电感式传感器(1)培训课件.ppt

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1、电感式传感器(1)概述概述概述概述第第第第4 4 4 4章章章章 电感式传感器电感式传感器电感式传感器电感式传感器电感式传感器示例电感式传感器示例电感式传感器示例电感式传感器示例概述概述概述概述第第第第4 4 4 4章章章章 电感式传感器电感式传感器电感式传感器电感式传感器电电感感式式传传感感器器是是一一种种机机电电转转换换装装置置，特别是在自动控制设备中广泛应用。特别是在自动控制设备中广泛应用。电电感感式式传传感感器器利利用用电电磁磁感感应应定定律律将将被测非电量转换为电感或互感的变化。被测非电量转换为电感或互感的变化。概述概述概述概述第第第第4 4 4 4章章章章 电感式传感器电感式传感器

2、电感式传感器电感式传感器感测量感测量：位移、振动、压力、应变、流量、比重等。位移、振动、压力、应变、流量、比重等。位移、振动、压力、应变、流量、比重等。位移、振动、压力、应变、流量、比重等。电感式传感器电感式传感器电磁电磁电磁电磁感应感应感应感应 被测非电量被测非电量被测非电量被测非电量自感系数自感系数自感系数自感系数L L L L互感系数互感系数互感系数互感系数MMMM测量测量测量测量电路电路电路电路 U UU U、I I I I、f f f f自感式传感器自感式传感器互感式传感器互感式传感器电涡流式传感器电涡流式传感器种类：种类：根据转换原理，分自感式和互感式两种；根据转换原理，分自感式和

3、互感式两种；根据结构型式，分气隙型和螺管型。根据结构型式，分气隙型和螺管型。概述概述概述概述第第第第4 4 4 4章章章章 电感式传感器电感式传感器电感式传感器电感式传感器优点：优点：不足：不足：不足：不足：存在交流零位信号，不宜于高频动态测量。存在交流零位信号，不宜于高频动态测量。存在交流零位信号，不宜于高频动态测量。存在交流零位信号，不宜于高频动态测量。重复性好，线性度优良重复性好，线性度优良重复性好，线性度优良重复性好，线性度优良在几十在几十在几十在几十mm到数百到数百到数百到数百mmmm的位移范围内，输出特性的线性的位移范围内，输出特性的线性的位移范围内，输出特性的线性的位移范围内，输

4、出特性的线性度较好，且比较稳定。度较好，且比较稳定。度较好，且比较稳定。度较好，且比较稳定。结构简单、可靠，测量力小结构简单、可靠，测量力小结构简单、可靠，测量力小结构简单、可靠，测量力小 衔铁为衔铁为衔铁为衔铁为(0.5(0.5200)10200)10-4-4N N时，磁吸力为时，磁吸力为时，磁吸力为时，磁吸力为(110)10(110)10-4-4N N。分辨力高分辨力高分辨力高分辨力高机械位移：机械位移：机械位移：机械位移：0.1m0.1m，甚至更小；角位移：，甚至更小；角位移：，甚至更小；角位移：，甚至更小；角位移：0.10.1角秒。角秒。角秒。角秒。输出信号强，电压灵敏度可达数百输出信

5、号强，电压灵敏度可达数百输出信号强，电压灵敏度可达数百输出信号强，电压灵敏度可达数百mV/mm mV/mm。电感式传感器电感式传感器电感式传感器电感式传感器4.1 4.1 自感式传感器自感式传感器4.2 4.2 差动式变压器差动式变压器4.3 4.3 电涡流式传感器电涡流式传感器 应用实例应用实例第第第第4 4 4 4章章章章 电感式传感器电感式传感器电感式传感器电感式传感器4.1 4.1 4.1 4.1 自感式传感器自感式传感器自感式传感器自感式传感器 气隙型电感传感器气隙型电感传感器 螺管型电感传感器螺管型电感传感器 电感线圈的等效电路电感线圈的等效电路 测量电路测量电路第第第第4 4 4

