电感式传感器

第4章电感式传感器概述第4章电感式传感器各种电感式传感器非接触式位移传感器测厚传感器电感粗糙度仪接近式传感器电感式传感器示例概述第4章电感式传感器电感式传感器示例概述第4章电感式传感器电感式传感器是一种机电转换装置，特别是在自动控制设备中广泛应用。电感式传感器利用电磁感应定律将被测非电量转换为电感或互感的变化。概述第4章电感式传感器感测量：位移、振动、压力、应变、流量、比重等。电感式传感器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自感式传感器互感式传感器电涡流式传感器种类：根据转换原理，分自感式和互感式两种；根据结构型式，分气隙型和螺管型。概述第4章电感式传感器优点：不足：存在交流零位信号，不宜于高频动态测量。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。①结构简单、可靠，测量力小衔铁为(0.5～200)×10-4N时，磁吸力为(1~10)×10-4N。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。电感式传感器§4.1自感式传感器§4.2差动式变压器§4.3电涡流式传感器应用实例第4章电感式传感器4.1自感式传感器气隙型电感传感器螺管型电感传感器电感线圈的等效电路测量电路第4章电感式传感器4.1自感式传感器第4章电感式传感器实验：气隙变小，电感变大，电流变小气隙型电感传感器4.1自感式传感器2mNLR线圈电感：N-线圈匝数Rm-磁路总磁阻线圈铁芯衔铁气隙型电感传感器12ll气隙型电感传感器4.1自感式传感器线圈铁芯衔铁气隙型电感传感器Rm-磁路总磁阻：12ll1211220mlllRSSS1l铁芯磁路总长2l衔铁磁路总长S气隙磁通截面积1S铁芯截面积2S衔铁截面积1铁芯磁导率2衔铁磁导率7004*10H/m真空磁导率，l空气隙总长气隙型电感传感器4.1自感式传感器Rm-磁路总磁阻：1211220mlllRSSS1l铁芯磁路总长2l衔铁磁路总长S气隙磁通截面积1S铁芯截面积2S衔铁截面积1铁芯磁导率2衔铁磁导率7004*10H/m真空磁导率，l空气隙总长12012SSS且0mlRS气隙型电感传感器4.1自感式传感器线圈铁芯衔铁22020mNRNlSLNSl气隙型电感传感器线圈电感：12llN-线圈匝数S气隙磁通截面积7004*10H/m真空磁导率，l空气隙总长气隙型电感传感器4.1自感式传感器线圈铁芯衔铁20NSLl线圈电感：12llN-线圈匝数S气隙磁通截面积0真空磁导率l空气隙总长如果S保持不变，则L为lδ的单值函数，构成变气隙式自感传感器.若保持lδ不变，使S随被测量（如位移）变化，则构成变截面式自感传感器，S气隙型电感传感器4.1自感式传感器L=f(S)L=f(lδ)lδ，SL电感传感器特性20NSLl气隙型电感传感器4.1自感式传感器rrmrrrrmllSRllSlllSR00011111特性分析（对于变气隙式求灵敏度和线性度的表达式）222001mrrLKSNNlKSNRlll式中自感系数：令：μ1=μ2；S1=S2=S。设磁路总长为，气隙长度为，ll由上式可见，当气隙长度减少时会导致自感系数L增加ΔL1；而当气隙长度增大同样的时会导致自感系数L减小ΔL2：llll于是磁路总磁阻为：μr为导磁体相对磁导率气隙型电感传感器4.1自感式传感器特性分析（对于变气隙式求灵敏度和线性度的表达式）①当气隙lδ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Δlδ/lδ的增大而增加；②气隙减少Δlδ所引起的自感变化ΔL1与气隙增加同样Δlδ所引起的自感变化ΔL2并不相等，即ΔL1＞ΔL2，其差值随Δlδ/lδ的增加而增大。lδLL0lδ0ΔL1ΔL2气隙型电感传感器4.1自感式传感器特性分析（对于变气隙式求灵敏度和线性度的表达式）lδLL0lδ0ΔL1ΔL211LrLLKllll传感器灵敏度：11rllll线性度：由于转换原理的非线性，以及正反方向移动时电感变化量的不对称性，因此，为了保证精度，变间隙式传感器只能工作在一个很小的区域，因而只能用于微小位移的测量。差动式气隙型电感传感器4.1自感式传感器在实际使用中，常采用两个相同的传感线圈共用一个衔铁，构成差动式自感传感器，两个线圈的电气参数和几何尺寸要求完全相同。这种结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对温度变化、电源频率变化等的影响也可以进行补偿，从而减少了外界影响造成的误差。差动式电感传感器4.1自感式传感器下图是变气隙型、螺管型的差动式自感传感器的结构示意图。当衔铁3移动时，一个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减少，形成差动形式。