第三章电感式传感器 基本要求：掌握自感式传感器、差动 变压器式传感器及电涡流式传感器的 工作原理与使用方法
第三章 电感式传感器 基本要求：掌握自感式传感器、差动 变压器式传感器及电涡流式传感器的 工作原理与使用方法
>电感式传感器(Inductance sensor)是利用电磁 感应定律将被测非电量转换为电感(L)或互感(M)的变 化的一种测量装置。 >应用：测量位移、振动、压力、应变、流量、比重 等。 >种类：根据转换原理分为自感式、互感式（差动变 压器式)、电涡流式； 根据结构型式分为气隙型、面积型和螺（纹)管 型。 被测非电量 电磁 自感系数L 测量 U、I、f 感应 互感系数M 电路
¾电感式传感器（ Inductance sensor ）是利用电磁 感应定律将被测非电量转换为电感(L)或互感(M)的变 化的一种测量装置。 ¾应用：测量位移、振动、压力、应变、流量、比重 等。 ¾种类：根据转换原理分为自感式、互感式（差动变 压器式）、电涡流式； 根据结构型式分为气隙型、面积型和螺（纹）管 型。 电磁 感应 被测非电量 自感系数L 互感系数M 测量 电路 U、I、f
>主要优，点： >结构简单、工作可靠； >灵敏度高，能分辨0.01μm的位移变化； >测量精度高、零点稳定、输出功率较大； >可实现信息的远距离传输、记录、显示和控制，在 工业自动控制系统中被广泛采用； >主要缺点： >灵敏度、线性度和测量范围相互制约； >传感器自身频率响应低，不适用于快速动态测量
¾主要优点： ¾结构简单、工作可靠； ¾灵敏度高，能分辨0.01μm的位移变化； ¾测量精度高、零点稳定、输出功率较大； ¾可实现信息的远距离传输、记录、显示和控制，在 工业自动控制系统中被广泛采用； ¾主要缺点： ¾灵敏度、线性度和测量范围相互制约； ¾传感器自身频率响应低，不适用于快速动态测量
回顾 法拉第电磁感应定律：通过回路所包围面积的磁通 量发生变化时，回路中产生的感应电动势与磁通量对时间 的变化率成正比。 dy 8,= dt 自感L: L= 21 互感M: M12
回 顾 法拉第电磁感应定律：通过回路所包围面积的磁通 量发生变化时，回路中产生的感应电动势与磁通量对时间 的变化率成正比。 i d dt ψ ε = − 自感L： 互感M： L I ψ = 21 12 2 M I ψ =
第一节自感式传感器 一、自感传感器的工作原理 由磁路欧姆定律，得 根据电感定义，线圈 中电感量可由下式确定 NI Φ= L=} N④ R,=2 4，S 式中： Rm一一磁路总磁阻； 式中： I一通过线圈的电流； 一第段磁路长度 N一线圈的匝数； S,一第设磁路的截面积 ”,一第设磁路的的导磁率 Φ—穿过线圈的磁通。 n一一为磁路的段数 N2 两式联立得： 可变磁阻型自感传感器 由此可见：电感L取决于线圈的匝数，磁路的磁阻
• 根据电感定义, 线圈 中电感量可由下式确定 I N I L Φ = = ψ 式中: I——通过线圈的电流; N——线圈的匝数; Φ——穿过线圈的磁通。 • 由磁路欧姆定律, 得 ∑= Φ = = n i i i i m m S l R R NI 1 µ ； 式中： R m ——磁路总磁阻； l i —— 第i段磁路长度 Si —— 第i段磁路的截面积 μi —— 第i段磁路的的导磁率 n ——为磁路的段数 两式联立得: ∑= = = n i i i m i S l N R N L 1 2 2 µ 由此可见：电感 L取决于线圈的匝数，磁路的磁阻 一、自感传感器的工作原理 可变磁阻型自感传感器 第一节 自感式传感器
二、可变磁阻型自感传感器 1、线圈 2、定铁芯 3、衔铁 ◆△8 在铁芯和衔铁之间有气隙，传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移 动时，气隙厚度6发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的 电感值变化，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的 大小和方向
