第四节电感式传感器 原理:把位移等被测量转换为电感量变化的一种装置。(基于电磁感应原理) 结构分类:(1)自感式(a)可变磁阻(b)涡流式 (2)互感式差动变压器式 自感式 ()可变磁阻 构造原理见图3-1,它由线圈1,铁心2和衔铁3组成。线圈自感量L为 R (3-13) 式中W—线圈匝数Rn磁路总磁阻[H(亨) 如果空气隙δ较小,不考虑磁路的铁损时,则总磁阻为 26 R HA uo Ao (3-14) 式中-铁心磁导率0空气磁导率(4xx10)L铁心导磁长度 δ—气隙长度A_铁心导磁截面积A=axbA-空气隙导磁横截面积 KDI
第四节电感式传感器 原理：把位移等被测量转换为电感量变化的一种装置。(基于电磁感应原理) 结构分类：（1）自感式 (a) 可变磁阻 (b) 涡流式 （2）互感式——差动变压器式 一．自感式 (一) 可变磁阻 构造原理见图3-12, 它由线圈1, 铁心2和衔铁3组成。线圈自感量L为 Rm W L 2 = （3-13） 式中 W——线圈匝数 Rm——磁路总磁阻[H-1 ](亨) 如果空气隙δ较小，不考虑磁路的铁损时，则总磁阻为 0 0 2 A A l Rm = + （3-14） 式中 μ—铁心磁导率 μ0—空气磁导率(4πⅹ10-7 ) l—铁心导磁长度 δ—气隙长度 A—铁心导磁截面积 A = aⅹb A0—空气隙导磁横截面积 11
因为铁心磁阻与空气隙磁阻相比是很小的,可以忽略,故 2 (3-15) 040 WuoA 代入式3-13)得 (3-16) 26 式(3-16)表明:自感L与气隙6成反比,与气隙导磁截面积A成正比。 当固定A变化δ时,L与6呈非线性关系,此时传感器灵敏度S为 28 (3-17 从式(3-17)看出,灵敏度S与气隙长度平方成反比,δ越小,S越高。如 果S不是常数会出现非线性误差。为了减小这一误差,通常规定在较小间隙 范围内工作。设间隙变化为(o,6o+△),一般应用中取△6/δ≤0.1 此种传感器适合于较小位移的测量,一般设为0001~1mme KDI 12
因为铁心磁阻与空气隙磁阻相比是很小的，可以忽略，故 0 0 2 A Rm （3-15） 代入式3-13）得 2 0 0 2 W A L = （3-16） 式（3-16）表明：自感 L 与气隙δ 成反比，与气隙导磁截面积 A0 成正比。 当固定 A0 变化δ 时，L与δ 呈非线性关系，此时传感器灵敏度S 为 2 0 0 2 2 W A S = − （3-17） 从式（3-17）看出，灵敏度 S 与气隙长度平方成反比，δ 越小，S 越高。如 果 S 不是常数会出现非线性误差。为了减小这一误差，通常规定在较小间隙 范围内工作。设间隙变化为(δ0,δ0+Δδ)，一般应用中取 Δδ/δ≤0.1。 此种传感器适合于较小位移的测量，一般设为 0.001~1 mm。 12
图(3-13)中列出四种常用可变磁阻式传感器的典型结构。 (1)可变导磁面积型L与A成线性关系,灵敏度较低。 (2)差动型两个线圈的间隙按0+△6和△0变化,一个线圈自感 增加,另一个线圈自感减少,将两线圈接于电桥相邻两臂时,其灵敏 度提高1倍,并改善了非线性。 (3)单螺管线圈型铁心在线圈中运动时,将改变磁阻使自感发生变化。 结构简单,易制造,但灵敏度低,使用大位移测量。 (4)双螺管线圈差动型与单螺管线圈型相比有较高灵敏度及线性,常用于 电感测微仪上,其测量范围为0300mm最小分辨力为05m这 种传感器常接于电桥两个桥臂上,线圈电感L1、L随铁心位移而变化, 其输出特性如图(3-14)所示。 KDI 13
图(3-13）中列出四种常用可变磁阻式传感器的典型结构。 （3）单螺管线圈型 铁心在线圈中运动时，将改变磁阻使自感发生变化。 结构简单，易制造，但灵敏度低，使用大位移测量。 （1）可变导磁面积型 L与A0成线性关系，灵敏度较低。 （2）差动型 两个线圈的间隙按δ0+Δδ和δ0-Δδ变化，一个线圈自感 增加，另一个线圈自感减少，将两线圈接于电桥相邻两臂时，其灵敏 度提高 1 倍，并改善了非线性。 （4）双螺管线圈差动型与单螺管线圈型相比有较高灵敏度及线性，常用于 电感测微仪上，其测量范围为0~300 μm,最小分辨力为 0.5μm。这 种传感器常接于电桥两个桥臂上，线圈电感 L1、L2随铁心位移而变化， 其输出特性如图（3-14）所示。 13
(二)涡电流式 原理:利用金属体在交变磁场中的涡流 效应。涡电流的交变磁场与线圈的磁场 变化方向相反。由于涡流磁场作用,使 原线圈的等效阻抗Z发生变化。 Z=f(μ,p,δ,o) 涡流效应是间隙δ、金属板电阻率p 磁导率μ、检测电流频率o的函数。 金属板 应用:位移、振动测量。() 材质鉴别、探伤。(p、H) 图3-15高频反射式涡流传感器原理 特点:(1)非接触测量(2)无运动部件(3)耐环境性好(4)量程大 (5)非线性较大 KDI 14
（二）涡电流式 原理：利用金属体在交变磁场中的涡流 效应。涡电流的交变磁场与线圈的磁场 变化方向相反。由于涡流磁场作用，使 原线圈的等效阻抗 Z 发生变化。 图3-15 高频反射式涡流传感器原理 i Ф i Ф 1 1 金属板 δ 14 Z = f (μ，ρ，δ，ω） 涡流效应是间隙δ、金属板电阻率ρ、 磁导率μ、检测电流频率ω的函数。 应用：位移、振动测量。（δ） 材质鉴别、探伤。（ρ、μ） 特点：（1）非接触测量 （2）无运动部件 （3）耐环境性好 （4）量程大 （5）非线性较大
涡电流式传感器测量电路:(1)阻抗分压式调幅电路(2)调频电路 分压式调幅电路:原理见图3-16,图3-1是其诸振曲线及输出特性。传感器 线圈L和电容C组成并联谐振回路,其诸振频率为 电路中由振荡器提供稳定的高频信号。当诸振频率等于电源频率时,输出 电压u最大。工作时线圈阻抗随δ改变,LC回路失谐,输出信号u()频 率虽然仍为工作频率,但幅值随δ而变化,它相当于一个调谐波。此调谐 波经放大、检波、滤波后即可得到气隙δ的动态化信息。 KDI 15
涡电流式传感器测量电路：（1）阻抗分压式调幅电路（2）调频电路 分压式调幅电路：原理见图3-16，图3-17是其谐振曲线及输出特性。传感器 线圈 L 和电容 C 组成并联谐振回路，其谐振频率为 LC f 2 1 = （3-18） 电路中由振荡器提供稳定的高频信号。当谐振频率等于电源频率时，输出 电压 u 最大。工作时线圈阻抗随δ 改变，LC 回路失谐，输出信号 u (t) 频 率虽然仍为工作频率，但幅值随δ 而变化，它相当于一个调谐波。此调谐 波经放大、检波、滤波后即可得到气隙δ 的动态化信息。 15