1、电感式传感器,电感式位移传感器实例,电磁感应 利用线圈电感或互感的改变来实现非电量测量,分为变磁阻式、变压器式、涡流式等 特点： 工作可靠、寿命长 灵敏度高，分辨力高 精度高、线性好 性能稳定、重复性好,变磁阻式传感器,4.1.1 工作原理,4.1 变磁阻式传感器,通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻， 即,分为变气隙厚度的传感器和变气隙面积的传感器。,目前使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器,4.1.2 输出特性 L与之间是非线性关系， 特性曲线如所示。,变隙式电压传感器的L-特性,分析： 当衔铁处于初始位置时，初始电感量为,当衔铁上移时，传感器气隙减小，即=0， 则此时输出电感为,灵敏度为,
2、可见：变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾，因此变隙式电感式传感器适用于测量微小位移的场合。,与,衔铁上移 切线斜率变大,衔铁下移 切线斜率变小,为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变隙式电感传感器。,4.1.3 测量电路 交流电桥式、 变压器式交流电桥以及谐振式等。 1. 电感式传感器的等效电路,当Q2LC且2LC1时, 高Q值有Z1+Z2j(L1+L2)， 则电桥输出电压为,(4-20),2. 交流电桥式测量电路,3. 变压器式交流电桥,使用元件少，输出阻抗小, 获得广泛应用,(1) 变压器电路,当传感器衔铁上移：如Z1=Z+Z，Z2=ZZ，,当传感器衔铁下移：如Z1=
3、ZZ，Z2=Z+Z， 此时,由于 是交流电压， 输出指示无法判断位移方向，必须配合相敏检波电路来解决。,(2) 相敏检波电路,(a) 非相敏整流电路；（b） 相敏整流电路,使用相敏整流，输出电压U0不仅能反映衔铁位移的大小和方向， 而且还消除零点残余电压的影响，,调幅电路： 特点：此电路灵敏度很高， 但线性差，适用于线性度要求不高的场合。,4. 谐振式测量电路 分为：谐振式调幅电路和谐振式调频电路。,调频电路：传感器电感L的变化引起输出电压频率的变化。 把传感器电感L和电容C接入一个振荡回路中， 其振荡频率 。当L变化时，振荡频率随之变化，根据f的大小即可测出被测量的值。,传感器电感L变化会引
4、起输出电压相位变化.,5.调相式转换电路形式,6.自感传感器的灵敏度,传感器结构灵敏度 转换电路灵敏度,总灵敏度,第一项决定于传感器的类型 第二项决定于转换电路的形式 第三项决定于供电电压的大小,气隙型、变压器电桥 传感器,传感器灵敏度的单位为 mV/(mV) 电源电压为1V，衔铁偏移1m时，输出电压为若干毫伏,变磁阻式传感器的应用,变隙电感式压力传感器结构图,差动变压器式传感器,把被测的非电量变化转换为线圈互感变化 根据变压器的基本原理制成的，次级绕组用差动形式连接。 差动变压器结构形式：变隙式、变面积式和螺线管式等。在非电量测量中， 应用最多的是螺线管式差动变压器， 它可以测量1100mm
5、机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、 结构简单、性能可靠等优点。,(a)、(b) 变隙式差动变压器； (c)、(d) 螺线管式差动变压器； (e)、(f) 变面积式差动变压器,变隙式差动变压器1. 工作原理,2. 输出特性在忽略铁损（即涡流与磁滞损耗忽略不计）、漏感以及变压器次级开路（或负载阻抗足够大）的条件下,等效电路如下。 图中r1a与L1a , r1b与L1b , r2a与L2a , r2b与L2b，分别为W1a , W1b , W2a, W2b绕阻的直流电阻与电感。,变隙式差动变压器输出特性,结论：,（）供电电源首先要稳定，电源幅值的适当提高可以提高灵敏度K值; （）增加W2/W1的
6、比值和减少0都能使灵敏度K值提高; （）以上分析的结果是在忽略铁损和线圈中的分布电容条件下得到的; （）以上结果是在假定工艺上严格对称前提下得到的，而实际上很难做到这一点; （）上述推导是在变压器副边开路的情况下得到的。,4.2.2 螺线管式差动变压器1. 工作原理,线管式差动变压器结构,差动变压器等效电路,差动变压器输出电压的特性曲线,当活动衔铁向上移动时,由于磁阻的影响，W2a中磁通将大于W2b，使M1M2，因而E2a增加，而E2b减小。反之，E2b增加，E2a减小。因为Uo=E2a-E2b，所以当E2a、E2b 随着衔铁位移x变化时， Uo也必将随x而变化。,2.零点残余电压,当衔铁位于
7、中心位置时，差动变压器输出电压并不等于零，我们把差动变压器在零位移动时的输出电压称为零点残余电压，记作Uo. 它的存在使传感器的输出特性不经过零点，造成实际特性与理论特性不完全一致。 零点残余电压产生原因：主要是由传感器的两次级绕组的电气参数和几何尺寸不对称，以及磁性材料的非线性等引起的。,零点残余电压的波形主要由基波和高次谐波组成。 基波产生的主要原因是： 传感器的两次级绕组的电气参数、几何尺寸不对称， 导致它们产生的感应电势幅值不等、相位不同，因此不论怎样调整衔铁位置， 两线圈中感应电势都不能完全抵消。 高次谐波（主要是三次谐波）产生原因：是磁性材料磁化曲线的非线性（磁饱和、磁滞）。,零点
8、残余电压一般在几十毫伏以下，在实际使用时，应设法减小Ux，否则将会影响传感器的测量结果。,减小零点残余电压方法：1. 尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数及磁路的对称。2. 选用合适的测量电路，如采用相敏整流电路。3. 采用补偿线路减小零点残余电动势。,3. 基本特性 当初级开路时,根据电磁感应定律， 次级绕组中感应电势的表达式分别为,输出电压的有效值为, 活动衔铁处于中间位置时,M1=M2=M,故,Uo=0, 活动衔铁向上移动时,M1 =M+M， M2 =M-M,故, 活动衔铁向下移动时,M1 =M-M， M2 =M+M,故,4. 差动变压器式传感器测量电路 问题： （1）差动变压器的输出
9、是交流电压(用交流电压表测量，只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的方向); （ 2）测量值中将包含零点残余电压。,常常采用差动整流电路或相敏检波电路。 (1) 差动整流电路 把差动变压器的两个次级输出电压分别整流，然后将整流的电压或电流的差值作为输出。,整流电路的输出电压为,5. 差动变压器式传感器的应用可直接用于位移测量，也可以测量与位移有关的任何机械量，如振动、加速度、应变、张力等。,(1) 加速度传感器,（2）力和力矩的测量,1线圈 2衔铁 3弹性元件,优点：承受轴向力时应力分布均匀；当长径比较小时，受横向偏心的分力的影响较小。,（3）微小位移的测量,1测端 2防尘罩 3轴套 4圆片簧 5测杆 6磁筒 7磁芯 8线圈 9弹簧 10导线,（4） 压力测量,微压力传感器 1-接头；2-膜盒； 3-底座；4-线路板； 5-差动变压器线圈； 6-衔铁；7-罩壳； 8-插头；9-通孔,传感器与弹性敏感元件（膜片、膜盒和弹簧管等）相结合， 可以组成开环压力传感器和闭环力平衡式压力计,