S 1 l 1 L 1 W 2 3 l 2 ♦∆ δ δ 1、线圈 2、定铁芯 3、衔铁 △ S 2 S 在铁芯和衔铁之间有气隙，传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移 动时，气隙厚度δ发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的 电感值变化，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的 大小和方向。 二、可变磁阻型自感传感器
对于空气间隙很小的时候可以认为气隙中的磁 场是均匀的。若忽略磁路磁损，则磁路总磁阻为 26 R 4,S, 4,S。 式中： μ1—铁芯材料的磁导率； S 一气隙的截面积 μ2—衔铁材料的磁导率； S1一一铁芯的截面积； μ0—空气的磁导率； S2——衔铁的截面积 1 磁通通过铁芯的长度； δ一气隙的厚度。 磁通通过衔铁的长度；
• 对于空气间隙很小的时候可以认为气隙中的磁 场是均匀的。若忽略磁路磁损, 则磁路总磁阻为 2 2 0 0 2 1 1 1 2 S S l S l R m µ δ µ µ = + + 式中: μ1——铁芯材料的磁导率; μ2——衔铁材料的磁导率; μ0——空气的磁导率; l1——磁通通过铁芯的长度; l2——磁通通过衔铁的长度; S0——气隙的截面积; S1——铁芯的截面积; S2——衔铁的截面积; δ——气隙的厚度
由于铁芯一般工作于非饱和状态，此时铁芯的磁导率远远大于空气的磁 导率，因而磁路的总磁阻主要由气隙长度决定， 即通常情况下气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻 26 HoSo uS, 26 >> HoSo 42S2 26 则可近似为 R= 4S0 综上，则线圈电感量变为 N2 N24S0 R 26
即通常情况下气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻 ⎪ ⎪ ⎭ ⎪ ⎪ ⎬ ⎫ >> >> 2 2 2 0 0 1 1 1 0 0 2 2 S l S S l S µ µ δ µ µ δ 则可近似为 0 0 2 S R m µ δ = 综上，则线圈电感量变为 δ µ 2 0 0 2 2 N S R N L m = = 由于铁芯一般工作于非饱和状态，此时铁芯的磁导率远远大于空气的磁 导率，因而磁路的总磁阻主要由气隙长度决定
三、自感传感器的类型 N2 N2HoSo R 26 >当铁芯的结构和材料确定后，自感L是气隙厚度δ和气 隙磁通截面积S的函数，即亚=f(6,So) >如果S保持不变，则L为8的单值函数，可构成气隙厚 度变化型自感传感器； >如果保持6不变，使S随位移而变，则可构成气隙面 积变化型自感传感器； >如果在线圈中放入圆柱形衔铁，当衔铁上下移动时，自 感量将相应变化，就构成了螺线管型自感传感器
¾ 当铁芯的结构和材料确定后，自感L是气隙厚度 和气 隙磁通截面积S0的函数，即 。 ¾ 如果S0保持不变，则L为 的单值函数，可构成气隙厚 度变化型自感传感器； ¾ 如果保持 不变，使S0随位移而变，则可构成气隙面 积变化型自感传感器； ¾ 如果在线圈中放入圆柱形衔铁，当衔铁上下移动时，自 感量将相应变化，就构成了螺线管型自感传感器。 δ µ 2 0 0 2 2 N S R N L m = = δ L = f (δ , S0) δ δ 三、自感传感器的类型
线圈 线圈 线图 y 铁心 衔铁 VVVVVVW 铁心 衔铁 测杆 衔铁 测杆 转轴 工件 变隙式 变截面式 螺线管式 自感式传感器的几种常见形式 东方仿真COPYRIGHT