第二节电感式传器(变躐阻) ●自亮式传感册 ◆气陳型自感传感器 ◆螺管型自感传感器 ◆自感线图的等效电路 ◆测量电路 ●差动变底蛋 ◆结构原理与等效电路 ◆误差因素分析 ◆测量电路 ◆应用 ●电流式传感册
第二节 电感式传感器（变磁阻） ⚫自感式传感器 ◆气隙型自感传感器 ◆螺管型自感传感器 ◆自感线圈的等效电路 ◆测量电路 ⚫差动变压器 ◆结构原理与等效电路 ◆误差因素分析 ◆测量电路 ◆应用 ⚫电涡流式传感器
定义:是一种利用线圈自感和互感的变化实现非电量电 测的装置。 感测量:位移、振动、压力、应变、流量、比重等。 种类:根据转换原理,分自感式和互感式两种; 根据结构型式,分气隙型、面积型和螺管型。 优点: ①结构简单、可靠,测量力小 衔铁为0.5~200×10N时,磁吸力为(1~10)×105N。 ②分辨力高 机械位移:0.1um,甚至更小;角位移:0.1角秒。 输出信号强,电压灵敏度可达数百mV/mm ③重复性好,线性度优良 在几十μm到数百mm的位移范围内,输出特性的线性度 较好,且比较稳定 不足:存在交流零位信号,不宜于高频动态测量
定义：是一种利用线圈自感和互感的变化实现非电量电 测的装置。 感测量：位移、振动、压力、应变、流量、比重等。 种类：根据转换原理，分自感式和互感式两种； 根据结构型式，分气隙型、面积型和螺管型。 优点： ①结构简单、可靠，测量力小 衔铁为0.5～200×10-5N时，磁吸力为(1~10)×10-5N。 ②分辨力高 机械位移：0.1μm，甚至更小；角位移：0.1角秒。 输出信号强，电压灵敏度可达数百mV/mm 。 ③重复性好，线性度优良 在几十μm到数百mm的位移范围内，输出特性的线性度 较好，且比较稳定。 不足：存在交流零位信号，不宜于高频动态测量
旬感式传感器 有气隙型和螺管型两种结构。 (→)乞隙型自蹙陟亮 1、工作原理 组成:线圈1,衔铁3和铁芯2等。 图中点划线表示磁路,磁路中空气隙总长度为l。。 0.51 嘲山; (a)气隙式 (b)变截面式
一 、 自感式传感器 有气隙型和螺管型两种结构。 （一）气隙型自感传感器 1、工作原理 组成：线圈1，衔铁3和铁芯2等。 图中点划线表示磁路，磁路中空气隙总长度为l δ 。 0.5l δ 1 2 3 x (a)气隙式 (b)变截面式
N 由磁路基本知识知,线圈自感为 R N:线圈匝数;Rn:磁路总磁阻(铁芯与衔铁磁阻和空气隙磁阻) 气隙式自感传感器,因为气隙较小(l为0.1~1mm),所 以,认为气隙磁场是均匀的,若忽略磁路铁损,则磁 路总磁阻为 1151252/o 铁芯磁路总长;l2:衔铁的磁路长;S:隙磁通截面积 S:铁芯横截面积;S2:衔铁横截面积;μ1:铁芯磁导率; 衔铁磁导率;4:真空磁导率,=4兀×10H/m; 空气隙总长 2 R 41S1 22
N：线圈匝数；Rm：磁路总磁阻(铁芯与衔铁磁阻和空气隙磁阻) 气隙式自感传感器，因为气隙较小(l δ为0.1～1mm)，所 以，认为气隙磁场是均匀的，若忽略磁路铁损，则磁 路总磁阻为 l 1：铁芯磁路总长；l 2：衔铁的磁路长；S：隙磁通截面积； S1：铁芯横截面积；S2：衔铁横截面积；μ1：铁芯磁导率； μ2：衔铁磁导率；μ0：真空磁导率，μ0=4π×10-7H／m； l δ：空气隙总长。 Rm N L 2 = S l S l S l Rm 2 2 0 2 1 1 1 = + + 由磁路基本知识知，线圈自感为 = = + + S l S l S l N R N L m 2 2 0 2 1 1 2 1 2
