西安交通大学：《非电量电测技术》课程教学课件（教案讲义）第4章 电感式传感器

第4章电感式传感器电量非电量L或M测量电感式传感器电路U或I电感式传感器是利用电磁感应，把被测量物理量，如位移、压力、流量、振动等转换成线圈的自感系数或互感系数的变化，再由电路转换为电压或电流的变换量输出，实现非电量的测量。·主要特点：结构简单，无活动触点，工作可靠，寿命长。YV灵敏度和分辨率高。传感器输出功率大，有利于信号传输。重复性好，线性度好。Y灵敏度、线性度和测量范围相互制约，随着测量范围增大分辨率下降。传感器自身频响较低，不适用于快速动态测量。O电感式传感器的分类：1.自感型（基于磁路几何参数）：变气隙式、变面积式、螺管插铁式（差动式）；2.互感型（基于磁路几何参数）差动变压器式：变气隙式、变面积式、螺管插铁式;3电涡流型：高频反射式、低频透射式。应用案例引导：差动变压器式滚珠直径分选装置mB心1一悬臂梁：X2一差动变压器TTAAx(t)v由悬臂染和差动变压器构成加速度传感器。测量时，将悬臂梁底座和差动变压器的骨架固定，而将衔铁的A端与被测振动体相接触，此时传感器作为加速度测量中的惯性元件，它的位移与被测加速度成正比。当被测体带动衔铁以x(t)振动时，加速度测量转变为位移的测量，使得传感器的输出按相同规律变化

第 4 章 电感式传感器 电感式传感器是利用电磁感应，把被测量物理量，如位移、压力、流量、振 动等转换成线圈的自感系数或互感系数的变化，再由电路转换为电压或电流的变 换量输出，实现非电量的测量。  主要特点：  结构简单，无活动触点，工作可靠，寿命长。  灵敏度和分辨率高。传感器输出功率大，有利于信号传输。  重复性好，线性度好。  灵敏度、线性度和测量范围相互制约，随着测量范围增大分辨率下降。  传感器自身频响较低，不适用于快速动态测量。  电感式传感器的分类： 1.自感型（基于磁路几何参数）：变气隙式、变面积式、螺管插铁式（差动式）； 2.互感型（基于磁路几何参数）差动变压器式：变气隙式、变面积式、螺管插铁 式； 3.电涡流型：高频反射式、低频透射式。 应用案例引导：差动变压器式滚珠直径分选装置 由悬臂梁和差动变压器构成加速度传感器。测量时，将悬臂梁底座和差动变 压器的骨架固定，而将衔铁的 A 端与被测振动体相接触，此时传感器作为加速 度测量中的惯性元件，它的位移与被测加速度成正比。当被测体带动衔铁以 x(t) 振动时，加速度测量转变为位移的测量，使得传感器的输出按相同规律变化

4.1变气隙式自感传感器1.工作原理1根据电感的定义?NdL=11由磁路欧姆定理dININΦ=RMR,+R,28其中R=R,-ApAMALNμAL.R,>>Re则: Lo << He28如果把衔铁的工作位移，限制在初始气隙左右较小的范围内。48 = (0.1~0.2) 8S曲线可近似看作一条直线。2.传感器特性NμoANμo AL.2828,衔铁向下移动，气隙增大↑时，电感的绝对变化量和相对变化量N?μA1NμoA. - d1AL= L-L.2288.S.dA8AsAS1AAL_, -8+ASL.88.8.8+A88.41+0.ASASAs+07.8.同理，衔铁向上移动，气隙△LA()()-{L因此，非线性误差

4.1 变气隙式自感传感器 1．工作原理 根据电感的定义 N L I I     由磁路欧姆定理 M F IN IN = R R +R   其中 F F F l R  A  ， 2 0 R A     0  F R >> RF 则 2 2 N 0A L    如果把衔铁的工作位移，限制在初始气隙左右较 小的范围内。   (0.1~0.2) 0 曲线可近似看作一条直线。 2．传感器特性 2 0 2 N A L    0 0 ， 2 0 1 2 N A L    1 衔铁向下移动，气隙增大↑时，电感的绝对变化量和相对变化量 2 2 2 2 N A L L L ( N )  A                0 1 0 0 0 0 1 1 0 1 1 1 L L                                                  2 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1                           2 3 0 0 0 同理，衔铁向上移动，气隙↓ 2 3 L L                             0 0 0 0 因此，非线性误差