6、 4章章章章 电感式传感器电感式传感器电感式传感器电感式传感器4.1 4.1 4.1 4.1 自感式传感器自感式传感器自感式传感器自感式传感器第第第第4 4 4 4章章章章 电感式传感器电感式传感器电感式传感器电感式传感器实验：实验：气隙变小，电感变大，电流变小气隙变小，电感变大，电流变小气隙型电感传感器气隙型电感传感器气隙型电感传感器气隙型电感传感器4.1 4.1 4.1 4.1 自感式传感器自感式传感器自感式传感器自感式传感器线圈电感：线圈电感：N -线圈匝数线圈匝数Rm-磁路总磁阻磁路总磁阻线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁气隙型电感传感器气隙型电感传感器气隙型电感传感器气隙型电感传感器气隙型电感

7、传感器气隙型电感传感器气隙型电感传感器气隙型电感传感器4.1 4.1 4.1 4.1 自感式传感器自感式传感器自感式传感器自感式传感器线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁气隙型电感传感器气隙型电感传感器气隙型电感传感器气隙型电感传感器Rm-磁路总磁阻：磁路总磁阻：气隙型电感传感器气隙型电感传感器气隙型电感传感器气隙型电感传感器4.1 4.1 4.1 4.1 自感式传感器自感式传感器自感式传感器自感式传感器Rm-磁路总磁阻：磁路总磁阻：气隙型电感传感器气隙型电感传感器气隙型电感传感器气隙型电感传感器4.1 4.1 4.1 4.1 自感式传感器自感式传感器自感式传感器自感式传感器线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁气隙型

8、电感传感器气隙型电感传感器气隙型电感传感器气隙型电感传感器线圈电感：线圈电感：N -线圈匝数气隙型电感传感器气隙型电感传感器气隙型电感传感器气隙型电感传感器4.1 4.1 4.1 4.1 自感式传感器自感式传感器自感式传感器自感式传感器线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁线圈电感：线圈电感：N -线圈匝数如果如果S S保持不变，则保持不变，则L为为l的单值函数，构成的单值函数，构成变变气隙式气隙式自感传感器自感传感器.若保持若保持l不变，使不变，使S随被测量（如位移）变化，则随被测量（如位移）变化，则构成构成变截面式变截面式自感传感器，自感传感器，气隙型电感传感器气隙型电感传感器气隙型电感传感器气隙型电感

9、传感器4.1 4.1 4.1 4.1 自感式传感器自感式传感器自感式传感器自感式传感器L=f(S)L=f(l)l l ，S S S SL L电感传感器特性电感传感器特性气隙型电感传感器气隙型电感传感器气隙型电感传感器气隙型电感传感器4.1 4.1 4.1 4.1 自感式传感器自感式传感器自感式传感器自感式传感器特性分析特性分析特性分析特性分析（对于变气隙式求灵敏度和线性度的表达式）（对于变气隙式求灵敏度和线性度的表达式）（对于变气隙式求灵敏度和线性度的表达式）（对于变气隙式求灵敏度和线性度的表达式）自感系数：自感系数：令：令：1 1=2 2；S S1 1=S S2 2=S S。设。设磁路总长为

10、磁路总长为 ，气隙长度为，气隙长度为 ，由上式可见，当气隙长度由上式可见，当气隙长度 减少减少 时会导致自感系数时会导致自感系数L L增加增加LL1 1；而当气隙长度而当气隙长度 增大增大同样的同样的 时会导致自感系数时会导致自感系数L L减小减小LL2 2：于是于是磁路总磁阻磁路总磁阻为：为：r为导磁体相对磁导率为导磁体相对磁导率气隙型电感传感器气隙型电感传感器气隙型电感传感器气隙型电感传感器4.1 4.1 4.1 4.1 自感式传感器自感式传感器自感式传感器自感式传感器特性分析特性分析特性分析特性分析（对于变气隙式求灵敏度和线性度的表达式）（对于变气隙式求灵敏度和线性度的表达式）（对于变气

