第四章电感式传感器 电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化,从而导 致线圈电感量改变这一物理现象来实现测量的。因此根据转换原理,电感式传感 器可以分为自感式和互感式两大类 41自感式电感传感器 自感式电感传感器可分为变间隙型、变面积型和螺管型三种类型。 411原理分析 4111变间隙型电感传感器 变间隙型电感传感器的结构示意图如图4.1.1所示。 传感器由线圈、铁心和衔铁组成。工作时衔铁与被测物体□ 连接,被测物体的位移将引起空气隙的长度发生变化。由于 气隙磁阻的变化,导致了线圈电感量的变化。 线圈的电感可用下式表示: L (4-1-1 R 式中,N为线圈匝数;m为磁路总磁阻。 图4.1.1变间隙型电感传感器 1-线圈2-铁芯3-衔铁
第四章 电感式传感器 电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化，从而导 致线圈电感量改变这一物理现象来实现测量的。因此根据转换原理，电感式传感 器可以分为自感式和互感式两大类。 4.1 自感式电感传感器 自感式电感传感器可分为变间隙型、变面积型和螺管型三种类型。 4.1.1 原理分析 4.1.1.1 变间隙型电感传感器 变间隙型电感传感器的结构示意图如图4.1.1所示。 传感器由线圈、铁心和衔铁组成。工作时衔铁与被测物体 连接，被测物体的位移将引起空气隙的长度发生变化。由于 气隙磁阻的变化，导致了线圈电感量的变化。 线圈的电感可用下式表示： (4-1-1) 式中，N为线圈匝数；Rm为磁路总磁阻。 δ 1 2 3 图4.1.1 变间隙型电感传感器 1-线圈 2-铁芯 3-衔铁 Rm N L 2 =
对于变间隙式电感传感器,如果忽略磁路铁损,则磁路总磁阻为 R u, A A (4-1-2) 式中,l.铁心磁路长;12为衔铁磁路长;A为截面积;μ1为铁心磁导率;2为衔铁磁导 率;μO为空气磁导率;6为空气隙厚度。 因此有 u,A A2A HoA (4-1-3) 般情况下,导磁体的磁阻与空气隙磁阻相比是很小的,因此线圈的电感值可近似地表 示为 NuA L (4-1-4) 26 由上式可以看出传感器的灵敏度随气隙的增大而减小。为了发送非线性,气隙的相对变 化量要很小,但过小又将影响测量范围,所以要兼顾考虑两个方面。 4.1.1.2变面积型电感传感器 由变气隙型电感传感器可知,气隙长度不变,铁心与衔铁之间相对而言覆盖面积随被测 量的变化面改变,从而导致线圈的电感量发生变化,这种形式称之为变面积型电感传感器, 其结构示意图见图4.1.2 通过对式(4-1-4)的分析可知,线圈电感量L与气隙厚度是非线性的,但与磁通截面积 A却是成正比,是一种线性关系。特性曲线参见图4.1.3
对于变间隙式电感传感器，如果忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为 (4-1-2) 式中，l1为铁心磁路长；l2为衔铁磁路长；A为截面积；µ1为铁心磁导率；µ2为衔铁磁导 率；µ0为空气磁导率；δ为空气隙厚度。 因此有： （4-1-3） 一般情况下，导磁体的磁阻与空气隙磁阻相比是很小的，因此线圈的电感值可近似地表 示为 （4-1-4） 由上式可以看出传感器的灵敏度随气隙的增大而减小。为了发送非线性，气隙的相对变 化量要很小，但过小又将影响测量范围，所以要兼顾考虑两个方面。 4.1.1.2 变面积型电感传感器 由变气隙型电感传感器可知，气隙长度不变，铁心与衔铁之间相对而言覆盖面积随被测 量的变化面改变，从而导致线圈的电感量发生变化，这种形式称之为变面积型电感传感器， 其结构示意图见图4.1.2。 通过对式（4-1-4）的分析可知，线圈电感量L与气隙厚度是非线性的，但与磁通截面积 A却是成正比，是一种线性关系。特性曲线参见图4.1.3。 A A l A l Rm 2 0 2 1 1 2 = + + A A l A l N R N L m 2 0 2 1 1 2 2 2 + + = = 2 0 2 N A L =
L=f(A) L=f 6,A 图4.1.2变面积型电感传感器 图4.1.3电感传感器特性 衔铁2-铁芯3-线圈 4.113螺管型电感式传感器 图4.1.4为螺管型电感式传感器的结构图。螺管型电感传感器的衔铁随被测对象移动 线圈磁力线路径上的磁阻发生变化,线圈电感量也因此而变化。线圈电感量的大小与衔 铁插入线圈的深度有关。 设线圈长度为l、线圈的平均半径为r、线圈的匝数为M 衔铁进入线圈的长度la、衔铁的半径为ra、铁心的有效磁导 区××××× 率为m,则线圈的电感量L与衔铁进入线圈的长度la的关系 可表示为 L 4zNb2+(m-1) (4-1-5) 图4.1.4螺管型电感传感器 1-线圈2-衔铁