由于自感传感器的铁芯一般在非饱和状态下,其磁导 率远大于空气的磁导率,因此铁芯磁阻远较气隙磁阻 小,所以上式可简化为 N2∠nS L 可见,白感L是气隙截面积和长度的函数,即L=八(S5) 如果S保持不变,则L为的单值函数,构成变隙式自感 传感器;若保持l不变,使S随位移变化,则构成变截 面式自感传感器。其特性曲线如图。 p=U)为非线性关系。当=0时,LL 为∞,考虑导磁体的磁阻,当l=0 时,并不等于∞,而具有一定的数 Lf (s 值,在较小时其特性曲线如图中虚 线所示。如上下移动衔铁使面积改 变,从而改变L值时,则L=S的特 L=f (ls 性曲线为一直线。 S
由于自感传感器的铁芯一般在非饱和状态下，其磁导 率远大于空气的磁导率，因此铁芯磁阻远较气隙磁阻 小，所以上式可简化为 l N S L 0 2 = 可见，自感L是气隙截面积和长度的函数，即L＝f(S,l δ ) 如果S保持不变，则L为l δ的单值函数，构成变隙式自感 传感器；若保持l δ不变，使S随位移变化，则构成变截 面式自感传感器。其特性曲线如图。 L=f（S） L=f（l δ） l δ L S L=f(l δ )为非线性关系。当l δ ＝0时，L 为∞，考虑导磁体的磁阻，当l δ ＝0 时，并不等于∞，而具有一定的数 值，在l δ较小时其特性曲线如图中虚 线所示。如上下移动衔铁使面积S改 变，从而改变L值时,则L＝f(S)的特 性曲线为一直线
2、特性分析 主要特性:灵敏度和线性度。当铁芯和衔铁采用同一种导 磁材料,且截面相同时,因为气隙l一般较小,故可认 为气隙磁通截面与铁芯截面相等,设磁路总长为l,则 +l R S 般1>>1,所以 R 2 2 L K K=140N2 R l +l/u I s+l/u 当气隙减少△时2+A=K 1-△l+1/
2、特性分析 主要特性:灵敏度和线性度。当铁芯和衔铁采用同一种导 磁材料，且截面相同时，因为气隙l δ一般较小，故可认 为气隙磁通截面与铁芯截面相等，设磁路总长为 l ，则 ( ) + − = + − = r r r m l l S l l l S R 1 1 1 0 0 + r r m l l S R 0 1 m r r l l K l l S N R N L + = + = = 1 2 0 2 K=μ0N 2S 一般μr >>1，所以 r l l l L L K − + + = 1 当气隙减少△l 1 δ时
L+△L (+1un)(2-△l)+l/] △L,△ 自感的相对变化L 1+(1),△ +61 1+=8 L +()1。1+(04 1+(l4) 同理,当总气隙长度增加△时,自感减小为△L2,即 Ll+△l+1 11-1+ 1+l4 1+(2°4)
( ) ( ) r r l l l l l L L L = + − + + 1 ( ) + − + = r r l l l l l l l l L L 1 1 1 1 1 1 1 自感的相对变化 ( ) ( ) ( ) + + + + + + = 2 1 1 1 1 1 1 1 1 r r r l l l l l l l l l l l l L L 同理，当总气隙长度增加Δl δ时，自感减小为ΔL2，即 r l l l l L L + + = 2 ( ) ( ) − + + + − + = 2 1 1 1 1 1 1 1 r r r l l l l l l l l l l l l
