《传感器与检测技术》课程教学课件（PPT讲稿）第5章 电感传感器 5.1 自感式传感器

第5章 电感传感器 5.1自感式传感器 ●5.2差动变压器 ●5.3涡流传感器 。5.4电感传感器的应用

第5章 电感传感器 ⚫ 5.1 自感式传感器 ⚫ 5.2 差动变压器 ⚫ 5.3 涡流传感器 ⚫ 5.4 电感传感器的应用

5.1.0实物 )),带有模拟输出的电感式接近传感器是一种测量式控制位置偏差的电子信号发生器 其用途非常广泛。例如：可测量弯曲和偏移；可测量振荡的振幅高度：可控制尺寸的稳定性： 可控制定位：可控制对中心率或偏心率。 电感传感器还可用作磁敏速度开关、齿轮龄条测速等，该类传感器广泛应用于纺织、化纤 展示 机床、机械、治金、机车汽车等行业的链轮齿速度检测，链输送带的速度和距离检测，齿轮 龄计数转速表及汽车防护系统的控制等。另外该类传感器还可用在给料管系统中小物体检测、 物体喷出控制、断线监测、小零件区分、厚度检测和位置控制等。 :》。由铁心和线圈构成的将直线或角位移的变化转换为线圈电感量变化的传感器，又称 电感式位移传感器。这种传感器的线圈匝数和材料导磁系数都是一定的，其电感量的变化是由 于位移输入量导致线圈磁路的几何尺寸变化而引起的。当把线圈接入测量电路并接通激励电源 时，就可获得正比于位移输入量的电压或电流输出。 ,电感式传感器的特点是：①无活动触点、可靠度高、寿命长：②分辨率高：③灵敏 度高：④线性度高、重复性好：⑤测量范围宽（测量范围大时分辨率低）：⑥无输入时有零位 输出电压，引起测量误差：⑦对激励电源的频率和幅值稳定性要求较高：⑧不适用于高频动态 测量。电感式传感器主要用于位移测量和可以转换成位移变化的机械量（如力、张力、压力、 压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位、比重、转矩等)的测量。 带有模拟输出的电感式接近传感器 4),常用电感式传感器有变间隙型、变面积型和螺管插铁型。在实际应用中，这三种传 感器多制成差动式，以便提高线性度和减小电磁吸力所造成的附加误差。 变间隙型电感传感器：这种传感器气隙δ随被测量的变化而改变从而改变磁阻。它的灵敏 度和非线性都随气隙的增大而减小，因此常常要考虑两者兼顾。6一般取在0.1~0.5毫米之间。 变面积型电感传感器：这种传感器的铁芯和衔铁之间的相对覆盖面积（即磁通截面）随被 测量的变化而改变，从而改变磁阻。它的灵敏度为常数，线性度也很好。 螺管插铁型电感传感器：它由螺管线圈和和被测物体相连的柱型衔铁构成。其工作原理基 于线圈磁力线泄漏路径上磁阻的变化。衔铁随被测物体移动时改变了线圈的电感量。这种传感 器的量程大，灵敏度低，结构简单，便于制作。 测试电路编辑 )州量嘴：主要采用交流电桥。交流电桥的固定桥臂可以是电阻、变压器的次级绕组或 紧耦合的电感。需要指出的是，紧耦合电感电桥无论是在灵敏度指标上还是在电桥的平衡上都 更优越。 简单自感传感器的测量线路，该线路的输出量是电流。该线路在精密测量中存在如下一些 缺点：线性工作范围窄：无输入时就存在起始电流，因此不能实现零输入时零输出的要求，且 激磁电流产生的磁场使衔铁产生附加位移将引起测量误差。将简单自感传感器的自感量转换成 电的频率变化的设想是：将简单自感传感器与电容器构成一振荡器的线路，于是振荡器的振荡 频率便是传感器自感量的函数。实现上述设想的典型线路，这是一个电容三点式振荡器