δ 1 2 3 L δ, A L=f(A) L=f(δ) 图4.1.2 变面积型电感传感器 图4.1.3 电感传感器特性 1-衔铁 2-铁芯 3-线圈 4.1.1.3 螺管型电感式传感器 图4.1.4为螺管型电感式传感器的结构图。螺管型电感传感器的衔铁随被测对象移动， 线圈磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈电感量也因此而变化。线圈电感量的大小与衔 铁插入线圈的深度有关。 l r x 2ra 1 2 图4.1.4 螺管型电感传感器 1-线圈 2-衔铁 设线圈长度为l、线圈的平均半径为r、线圈的匝数为N、 衔铁进入线圈的长度la、衔铁的半径为ra、铁心的有效磁导 率为µm，则线圈的电感量L与衔铁进入线圈的长度la的关系 可表示为 2 2 2 2 2 ( 1) 4 m a a lr l r l N L = + − （4-1-5）
通过以上三种形式的电感式传感器的分析,可以得出以下几点结论 I.变间隙型灵敏度较高,但非线性误差较大,且制作装配比较困难。 ⅡI变面积型灵敏度较前者小但线性较好量程较大,使用比较广泛。 I螺管型灵敏度较低,但量程大且结构简单易于制作和批量生产,是使用最广泛的一种电 感式传感器。 414差动式电感传感器 在实际使用中,常采用两个相同的传感线圈共用一个衔铁,构成差动式电感传感器,这样可 以提高传感器的灵敏度,减小测量误差。图4.1.5是变间隙型、变面积型及螺管型三种类型 的差动式电感传感器。 差动式电感传感器的结构 要求两个导磁体的几何尺寸N 及材料完全相同,两个线圈 ,坛 的电气参数和几何尺寸完全 相同。 差动式结构除了可以改 善线性、提高灵敏度外,对 温度变化、电源频率变化等 图4.1.5差动式电感传感器 影响,也可以进行补偿,从 a)变间隙型b)变面积型c)螺管型 而减少了外界影响造成的误 1-线圈2-铁芯3-衔铁4-导杆 差
通过以上三种形式的电感式传感器的分析,可以得出以下几点结论: I. 变间隙型灵敏度较高,但非线性误差较大,且制作装配比较困难。 II. 变面积型灵敏度较前者小,但线性较好,量程较大,使用比较广泛。 III. 螺管型灵敏度较低,但量程大且结构简单易于制作和批量生产,是使用最广泛的一种电 感式传感器。 4.1.1.4 差动式电感传感器 在实际使用中,常采用两个相同的传感线圈共用一个衔铁,构成差动式电感传感器,这样可 以提高传感器的灵敏度,减小测量误差。图4.1.5是变间隙型、变面积型及螺管型三种类型 的差动式电感传感器。 l 2 3 4 a) b) l 2 3 4 l 3 4 c) 图4.1.5 差动式电感传感器 a) 变间隙型 b) 变面积型 c) 螺管型 1-线圈 2-铁芯 3-衔铁 4-导杆 差动式电感传感器的结构 要求两个导磁体的几何尺寸 及材料完全相同，两个线圈 的电气参数和几何尺寸完全 相同。 差动式结构除了可以改 善线性、提高灵敏度外，对 温度变化、电源频率变化等 影响，也可以进行补偿，从 而减少了外界影响造成的误 差
41.2测量电路 交流电桥是电感式传感器的主要测量电路,它的作用是将线圈电感的变化转换成电桥电路 的电压或电流输出。 前面已提到差动式结构可以提高灵敏度,改善线性,所以交流电桥也多采用双臂工作 形式。通常将传感器作为电桥的两个工作臂,电桥的平衡臂可以是纯电阻,也可以是变压 器的二次侧绕组或紧耦合电感线圈。图4.1.6是交流电桥的几种常用形式。 zio L2 SU/2 U/2 a)电阻平衡臂电桥 b)变压器式电桥 c)紧耦合电感臂电桥 图4.1.6交流电桥的几种形式
4.1.2 测量电路 交流电桥是电感式传感器的主要测量电路，它的作用是将线圈电感的变化转换成电桥电路 的电压或电流输出。 前面已提到差动式结构可以提高灵敏度，改善线性，所以交流电桥也多采用双臂工作 形式。通常将传感器作为电桥的两个工作臂，电桥的平衡臂可以是纯电阻，也可以是变压 器的二次侧绕组或紧耦合电感线圈。图4.1.6是交流电桥的几种常用形式。 M L L c) 紧耦合电感臂电桥 U ． U/2 ． U/2 ． U0 ． b) 变压器式电桥 Z1 Z2 Z1 Z2 U0 ． U ． R1 R2 Rˊ1 U ． Rˊ2 Z1 L1 L2 Z2 ZL U0 ． a) 电阻平衡臂电桥 图4.1.6 交流电桥的几种形式