KC04030406m06学习辅导电感式传感器的工作原理.docx

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电感式传感器的工作原理

1.电感式传感器：

利用线圈电感或互感的改变来实现非电量（位移、振动、压力、流量等）的测量。

2.分类:

变磁阻式传感器

互感式传感器

涡流式传感器

4.1变磁阻式传感器

分类：

自感式（П型）、差动式（E型）、螺管型

4.1.1自感式传感器

1.结构和工作原理

组成：

由线圈、铁芯、衔铁三部分组成

工作原理：

衔铁移动磁路中气隙磁阻变化线圈的电感值的变化

根据电工学理论：

，

—线圈匝数；

—磁路的总磁阻；

—铁芯、衔铁的磁阻；

—空气隙磁阻；

μ1、μ2、μ0—铁芯、衔铁、空气的导磁率；

S1、S2、S—铁芯、衔铁、空气隙的横截面积

因为、（忽略）

所以，线圈电感为

结论：

电感式传感器分为：

（1）S不变，变气隙厚度δ的传感器（测量线位移）；

（2）δ不变，变气隙面积S的传感器（测量角位移）

2.变气隙式自感传感器的输出特性

初始电感量：

若衔铁下移，即

，

当时，上式展开成级数形式为

同理，若衔铁上移，即

，

灵敏度：

结论：

（）与成非线性关系，高次项是造成非线性的主要原因。

当越小时，则高次项迅速减少，非线性得到改善，所以，用于测量微小的位移量是比较精确的。

为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动式电感传感器。

3.自感传感器的等效电路分析

Rc：

线圈的铜损耗电阻；

Re：

铁芯的涡流损耗电阻；

C：

线圈的寄生电容

若忽略Rc、Re、C

实际上，存在起始电流，因为，，所以与相比不能忽略，。

随着，气隙很大时，RC与jωL相比不能忽略，这时最大电流将趋向一个稳定值。

结论：

由于测量电路特性的非线性，以及存在起始电流，使其不适用于精密测量。

4.1.2差动自感传感器

差动式E形电感传感器

1.结构和工作原理

2.输出特性

忽略高次项

灵敏度：

结论：

差动式电感传感器的灵敏度比单个电感传感器的提高一倍；非线性误差降低。

3.测量电路

（1）起始位置（衔铁在中间）

，，

RC—电感线圈的铜电阻

电桥平衡

（2）衔铁上移

，

，

由于，

因此

（忽略线圈铜损耗电阻Rc）

（3）同理：

衔铁下移

结论：

衔铁向上、向下移动时，输出电压大小相等，但方向相反。

由于是交流电压，输出指示无法判断出位移方向，必须采用相敏检波器才可鉴别出输出电压的极性随位移方向变化而变化。

4.2互感（差动变压器）式传感器

1.结构与工作原理

螺管形差动变压器结构如图

组成：

铁芯、线圈（初级线圈、次级线圈）

工作原理:

当铁芯位于线圈中心位置时，，，

当铁芯向上移动时，，，，与同极性

当铁芯向下移动时，，，，与同极性

2.等效电路

R1—初级线圈损耗电阻，R21、R22—次级线圈损耗电阻

在理想情况下（忽略线圈寄生电容、铁芯损耗以及导磁体磁阻），次级线圈开路时

初级线圈的电流：

次级线圈的感应电势：

空载输出电压为

输出电压的幅值

分三种情况讨论：

（1）铁芯处于中间位置时，，

（2）铁芯上移时，，

，与同相

（3）铁芯下移时，，

，与同相（与反相）

Ux----零点残余电压（几十毫伏以下），产生的原因是变压器的制作工艺和导磁体安装等问题。

3.测量电路

为了反映衔铁移动的方向和消除零点残余电压，常采用差动整流电路和相敏检波电路

（1）差动整流电路

工作原理分析：

①衔铁在零位以上

（上移）

②衔铁在零位

③衔铁在零位以下

（下移）

（2）相敏检波电路

工作原理分析：

1）时

正半周，、导通

负半周，、导通

2）时

①、同相（）

正半周，、导通

负半周，、导通

②、反相

同理可分析，

4.3电涡流式传感器

电涡流:

通电电感线圈产生的磁力线经过金属导体时，金属导体就会产生感应电流，该电流的闭合回线呈水涡形状，故称为电涡流。

1.工作原理

电涡流效应（基于法拉第定律）：

（交变电流）（交变磁场）（电涡流）（交变磁场）与方向相反的大小和相位变化，即引起电感线圈的有效阻抗变化。

、—被测金属导体的电阻率、导磁率

—线圈激励信号频率

—被测金属导体的厚度

—线圈与金属体之间的距离

若保持、、、不变

-------------为测距传感器

2.等效电路

—空心线圈的电阻和电感；

—电涡流回路的等效电阻和电感；

—线圈与金属体之间的互感，是距离X的函数。

根据克希霍夫定律：

线圈的等效阻抗：

线圈的等效电阻：

线圈的等效电感：

（距离越近，M越大，Leq越小）

原线圈阻抗：

线圈的品质因数：

3.测量电路

（1）调频式电路

（2）调幅式电路

石英晶体振荡电路的作用—恒流源

金属体远离时，L、C谐振回路发生谐振，谐振频率，

金属体靠近时，

4.4电感式传感器应用举例（P72）

1．差动式电感测厚仪

2．涡流式传感器应用

（1）位移测量

（2）厚度测量

（3）转速测量

N—槽数

测量原理：

当旋转体转动时，齿轮的齿与传感器的距离变小，电感量变小；齿轮的槽与传感器的距离变大，电感量变大。

经整形电路处理后，输出周期性的电信号，由频率计测出该信号频率。

换算成转速：

（4）涡流探伤

用来检查金属表面裂纹、热处理裂纹以及用于焊接部位的探伤