5.1.0 实物 展示 （1）应用：带有模拟输出的电感式接近传感器是一种测量式控制位置偏差的电子信号发生器， 其用途非常广泛。例如：可测量弯曲和偏移；可测量振荡的振幅高度；可控制尺寸的稳定性； 可控制定位；可控制对中心率或偏心率。 电感传感器还可用作磁敏速度开关、齿轮龄条测速等，该类传感器广泛应用于纺织、化纤 、机床、机械、冶金、机车汽车等行业的链轮齿速度检测，链输送带的速度和距离检测，齿轮 龄计数转速表及汽车防护系统的控制等。另外该类传感器还可用在给料管系统中小物体检测、 物体喷出控制、断线监测、小零件区分、厚度检测和位置控制等 。 （2）原理：由铁心和线圈构成的将直线或角位移的变化转换为线圈电感量变化的传感器，又称 电感式位移传感器。这种传感器的线圈匝数和材料导磁系数都是一定的，其电感量的变化是由 于位移输入量导致线圈磁路的几何尺寸变化而引起的。当把线圈接入测量电路并接通激励电源 时，就可获得正比于位移输入量的电压或电流输出。 （3）特点：电感式传感器的特点是：①无活动触点、可靠度高、寿命长；②分辨率高；③灵敏 度高；④线性度高、重复性好；⑤测量范围宽（测量范围大时分辨率低）；⑥无输入时有零位 输出电压，引起测量误差；⑦对激励电源的频率和幅值稳定性要求较高；⑧不适用于高频动态 测量。电感式传感器主要用于位移测量和可以转换成位移变化的机械量（如力、张力、压力、 压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位、比重、转矩等）的测量。 （4）分类：常用电感式传感器有变间隙型、变面积型和螺管插铁型。在实际应用中，这三种传 感器多制成差动式，以便提高线性度和减小电磁吸力所造成的附加误差。 变间隙型电感传感器：这种传感器气隙δ随被测量的变化而改变,从而改变磁阻。它的灵敏 度和非线性都随气隙的增大而减小，因此常常要考虑两者兼顾。δ一般取在0.1～0.5毫米之间。 变面积型电感传感器：这种传感器的铁芯和衔铁之间的相对覆盖面积（即磁通截面）随被 测量的变化而改变,从而改变磁阻。它的灵敏度为常数，线性度也很好。 螺管插铁型电感传感器：它由螺管线圈和和被测物体相连的柱型衔铁构成。其工作原理基 于线圈磁力线泄漏路径上磁阻的变化。衔铁随被测物体移动时改变了线圈的电感量。这种传感 器的量程大，灵敏度低，结构简单，便于制作。 测试电路编辑 （5）测量线路：主要采用交流电桥。交流电桥的固定桥臂可以是电阻、变压器的次级绕组或 紧耦合的电感。需要指出的是，紧耦合电感电桥无论是在灵敏度指标上还是在电桥的平衡上都 更优越。 简单自感传感器的测量线路，该线路的输出量是电流。该线路在精密测量中存在如下一些 缺点：线性工作范围窄；无输入时就存在起始电流，因此不能实现零输入时零输出的要求，且 激磁电流产生的磁场使衔铁产生附加位移将引起测量误差。将简单自感传感器的自感量转换成 电的频率变化的设想是：将简单自感传感器与电容器构成一振荡器的线路，于是振荡器的振荡 频率便是传感器自感量的函数。实现上述设想的典型线路，这是一个电容三点式振荡器。 带有模拟输出的电感式接近传感器

电感传感器 .cn

电感传感器

电感式传感器：可以 实现信息的远距离传输、 记录、显示以及控制的 功能，它在工业自动控 制系统中被广泛的采用。 它生要具有以下特点： (1)结构简单，传感 器无活动电触点，因此 工作可靠寿命长。 (2)具有很高的灵敏 度以及分辨力，可以测 出0.01微米的位移变化， 且它的输出信号强，电 压灵敏度一般每毫米的 位移可达数百毫伏的输 出。 (3)线性度和重复性 都比较好，在一定位移 范围内，传感器非线性 误差可达0.05%~0.1%

电感式传感器：可以 实现信息的远距离传输、 记录、显示以及控制的 功能，它在工业自动控 制系统中被广泛的采用。 它主要具有以下特点： (1)结构简单，传感 器无活动电触点，因此 工作可靠寿命长。 (2)具有很高的灵敏 度以及分辨力，可以测 出0.01微米的位移变化， 且它的输出信号强，电 压灵敏度一般每毫米的 位移可达数百毫伏的输 出。 (3)线性度和重复性 都比较好，在一定位移 范围内，传感器非线性 误差可达0.05%~0.1%

5.1自感式传感器 5.1.0实物展示 ·5.1.1工作原理 ·5.1.2变气隙式自感传感器 ●5.1.3变面积式自感传感器 。5.1.4螺线管式自感传感器 05.1.5 自感式传感器测量电路 ●5.1.6 自感式传感器应用举例