图4-4差动式自感传感器1-线圈2-铁芯3-衔铁4-导杆（a）变气隙型31412344（b）螺管型气隙型电感传感器4.1自感式传感器特性分析（对于变气隙式求灵敏度和线性度的表达式）1111111111rrrrrrllLLLLKlllLlllllLLllllllllll2221111111rrrrrrllLLLLKlllLlllllLLllllllllll气隙型电感传感器4.1自感式传感器特性分析（对于变气隙式求灵敏度和线性度的表达式）212321111111111111111111111rrrrrrrrlllllllllllLLllllllllllllllllllllllLLll将式中的展开：22311111111111rrrrrrlllllllllllllllllllll气隙型电感传感器4.1自感式传感器特性分析（对于变气隙式求灵敏度和线性度的表达式）忽略高次方（高阶无小）项：1211rlLLLLlll11LrLLKllll211111111rrrirllllllllllllLLLlLLlll11rllll传感器的灵敏度为：传感器的线性度为：与气隙长度呈反比，希望它小与气隙长度呈反比，希望它大。与气隙相对变化率呈正比差动式气隙型电感传感器4.1自感式传感器衔铁R1R2L2L1ESCU1(2)2ll1(2)2ll121LrLLKllll传感器的灵敏度为：传感器的线性度为：211rllll差动式气隙型电感传感器4.1自感式传感器11LrLKlll灵敏度：11rllll线性度：单线圈气隙型电感传感器：121LrLKlll灵敏度：211rllll差动式气隙型电感传感器：线性度：1.差动式自感传感器的灵敏度比单线圈传感器提高一倍.差动式气隙型电感传感器4.1自感式传感器121LrLKlll灵敏度：211rllll11LrLKlll灵敏度：11rllll线性度：单线圈气隙型电感传感器：差动式气隙型电感传感器：线性度：2.差动式自感传感器非线性失真小.当Δlδ/lδ=10％时(略去l／lδ·μr),单线圈δ＜10％；而差动式的δ＜1％。差动式气隙型电感传感器4.1自感式传感器R1R2L2L1ESCU75502505075100L/mHlδ/mm10025L04321ⅠⅡ1234-ΔlδΔlδ1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电桥电压与位移之间的特性曲线一般差动变隙式自感传感器Δlδ/lδ＝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lδ＝2mm,则行程为(0.2—0.5)mm；差动式气隙型电感传感器4.1自感式传感器差动式与单线圈相比优点：①线性度好；②灵敏度提高一倍，即衔铁位移相同时，输出信号大一倍；③温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度的影响，由于能互相抵消而减小；④电磁吸力对测力变化的影响也由于能相互抵消而减小。螺管型电感传感器4.1自感式传感器有单线圈和差动式两种结构形式。单线圈螺管型传感器结构图rx螺旋管铁芯l单线圈螺管型传感器的主要元件为一只螺管线圈和一根圆柱形铁芯。传感器工作时，因铁芯在线圈中伸入长度的变化，引起螺管线圈自感值的变化。当用恒流源激励时，则线圈的输出电压与铁芯的位移量有关。螺管型电感传感器4.1自感式传感器rx螺旋管铁心l单线圈螺管型传感器结构图21lx螺线管线圈轴向磁场分布计算图r122222coscosxlxrxrlx022220222222lInxlxBrxrlxINxlxlrxrlx012coscos2lInBNnl磁通密度激励电流线圈匝长比匝数管长螺管型电感传感器4.1自感式传感器BH磁力线路经每单位长度的磁势称为磁场强度：螺线管中的磁场强度：22222lINxlxHlrxrlxrxl螺管线圈内磁场分布曲线1.00.80.60.40.20.60.20.40.81.0H（）INlx/l按上式绘磁场强度分布图如右：/2xl∴可以近似认为：处，磁场强度最大。,lr螺管型电感传感器4.1自感式传感器20NSLl式中：S是线圈所围截面积；是线圈长度；是空气的导磁率。N为匝数。l0rx螺旋管铁芯l线圈中没有铁芯时，线圈电感量为：上式为线圈可能的最小电感量。螺管型电感传感器4.1自感式传感器22201rcNrrLl222021rccNlrrlLl当螺管中引进铁芯且铁芯的插入长度与线圈长度相同时:上式说明螺管型电感传感器的电感量L的大小与铁芯的插入长度有关。cl式中：是线圈的半径；是铁芯的半径；是铁芯的相对导磁率。上式为线圈可能的最大电感量。lclrcrrcll当铁芯的插入长度小于线圈长度时:螺管型电感传感器4.1自感式传感器2202ccNrlLl2202222222021111crccrccrrccccNrlrlLllLlNlrrlrrll如果被测的量与成正比，由上式可见也一定与ΔL成正比。但是，由于螺管中的磁场强度分布是不均匀的，所以ΔL随的变化实际上是非线性的。clcl当铁芯的插入长度有增量时，电感传感器的电感量L也有增量:clc