11、隙式求灵敏度和线性度的表达式）（对于变气隙式求灵敏度和线性度的表达式）当当气气隙隙l发发生生变变化化时时，自自感感的的变变化化与与气气隙隙变变化化均均呈呈非非线线性性关关系系，其其非非线线性性程程度度随随气气隙隙相相对对变变化化l/l的的增增大大而而增增加；加；气隙减少气隙减少l所引起的自感变化所引起的自感变化L1与气隙增加同样与气隙增加同样l所引起的自感变化所引起的自感变化L2并不相等，即并不相等，即L1L2，其差值其差值随随l/l的增加而增大。的增加而增大。lL L0l0L1L2气隙型电感传感器气隙型电感传感器气隙型电感传感器气隙型电感传感器4.1 4.1 4.1 4.1 自感式传感器自感

12、式传感器自感式传感器自感式传感器特性分析特性分析特性分析特性分析（对于变气隙式求灵敏度和线性度的表达式）（对于变气隙式求灵敏度和线性度的表达式）（对于变气隙式求灵敏度和线性度的表达式）（对于变气隙式求灵敏度和线性度的表达式）lL L0l0L1L2传感器灵敏度：传感器灵敏度：线性度：线性度：由由于于转转换换原原理理的的非非线线性性，以以及及正正反反方方向向移移动动时时电电感感变变化化量量的的不不对对称称性性，因因此此，为为了了保保证证精精度度，变变间间隙隙式式传传感感器器只只能能工工作作在在一一个个很很小小的的区区域域，因因而而只能用于微小位移的测量。只能用于微小位移的测量。差动式气隙型电感传感

13、器差动式气隙型电感传感器差动式气隙型电感传感器差动式气隙型电感传感器4.1 4.1 4.1 4.1 自感式传感器自感式传感器自感式传感器自感式传感器 在在实实际际使使用用中中，常常采采用用两两个个相相同同的的传传感感线线圈圈共共用用一一个个衔衔铁铁，构构成成差差动动式式自自感感传传感感器器，两两个个线线圈圈的的电电气气参参数数和和几几何何尺尺寸寸要要求求完完全全相相同同。这这种种结结构构除除了了可可以以改改善善线线性性、提提高高灵灵敏敏度度外外，对对温温度度变变化化、电电源源频频率率变变化化等等的的影影响响也也可可以以进进行行补补偿偿，从从而而减减少少了了外界影响造成的误差。外界影响造成的误差

14、。差动式电感传感器差动式电感传感器4.1 4.1 4.1 4.1 自感式传感器自感式传感器自感式传感器自感式传感器下下下下图图图图是是是是变变变变气气气气隙隙隙隙型型型型、螺螺螺螺管管管管型型型型的的的的差差差差动动动动式式式式自自自自感感感感传传传传感感感感器器器器的的的的结结结结构构构构示示示示意意意意图图图图。当当当当衔衔衔衔铁铁铁铁3 3 3 3移移移移动动动动时时时时，一一一一个个个个线线线线圈圈圈圈的的的的电电电电感感感感量量量量增增增增加加加加，另一个线圈的电感量减少，形成差动形式。另一个线圈的电感量减少，形成差动形式。另一个线圈的电感量减少，形成差动形式。另一个线圈的电感量减少

15、，形成差动形式。图图图图4-4 4-4 4-4 4-4 差动式自感传感器差动式自感传感器差动式自感传感器差动式自感传感器1-1-1-1-线圈线圈线圈线圈 2-2-2-2-铁芯铁芯铁芯铁芯 3-3-3-3-衔铁衔铁衔铁衔铁 4-4-4-4-导杆导杆导杆导杆（a a a a）变气隙型变气隙型变气隙型变气隙型3 31 14 41 12 23 344（b b b b）螺管型螺管型螺管型螺管型气隙型电感传感器气隙型电感传感器气隙型电感传感器气隙型电感传感器4.1 4.1 4.1 4.1 自感式传感器自感式传感器自感式传感器自感式传感器特性分析特性分析特性分析特性分析（对于变气隙式求灵敏度和线性度的表达式