若忽略高次项,则自感变化灵敏度为 △LL L K L △l 线性度δ= △L 1+(/l2:4) △L 2 60 ①当气隙l发生变化时,自感的变化与气隙变化均呈非 线性关系,其非线性程度随气隙相对变化/的增大 而增加; ②气隙减少△l所引起的自感变化△L1与气隙增加同样 △所引起的自感变化△L2并不相等,即△L1>△L2,其差 值随△的增加而增大
若忽略高次项，则自感变化灵敏度为 ( )r L l l l L l L K + = = 1 1 ( )r l l l l + = 1 1 线性度 lδ L ΔL1 ΔL2 L0 lδ0 ①当气隙l δ发生变化时，自感的变化与气隙变化均呈非 线性关系，其非线性程度随气隙相对变化Δl δ /l δ的增大 而增加； ②气隙减少Δl δ所引起的自感变化ΔL1与气隙增加同样 Δl δ所引起的自感变化ΔL2并不相等，即ΔL1＞ΔL2，其差 值随Δl δ /l δ的增加而增大
差动变气隙式自感传感器 结构由两个电气参数和磁 路完全相同的线圈组成。 (-△l6)/2 当衔铁3移动时,一个线圈 的自感增加,另一个线圈 尔缓(△y2 R 的自感减少,形成差动形 E 式。如将这两个差动线圈 分别接入测量电桥邻臂,则当磁路总气隙改变Δl时, 自感相对变化为 A=△1+A2=2. 1+ 1+l/l0·4 △L K △ L 2 △ 1+/l 1+l/(l2·)
差动变气隙式自感传感器 结构由两个电气参数和磁 路完全相同的线圈组成。 当衔铁3移动时，一个线圈 的自感增加，另一个线圈 的自感减少，形成差动形 式。如将这两个差动线圈 ( ) + + + + = + = 2 1 2 1 1 1 1 1 2 r r l l l l l l l l L L L L L E USC 1 3 4 2 Ⅰ Ⅱ R R (l-Δ l δ )/2 (l-Δ l δ )/2 分别接入测量电桥邻臂，则当磁路总气隙改变Δl δ时， 自感相对变化为 r L l l l L l L K + = = 1 1 2 ' 2 1 ( ) 1 + = r l l l l
①差动式自感传感器的灵敏度比单线圈传感器提高一倍 ②差动式自感传感器非线性失真小,如当△=10%时(略 去l/l4单线圈6<10%;而差动式的δ<1% 对差动气隙式传感器其△l/1与 ()的变化受到灵敏度和非线100 性失真相互矛盾的制约因此只能 适当选取。一般差动变隙式自感53 传感器△M=0.1~02时,可使23 传感器非线性误差在3%左右。0 其工作行程很小,若取1=2mm,则25 行程为0205)mm:较大行程50/△6 的位移测量常利用螺管式自感传75 感器 100 差动式自感传感器的输出特性 4 6/mm 1线圈Ⅰ自感特性;2线圈Ⅱ自感特性;3线圈Ⅰ与Ⅱ差动自感特性;4特性曲线
①差动式自感传感器的灵敏度比单线圈传感器提高一倍 ②差动式自感传感器非线性失真小,如当Δl δ /l δ =10％时 (略 去l／l δ·μr ), 单线圈δ＜10％；而差动式的δ＜1％。 75 50 25 0 50 75 100 L/mH l δ /mm 100 25 LD 4 3 2 1 Ⅰ Ⅱ 1 2 3 4 -Δ l δ Δ l δ 对差动气隙式传感器其Δl δ /l δ与 l/(l δ μr )的变化受到灵敏度和非线 性失真相互矛盾的制约,因此只能 适当选取。一般差动变隙式自感 传感器Δl δ /l δ ＝0.1～0.2时，可使 传感器非线性误差在3％左右。 其工作行程很小,若取l δ ＝2mm,则 行程为(0.2—0.5)mm；较大行程 的位移测量,常利用螺管式自感传 感器 1 线圈Ⅰ自感特性； 2 线圈Ⅱ自感特性；3 线圈Ⅰ与Ⅱ差动自感特性；4 特性曲线 差动式自感传感器的输出特性