5.1 自感式传感器 ⚫ 5.1.0 实物展示 ⚫ 5.1.1 工作原理 ⚫ 5.1.2 变气隙式自感传感器 ⚫ 5.1.3 变面积式自感传感器 ⚫ 5.1.4 螺线管式自感传感器 ⚫ 5.1.5 自感式传感器测量电路 ⚫ 5.1.6 自感式传感器应用举例

5.1.1工作原理 Ψ WΦ w2 平一一线圈总磁链，单位：韦伯； 线圈自感 R I一一通过线圈的电流，单位：安培： W一 线圈的匝数 R 磁路总磁阻，单位：1/亨。 a)气隙型 b)截面型 c)螺管型 自感式传感器原理图 返间 上一页 下一页

5.1.1 工作原理 线圈自感 Ψ——线圈总磁链,单位：韦伯； I——通过线圈的电流，单位：安培； W——线圈的匝数； Rm——磁路总磁阻，单位：1/亨。 a)气隙型 b)截面型 c)螺管型 自感式传感器原理图 返 回 上一页 下一页 R m W I W I L 2 =  =  =

Rn=∑1，/4，S,+2614S l一一各段导磁体的长度(m): 各段导磁体的磁导率(H/m): Si- 各段导磁体的截面积(mm); 空气隙的厚度(m): 0 真空磁导率(H/m): 空气隙截面积(mm) L=W2/∑0/4，S)+2814,S] -胸 变气隙型传感器 变截面型传感器 线圈中放入圆形衔铁，当衔铁上下移动时，自感量随之 变化，这将构成了螺管型传感器。 返回 上一贝 一页

L =W (l S )+ S i i i 0 2 / /  2 /  Rm = l i /i Si + 2 / 0 S l i ——各段导磁体的长度（m）； μi——各段导磁体的磁导率（H/m） ； S i ——各段导磁体的截面积（mm）； δ ——空气隙的厚度（m）； μ0 ——真空磁导率（H/m）； S ——空气隙截面积（mm）。 L = f ( ,S) L f (S) = 2 ( ) 1 L = f 变气隙型传感器 变截面型传感器 线圈中放入圆形衔铁 ,当衔铁上下移动时， 自感量随之 变化，这将构成了螺管型传感器。 返 回 上一页 下一页

5.1.2变气隙式自感传感器 26 Rm= 41S142S2 MoSo 通常气隙的磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻 因为 28 12 26 HoSo 42S2 MoSo 41S1 26 所以 R HoSo 则 W2 w2 HoSo L与δ之间是非线性关系 R 26 返 上一页 下一页

5.1.2 变气隙式自感传感器 2 2 0 0 2 1 1 1 2 s s l s l R m     = + + 通常气隙的磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻 1 1 1 0 0 2 s l  s    2 2 2 0 0 2 s l  s    0 0 2 s R m      2 0 0 2 2 W s R W L m = = L与δ之间是非线性关系 返 回 上一页 下一页 因为 所以 则

L 当衔铁处于初始位置时 初始电感量为 Lo+AL Lo L W24S0 Lo-AL 26。 0 ⊙，-A8,⊙，6+△⑧， 6 当衔铁上移△δ时，则 L=Lo+AL 6=6-△6 代入式 w2 L= W24S0 26 并整理得下式 L=L。+△L= W2450 Lo 2(6。-△8) △6 6。 返回 上一页 下一页

当衔铁处于初始位置时， 初始电感量为 0 0 0 2 0 2 W  s L = 当衔铁上移Δδ时，则 ， 代入式 0 0 0 0 0 2 0 1 2( )       − = −  = +  = W s L L L L  =  − 0 L = L0 + L 返 回 上一页 下一页   2 0 0 2 2 W s R W L m = = 并整理得下式

△616.1 上式用泰勒级数展开成如下的级数形式 L=L。+△L= △ △6 △6 6 6 △L△6 46 △6 Lo 6。 同理，当衔铁随被测物体的初始位置向下移动时，有 △6.△6 △6 △L=L △6 6 AL。_Ad 46 △6 6 返回 上一页 下一页

/ 1 0    上式用泰勒级数展开成如下的级数形式         +          +  = +  = +  2 0 0 0 0 1     L L L L         +          +  +   =  2 0 0 0 0 1       L L         +          +  +  =   2 0 0 0 0 1       L L         +          −          +  −   =  3 0 2 0 0 0 0 1         L L         +          −          +  −  =   3 0 2 0 0 0 0 0 1         L L 同理，当衔铁随被测物体的初始位置向下移动时，有 返 回 上一页 下一页