16、）（对于变气隙式求灵敏度和线性度的表达式）（对于变气隙式求灵敏度和线性度的表达式）（对于变气隙式求灵敏度和线性度的表达式）气隙型电感传感器气隙型电感传感器气隙型电感传感器气隙型电感传感器4.1 4.1 4.1 4.1 自感式传感器自感式传感器自感式传感器自感式传感器特性分析特性分析特性分析特性分析（对于变气隙式求灵敏度和线性度的表达式）（对于变气隙式求灵敏度和线性度的表达式）（对于变气隙式求灵敏度和线性度的表达式）（对于变气隙式求灵敏度和线性度的表达式）气隙型电感传感器气隙型电感传感器气隙型电感传感器气隙型电感传感器4.1 4.1 4.1 4.1 自感式传感器自感式传感器自感式传感器自感式传感

17、器特性分析特性分析特性分析特性分析（对于变气隙式求灵敏度和线性度的表达式）（对于变气隙式求灵敏度和线性度的表达式）（对于变气隙式求灵敏度和线性度的表达式）（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：忽略高次方（高阶无小）项：传感器的灵敏度为：传感器的灵敏度为：传感器的线性度为：传感器的线性度为：与气隙长度呈反比，与气隙长度呈反比，希望它小希望它小与气隙长度与气隙长度呈反比，希呈反比，希望它大。望它大。与气隙相与气隙相对变化率对变化率呈正比呈正比差动式气隙型电感传感器差动式气隙型电感传感器4.1 4.1 4.1 4.1 自感式传感器自感式传感器自感式传感器自感式传感器衔铁衔

18、铁R1R2L2L1传感器的灵敏度为：传感器的灵敏度为：传感器的线性度为：传感器的线性度为：差动式气隙型电感传感器差动式气隙型电感传感器4.1 4.1 4.1 4.1 自感式传感器自感式传感器自感式传感器自感式传感器灵敏度：灵敏度：线性度：线性度：单线圈气隙型电感传感器：单线圈气隙型电感传感器：灵敏度：灵敏度：差动式气隙型电感传感器：差动式气隙型电感传感器：线性度：线性度：1.差动式自感传感器的灵敏度比单线圈传差动式自感传感器的灵敏度比单线圈传感器提高一倍感器提高一倍.差动式气隙型电感传感器差动式气隙型电感传感器4.1 4.1 4.1 4.1 自感式传感器自感式传感器自感式传感器自感式传感器灵敏

19、度：灵敏度：灵敏度：灵敏度：线性度：线性度：单线圈气隙型电感传感器：单线圈气隙型电感传感器：差动式气隙型电感传感器：差动式气隙型电感传感器：线性度：线性度：2.2.差动式自感传感器非线性失真小差动式自感传感器非线性失真小.当当l/l=10时时(略去略去llr),单线圈单线圈10；而差动式的而差动式的1。差动式气隙型电感传感器差动式气隙型电感传感器4.1 4.1 4.1 4.1 自感式传感器自感式传感器自感式传感器自感式传感器R1R2L2L175502505075100L/mHl/mm10025L043211234-l l1 1 线圈线圈自感特性；自感特性；2 2 线圈线圈自感特性；自感特性；3

20、 3 线圈线圈与与差动自感特性；差动自感特性；4 4 电桥电压电桥电压与位移之间的特性曲线与位移之间的特性曲线一一一一般般般般差差差差动动动动变变变变隙隙隙隙式式式式自自自自感感感感传传传传感感感感器器器器 l l/l l 0.10.10.20.2时时时时，可可可可使使使使传传传传感感感感器器器器非非非非线线线线性性性性误误误误差差差差在在在在3 3左左左左右右右右。其其其其工工工工作作作作行行行行程程程程很很很很小小小小,若若若若取取取取l l 2mm2mm,则则则则行行行行程程程程为为为为(0.20.5)(0.20.5)mmmm；差动式气隙型电感传感器差动式气隙型电感传感器4.1 4.1

