第四章-電感傳感器教材

第四章電感傳感器電感傳感器氣隙型螺管型電感線圈的等效電路電感傳感器的測量電路差動變壓器式傳感器工作原理主要特性補償技術測量電路應用第四章電感傳感器

是利用線圈自感和互感的變化實現(xiàn)非電量電測的裝置，可測量位移、振動壓力、應變等。主要特征是有線圈繞組。主要特點是結構簡單；輸出功率大；輸出阻抗??；分辨率高，線性度、重復性好；但頻率響應低，不宜做高頻動態(tài)測量。電感傳感器的分類按轉換原理劃分，可分為自感式和互感式。前者常稱為電感傳感器；后者稱為差動變壓器式傳感器。根據(jù)結構不同可分為氣隙型和螺管型。第一節(jié)電感傳感器1、氣隙型電感傳感器根據(jù)磁路理論，有：

N：線圈匝數(shù)；：磁路總磁阻。

忽略磁路損耗，總磁阻為：

1：鐵芯；2：銜鐵；

0：氣隙當氣隙變化時，電感隨之改變，但兩者間是非線性的。氣隙型電感傳感器的工作原理

一般有S1=S2=S，，并設氣隙總長為,磁路總長為，則磁阻有：一般有，所以。則有：當輸入信號為0時，有：氣隙型傳感器的工作原理

當有輸入信號時，設（1）銜鐵移動使氣隙總長度減小，則電感增加，有：在一定條件下作級數(shù)展開，并忽略二階以上小項，有：

氣隙型傳感器的工作原理（2）銜鐵移動使氣隙總長度增加，則電感減小，有：

在一定條件下作級數(shù)展開，并忽略二階以上小項，有：

氣隙型傳感器的主要性能靈敏度：線性度：說明：（1）氣隙型傳感器為非線性傳感器；（2）氣隙增加與減少時的電容變化不等，且隨著輸入信號相對變化的增加而增加；結論：氣隙型傳感器只能用于微位移測量（0.1——1mm）。（3）差動式氣隙型電感傳感器銜鐵移動使氣隙長度變化，則電感變化有：在一定條件下作級數(shù)展開，并忽略二階以上小項，有：差動式氣隙型電感傳感器的主要性能靈敏度：線性度：說明：（1）差動式電感傳感器的靈敏度比非差動式的提高1倍；（2）差動式電感傳感器的線性度有所改善。2、螺管型傳感器的工作原理鐵芯在線圈中工作位置的選擇；初始電感：韋伯.安培/米

式中分別為進入螺線管的鐵芯長度和螺線管長度；分別為鐵芯和螺線管半徑；N為線圈匝數(shù)；為鐵芯的相對磁導率。螺管型傳感器的工作原理有輸入信號時，有：，則有：電感由于鐵芯位移產(chǎn)生的變化量為：有輸出信號的相對變化為：差動式螺管型傳感器鐵芯在線圈中的工作位置：輸出信號：說明：靈敏度提高了一倍；存在由于磁場的非均勻性導致的非線性，有差動式結構的測量范圍一般為：5—50mm。3、電感線圈的等效電路銅損電阻

渦流損耗電阻和磁滯損耗電阻并聯(lián)寄生電容C：由線圈的固有電容和電纜分布電容組成。等效阻抗：構成總損耗電阻電感線圈的等效電路電感此時的相對變化為：可得到與電容傳感器相類似的結論，即電感傳感器的使用條件應與標定條件一致。4、電感傳感器的測量電路交流電橋半橋工作

其中、為差動式電感傳感器，另兩臂為固定電阻，且有==，。在理想條件下有：變壓器電橋其中、仍為差動式電感傳感器，另兩臂為變壓器次級線圈。變壓器電橋特點：元件少，輸出阻抗小。理想條件下的輸出電壓：初條件：，有。有輸入信號時：，（正向移動）

有：反之，有

不僅可以測量輸入信號的大小，而且可以判斷其方向第二節(jié)差動變壓器式傳感器變壓器副邊是由材料（參數(shù)）、結構和尺寸相同的兩個線圈反向串聯(lián)而成；且變壓器原、副邊之間的互感隨鐵芯移動作相應變化。初級線圈電流：兩個次級線圈感應電壓：