△L△L上移：4下移：LoL.△L10Lo8传感器的灵敏度AL_ LoS=18-8提高S方法：减少初始间隙80；增加线圈匝数N和截面积A。结论：变气隙式自感传感器用于测量微小位移量。4.2差动式电感传感器1.结构和原理I1=I2，81=8218=-42螺线管式差动电感传感器与特性：详细讲解2.特性差动传感器接测量电桥后，电桥输出与差动电感L1和L2的总变化量L,+ L, =(L,+△ L) +(Lo+△ L, ASAOAo22-2,S.0可见，由于消除了偶次项，大大降低了非线性误差，灵敏度提高一倍

L L L L                                                3 3 0 0 0 0 2 2 0 0 上移： ，下移： 2 ( ) l L L        0 0 0 传感器的灵敏度 L L S       0 0 提高 S 方法：  减少初始间隙δ0；  增加线圈匝数 N 和截面积 A。 结论：变气隙式自感传感器用于测量微小位移量。 4.2 差动式电感传感器 1．结构和原理 I  I    1 2 ， 1 2    1 2 螺线管式差动电感传感器与特性：详细讲解 2．特性 差动传感器接测量电桥后，电桥输出与差动电感 L1 和 L2的总变化量 1 2 0 1 0 2 L L = ( L + L ) ( L L )                                                                                                       2 3 2 3 1 1 1 2 2 2 0 0 0 0 0 0 0 0 1 3 1 1 0 0 0 2 L L L 可见，由于消除了偶次项，大大降低了非线性误差，灵敏度提高一倍

(b）变截而式(a）变隙式(c）螺线管式(a）单边式(b）差动式1-线圈2-铁芯3-衔铁4-测杆5-导轨6-工件7-转轴3.测量电路（一）交流电桥1）单臂电桥△ZU. =1Z.Z, = R+ jo LAZ,=[R+jO(L+△L)-(R+jOL)=jO△Llu.jOAL.=-10.4Z-lAL4~s Z4 R+joLL特点：缺乏相角平衡，单臂电桥无法平衡！2.半桥（差动电感传感器）△L, = -△L23-U-sU.Z,+ Z,2Us Z,- Z,Us(R+ joL,)-(R+ joL)2 (R+ joL)+(R+ joL,)2 Z,+Z

1-线圈 2-铁芯 3-衔铁 4-测杆 5-导轨 6-工件 7-转轴 3．测量电路 （一）交流电桥 1） 单臂电桥 1 0 1 1 4 S Z U = U Z     Z1 = R+ 1 j L 1  1 1  1 1  Z  R+ j( L + L )  ( R+ j L )= j L 1 1 1 0 1 1 1 1 1 4 4 4 S S S Z j L L U U U U Z R+ j L L                1 特点：缺乏相角平衡，单臂电桥无法平衡！ 2. 半桥（差动电感传感器）  L1   L2 2 0 1 2 2 S S Z U U = U Z +Z     2 1 2 1 2 1 1 2 1 2 0 0 ( ) ( ) ( ) 2 2 ( )+( ) 2 2( ) 2 US Z Z US R+ S S j L R+ j L U j L L U L = = Z +Z R+ j L R+ j L R+ j L L                  

特点：用交流表测量电压有效值，可判断移动大小，但无法判断移动方向。AU（二）变压器式交流电桥UsU,ZUsALZ,~z222Z,+ Z2Lo特点：具有电气隔离！可判断其移动大小，但无法判断其移动方向（三）带相敏整流的交流电桥设衔铁向上移动，详细讲解电路运行过程。D

特点：用交流表测量电压有效值，可判断移动大小，但无法判断移动方向。 （二）变压器式交流电桥 2 0 1 2 0 2 2 2 S S S S Z U U Z U L U = U - - Z + Z Z L           特点：具有电气隔离！可判断其移动大小，但无法判 断其移动方向 （三）带相敏整流的交流电桥 设衔铁向上移动，详细讲解电路运行过程