21、4.1 4.1 自感式传感器自感式传感器自感式传感器自感式传感器差动式与单线圈相比优点：差动式与单线圈相比优点：线性度好；线性度好；灵灵敏敏度度提提高高一一倍倍，即即衔衔铁铁位位移移相相同同时时，输出信号大一倍；输出信号大一倍；温温度度变变化化、电电源源波波动动、外外界界干干扰扰等等对对传传感感器器精精度度的的影影响响，由由于于能能互互相相抵抵消消而减小；而减小；电电磁磁吸吸力力对对测测力力变变化化的的影影响响也也由由于于能能相互抵消而减小。相互抵消而减小。螺管型电感传感器螺管型电感传感器4.1 4.1 4.1 4.1 自感式传感器自感式传感器自感式传感器自感式传感器有有单线圈单线圈和和差动式

22、差动式两种结构形式。两种结构形式。单线圈螺管型传感器结构图单线圈螺管型传感器结构图单线圈螺管型传感器结构图单线圈螺管型传感器结构图rx螺旋管螺旋管螺旋管螺旋管铁芯铁芯铁芯铁芯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，形铁芯。传感器工作时，因铁芯在线圈中伸入长度的变化，形铁芯。传感器工作时，因铁芯在线圈中伸入长度的变化，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

23、线圈自感值的变化。当用恒流源激励时，则线圈的引起螺管线圈自感值的变化。当用恒流源激励时，则线圈的引起螺管线圈自感值的变化。当用恒流源激励时，则线圈的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。输出电压与铁芯的位移量有关。输出电压与铁芯的位移量有关。输出电压与铁芯的位移量有关。螺管型电感传感器螺管型电感传感器4.1 4.1 4.1 4.1 自感式传感器自感式传感器自感式传感器自感式传感器rx螺旋管铁心l单线圈螺管型传感器结构图单线圈螺管型传感器结构图磁通磁通密度密度激励激励电流电流线圈匝长比线圈匝长比匝数匝数管长管长螺管型电感传感器螺管型电感传感器4.1 4.

24、1 4.1 4.1 自感式传感器自感式传感器自感式传感器自感式传感器磁力线路经每单位长度的磁势磁力线路经每单位长度的磁势称为称为磁场强度磁场强度：螺线管中的磁场强度：螺线管中的磁场强度：rxl螺管线圈内磁场分布曲线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：按上式绘磁场强度分布图如右：可以近似认为：可以近似认为：处，磁场强度最大。处，磁场强度最大。螺管型电感传感器螺管型电感传感器4.1 4.1 4.1 4.1 自感式传感器自感式传感器自感式传感器自感式传感器式中：式中：S是线圈所围截面积；是线圈所围截面积；是线

25、圈长度；是线圈长度；是空气的导磁率。是空气的导磁率。N为匝数。为匝数。rx螺旋管螺旋管螺旋管螺旋管铁芯铁芯铁芯铁芯l线圈中没有铁芯时，线圈中没有铁芯时，线圈电感量为：线圈电感量为：上式为线圈可能的最小电感量。上式为线圈可能的最小电感量。螺管型电感传感器螺管型电感传感器4.1 4.1 4.1 4.1 自感式传感器自感式传感器自感式传感器自感式传感器当螺管中引进铁芯且铁芯的插入长度与线圈长度相同当螺管中引进铁芯且铁芯的插入长度与线圈长度相同时时:上式说明螺管型电感传感器的电感量上式说明螺管型电感传感器的电感量L L的大小与铁的大小与铁芯的插入长度芯的插入长度 有关。有关。式中：式中：是线圈的半径是

