考慮寄生電容C，并將等效電路中的線圈電感與并聯(lián)鐵損電阻(Re=Rh//Rv)等效為串聯(lián)鐵損電阻Re′與串聯(lián)電感L′的等效電路，如圖所示。29等效電路30根據(jù)：得：

上式表明，鐵損的串聯(lián)等效電阻Re′與L有關(guān)。因此，當(dāng)被測非電量的變化引起線圈電感量改變時，其電阻值亦發(fā)生不希望有的變化。要減少這種附加電阻變化的影響，比值Re/(wL)應(yīng)盡量小，以使Re′<<wL′

，從而減小附加電阻變化的影響。另外，在設(shè)計傳感器時應(yīng)盡可能減少鐵損Re。31

當(dāng)考慮實際存在并聯(lián)寄生電容C時，阻抗為：式中，總的損耗電阻R′=Re′+Rc

，品質(zhì)因數(shù)Q=L′w/R′

。當(dāng)Q>>1時，1/Q2可以忽略，上式可簡化為32則RS和LS相對于R′和L′都增加了。有效品質(zhì)因數(shù)為：寫成：下降了。電感的相對變化為：增加了。33

由此可知，并聯(lián)電容C的存在，使有效串聯(lián)損耗電阻與有效電感均增加，有效Q值下降并引起電感的相對變化增加，即靈敏度提高。因此，從原理而言，按規(guī)定電纜校正好的儀器，如更換了電纜，則應(yīng)重新校正或采用并聯(lián)電容對傳感器的靈敏度重新加以調(diào)整。6.5自感式傳感器測量電路1.交流電橋2.變壓器電橋3.自感傳感器的靈敏度+-+-分析：銜鐵在初始位置時，電橋平衡

若銜鐵上移，則：（一）交流電橋式測量電路*另一種形式：Π型交流電橋是電感式傳感器、電容式傳感器的主要測量電路。由于交流電橋的輸出可以直接與無零漂的交流放大器相接，因此在電阻的測量中也常使用。由交流電源供電，電源頻率約為傳感器位移變化（電感變化）頻率的十倍，可滿足對傳感器動態(tài)響應(yīng)的頻率要求。供橋電源頻率高一些，還可以減少溫度變化對傳感器的影響，并可以提高傳感器的輸出靈敏度。供橋電源頻率高，也增加了由于鐵芯損耗和寄生電容帶來的影響。+-+-銜鐵上移時兩個傳感器阻抗為：則電橋輸出：當(dāng)△δ>0時，U0與Ui同相；否則反相。故本測量電路可以提供位移大小和方向的信息。電路結(jié)構(gòu)：

傳感器的兩個線圈Z1、Z2作為相鄰工作臂，另兩個臂為交流變壓器次級線圈的1/