式中L1為初級線圈自感，M為兩個次級線圈互感，為電源角頻率。1、差動變壓器式傳感器工作原理空載輸出電壓：輸出電壓幅值：初始狀態(tài)：（銜鐵處于中間位置），有銜鐵上移時：，有：銜鐵下移時：，有：2、差動變壓器式傳感器主要特性近似條件：（1）忽略漏磁；（2）忽略動銜鐵和外層鐵磁殼上的磁阻。輸入與輸出的關系：

x：銜鐵位移量；為靈敏度（c是結構參數(shù)）；

：為非線性系數(shù)。它與結構以及銜鐵初始位置有關。

推導思路：安培環(huán)路定理（Bi）

磁鏈定義（）

互感定義（M）差動變壓器式傳感器主要特性靈敏度：時，有；時，有，近似與供電頻率無關。一般有，。差動變壓器式傳感器主要特性線性度由于銜鐵位移量與輸出量之間不是線性關系，所以存在線性度。一般的線性范圍是：溫度效應小型低頻：-0.3%/度；大型高頻：（-0.1—0.05）%/度。存在的問題之一

輸入與輸出之間是非單值函數(shù)。即輸出電壓只反映位移量的大小，而不反映它的移動方向。解決方法：利用特殊的檢測電路實現(xiàn)判向，如變壓器電橋等。3、補償技術交流源采取穩(wěn)壓措施以保證輸出不受其漂移的影響。溫度效應零點殘余電壓（e20）及其補償現(xiàn)象：當差動變壓器銜鐵處于中間位置時，理想情況下輸出應為零，但實際輸出不為零，有一個幾mv—幾十mv的零點電壓存在。零點殘余電壓（e20）及其補償E20的成分：它包括與電源電壓同頻正交的分量；同相成分；以及其二次諧波、

三次諧波以及電磁干擾等。產(chǎn)生原因：（1）基波分量-由于次級線圈繞組結構不均勻造成；（2）高次諧波-由于導磁材料磁化曲線的非線性引起。零點殘余電壓的補償方式結構補償：制作時注意結構對稱、均勻，并注意選材；并采用拆圈法對傳感器進行組裝。電路補償法：

可采取加串并聯(lián)電阻；或加并聯(lián)電容；或加反饋繞組；或加反饋電容的方法。

其它存在的問題

輸入與輸出之間是非單值函數(shù)。即輸出電壓只反映位移量的大小，而不反映它的移動方向。解決方法：利用特殊的檢測電路實現(xiàn)判向，如變壓器電橋等。四、測量電路

所用電路的出發(fā)點：不僅能測量銜鐵位移的大小，而且能測量移動的方向。

常采用的電路是：差動整流電路和相敏檢波電路。1、差動整流電路

說明：無論電源是正半周還是負半周供電，都有：差動整流電路傳感機制鐵芯處于中間位置時，有：則有：。鐵芯下移時，有：則有：。反之，有：。

可用該電路判斷鐵芯位移的大小和方向。2、二極管相敏檢波電路

說明：er-調(diào)制電壓，且；R-零點調(diào)節(jié)電位器；

-輸出電壓；移相器功能：使er和e1保持同相。二極管相敏檢波電路工作條件：R1=R2=R；C1=C2=C；D1—D4性能相同工作機制：

1、鐵芯在中間位置，有：e2=e21-e22=0。

輸出電壓等于0.相敏檢波電路的工作機制

2、鐵芯上移，有：。（1）設er為正半周，則有A+，B-；。

電阻上的電流流向：i1，i2；大?。?。（2）設er為負半周，則有A-，B+

；。

電阻上的電流流向：i3，i4；大?。?。

前者有：

后者有：

即鐵芯上移時，輸出電壓大于0。相敏檢波電路的工作機制

3、鐵芯下移，有：。（1）設er為正半周，則有A+，B-；。

電阻上的電流流向：i1，i2

；。

（2）設er為負半周，則有A-，B+

；。電阻上的電流流向：。即鐵芯下移時，輸出電壓小于0。i3，i4；相敏檢波電路的結論和說明利用該電路可以實現(xiàn)對鐵芯移動方向的判斷！動態(tài)測量時，應與低通濾波器配合使用。5、差動變壓器式傳感器的應用常用于與位移有關的物理量的電測。（1）差動變壓器式加速度傳感器振幅的測量范圍:0.1—5mm;頻率的測量范圍：0—150HZ。（2）微壓力變送器測量范圍：。輸出電壓：0—50mv；精度：1.5級。第四章電感傳感器小結

——工作原理和主要性能電感傳感器差動變壓器式傳感器氣隙型螺管型第四章電感傳感器小結

——測量電路電感傳感器差動變壓器式傳感器氣隙