26、线圈的半径；是铁芯的半径是铁芯的半径；是铁芯的相对导磁率。是铁芯的相对导磁率。上式为线圈可能的最大电感量。上式为线圈可能的最大电感量。当当铁芯的插入长度铁芯的插入长度小于线圈长度小于线圈长度时时:螺管型电感传感器螺管型电感传感器4.1 4.1 4.1 4.1 自感式传感器自感式传感器自感式传感器自感式传感器如如果果被被测测的的量量与与 成成正正比比，由由上上式式可可见见也也一一定定与与L L成成正正比比。但但是是，由由于于螺螺管管中中的的磁磁场场强强度度分分布布是是不不均均匀匀的的，所所以以L L随随 的的变变化化实际上是非线性的。实际上是非线性的。当铁芯的插入长度当铁芯的插入长度 有增量有增

27、量 时，电感传感器的电感量时，电感传感器的电感量L也也有增量有增量:螺管型电感传感器螺管型电感传感器4.1 4.1 4.1 4.1 自感式传感器自感式传感器自感式传感器自感式传感器为了提高灵敏度与线性度可采用如下为了提高灵敏度与线性度可采用如下差动螺管式电感传感器差动螺管式电感传感器结构：结构：式中：式中：是线圈的半径是线圈的半径；是铁芯的半径是铁芯的半径；是铁芯的相对导磁率。是铁芯的相对导磁率。螺管型电感传感器螺管型电感传感器4.1 4.1 4.1 4.1 自感式传感器自感式传感器自感式传感器自感式传感器差动螺管式电感传感器差动螺管式电感传感器差动螺管式电感传感器差动螺管式电感传感器：式中：

28、式中：是线圈的半径是线圈的半径；是铁芯的半径是铁芯的半径；是铁芯的相对导磁率。是铁芯的相对导磁率。可见：可见：灵敏度比单个螺管式传感器高灵敏度比单个螺管式传感器高灵敏度比单个螺管式传感器高灵敏度比单个螺管式传感器高1 1倍。倍。倍。倍。要提高灵敏度，就要使要提高灵敏度，就要使要提高灵敏度，就要使要提高灵敏度，就要使l/ll/lc c和和和和r/rr/rc c趋于趋于趋于趋于1 1.且选且选且选且选尽可能大的铁尽可能大的铁尽可能大的铁尽可能大的铁芯。芯。芯。芯。螺管型电感传感器螺管型电感传感器4.1 4.1 4.1 4.1 自感式传感器自感式传感器自感式传感器自感式传感器结构简单，制造装配容易；

29、结构简单，制造装配容易；结构简单，制造装配容易；结构简单，制造装配容易；由由由由于于于于空空空空气气气气间间间间隙隙隙隙大大大大，磁磁磁磁路路路路的的的的磁磁磁磁阻阻阻阻高高高高，因因因因此此此此灵灵灵灵敏敏敏敏度度度度低低低低，但但但但线性范围大；线性范围大；线性范围大；线性范围大；由于磁路大部分为空气，易受外部磁场干扰；由于磁路大部分为空气，易受外部磁场干扰；由于磁路大部分为空气，易受外部磁场干扰；由于磁路大部分为空气，易受外部磁场干扰；由由由由于于于于磁磁磁磁阻阻阻阻高高高高，为为为为了了了了达达达达到到到到某某某某一一一一自自自自感感感感量量量量，需需需需要要要要的的的的线线线线圈圈圈

30、圈匝匝匝匝数数数数多，因而线圈分布电容大；多，因而线圈分布电容大；多，因而线圈分布电容大；多，因而线圈分布电容大；要求线圈框架尺寸和形状必须稳定，否则影响其线性要求线圈框架尺寸和形状必须稳定，否则影响其线性要求线圈框架尺寸和形状必须稳定，否则影响其线性要求线圈框架尺寸和形状必须稳定，否则影响其线性和稳定性。和稳定性。和稳定性。和稳定性。综上所述，螺管式自感传感器的特点：综上所述，螺管式自感传感器的特点：综上所述，螺管式自感传感器的特点：综上所述，螺管式自感传感器的特点：电感线圈的等效电路电感线圈的等效电路4.1 4.1 4.1 4.1 自感式传感器自感式传感器自感式传感器自感式传感器实际传感器

31、中，线圈不可能是纯电感，它包括线实际传感器中，线圈不可能是纯电感，它包括线圈的圈的铜损电阻铜损电阻RC；铁芯的；铁芯的涡流损耗电阻涡流损耗电阻Re ；由；由于线圈和测量设备电缆的接入，存在线圈于线圈和测量设备电缆的接入，存在线圈固有电固有电容和电缆的分布电容容和电缆的分布电容，用参数，用参数C表示。表示。等效电路等效电路ZCLRcRe电感线圈的等效电路电感线圈的等效电路4.1 4.1 4.1 4.1 自感式传感器自感式传感器自感式传感器自感式传感器CLRcRe线圈的线圈的线圈的线圈的铜损电阻铜损电阻铜损电阻铜损电阻R RC C电感线圈的等效电路电感线圈的等效电路4.1 4.1 4.1 4.1

32、自感式传感器自感式传感器自感式传感器自感式传感器CLRcRe线圈的线圈的线圈的线圈的涡流损耗电阻涡流损耗电阻涡流损耗电阻涡流损耗电阻R Re e(铁损铁损铁损铁损)设涡流穿透深度小于薄片厚度的一半，设涡流穿透深度小于薄片厚度的一半，设涡流穿透深度小于薄片厚度的一半，设涡流穿透深度小于薄片厚度的一半，电感线圈的等效电路电感线圈的等效电路4.1 4.1 4.1 4.1 自感式传感器自感式传感器自感式传感器自感式传感器CLRcRe并联寄生电容并联寄生电容并联寄生电容并联寄生电容C C主要由主要由主要由主要由固有电容固有电容固有电容固有电容和电和电和电和电缆的缆的缆的缆的分布电容分布电容分布电容分布电

33、容组成。组成。组成。组成。Z设设设设 为总等效损耗电阻，为总等效损耗电阻，为总等效损耗电阻，为总等效损耗电阻，在在在在不考虑不考虑不考虑不考虑C C时，电感的串联等效阻抗为：时，电感的串联等效阻抗为：时，电感的串联等效阻抗为：时，电感的串联等效阻抗为：考虑考虑考虑考虑C C时，等效阻抗时，等效阻抗时，等效阻抗时，等效阻抗Z Zp p为：为：为：为：电感线圈的等效电路电感线圈的等效电路4.1 4.1 4.1 4.1 自感式传感器自感式传感器自感式传感器自感式传感器CLRcReZ记：记：记：记：则：则：则：则：由于并联电容由于并联电容由于并联电容由于并联电容C C的存在，使等效串联损耗电阻和等的存

34、在，使等效串联损耗电阻和等的存在，使等效串联损耗电阻和等的存在，使等效串联损耗电阻和等效电感都增大了，等效效电感都增大了，等效效电感都增大了，等效效电感都增大了，等效QQP P较前减小：较前减小：较前减小：较前减小：电感线圈的等效电路电感线圈的等效电路4.1 4.1 4.1 4.1 自感式传感器自感式传感器自感式传感器自感式传感器CLRcReZ等效等效等效等效QQP P：测量电路测量电路-交流电桥交流电桥4.1 4.1 4.1 4.1 自感式传感器自感式传感器自感式传感器自感式传感器交流电桥交流电桥交流电桥交流电桥差动的两个传感器线圈接成电桥差动的两个传感器线圈接成电桥的两个工作臂（的两个工作

35、臂（Z Z1 1、Z Z2 2为两个差为两个差动传感器线圈的复阻抗），另两动传感器线圈的复阻抗），另两个桥臂用平衡电阻个桥臂用平衡电阻R R1 1、R R2 2代替。代替。设初始时设初始时 Z Z1 1=Z Z2 2=Z Z=R RS S+jLjL；R R1 1=R R2 2=R R；L L1 1=L L2 2=L L0 0。工作时，工作时，Z Z变化变化Z,Z,Z ZL LR R1 1R R2 2Z Z2 2Z Z1 1测量电路测量电路-交流电桥交流电桥4.1 4.1 4.1 4.1 自感式传感器自感式传感器自感式传感器自感式传感器 交流电桥交流电桥交流电桥交流电桥Z ZL LR R1 1R

36、 R2 2Z Z2 2Z Z1 1输出幅值：输出幅值：输出阻抗：输出阻抗：测量电路测量电路-交流电桥交流电桥4.1 4.1 4.1 4.1 自感式传感器自感式传感器自感式传感器自感式传感器交流电桥交流电桥交流电桥交流电桥Z ZL LR R1 1R R2 2Z Z2 2Z Z1 1测量电路测量电路-交流电桥交流电桥4.1 4.1 4.1 4.1 自感式传感器自感式传感器自感式传感器自感式传感器交流电桥交流电桥交流电桥交流电桥Z ZL LR R1 1R R2 2Z Z2 2Z Z1 1对差动变气隙式自感传感器：对差动变气隙式自感传感器：可见，电桥输出电压与可见，电桥输出电压与可见，电桥输出电压与可

37、见，电桥输出电压与 l l 有关，相位与衔铁移动方向有有关，相位与衔铁移动方向有有关，相位与衔铁移动方向有有关，相位与衔铁移动方向有关。关。关。关。由于是交流信号，还要经过适当电路（如相敏检波由于是交流信号，还要经过适当电路（如相敏检波由于是交流信号，还要经过适当电路（如相敏检波由于是交流信号，还要经过适当电路（如相敏检波电路）处理才能判别衔铁位移的大小及方向。电路）处理才能判别衔铁位移的大小及方向。电路）处理才能判别衔铁位移的大小及方向。电路）处理才能判别衔铁位移的大小及方向。测量电路测量电路-变压器电桥变压器电桥4.1 4.1 4.1 4.1 自感式传感器自感式传感器自感式传感器自感式传感

38、器变压器交流电桥变压器交流电桥变压器交流电桥变压器交流电桥Z Z1 1Z Z2 2I IA AB BC CD D电桥两臂电桥两臂Z Z1 1、Z Z2 2为传感器线圈阻抗为传感器线圈阻抗 初始位置初始位置 测量电路测量电路-变压器电桥变压器电桥4.1 4.1 4.1 4.1 自感式传感器自感式传感器自感式传感器自感式传感器变压器交流电桥变压器交流电桥变压器交流电桥变压器交流电桥Z Z1 1Z Z2 2I IA AB BC CD D衔铁下移衔铁下移 衔铁上移衔铁上移 输出阻抗：输出阻抗：测量电路测量电路-变压器电桥变压器电桥4.1 4.1 4.1 4.1 自感式传感器自感式传感器自感式传感器自感

39、式传感器变压器交流电桥变压器交流电桥变压器交流电桥变压器交流电桥Z Z1 1Z Z2 2I IA AB BC CD D若线圈的若线圈的QQ值很高，损值很高，损耗电阻可忽略，则耗电阻可忽略，则 由上式可知，当衔铁向上、向下移由上式可知，当衔铁向上、向下移由上式可知，当衔铁向上、向下移由上式可知，当衔铁向上、向下移动相同的距离时，产生的输出电压动相同的距离时，产生的输出电压动相同的距离时，产生的输出电压动相同的距离时，产生的输出电压大小相等，但极性相反。由于是交大小相等，但极性相反。由于是交大小相等，但极性相反。由于是交大小相等，但极性相反。由于是交流信号，要判断衔铁位移的大小及流信号，要判断衔铁

40、位移的大小及流信号，要判断衔铁位移的大小及流信号，要判断衔铁位移的大小及方向同样需要经过方向同样需要经过方向同样需要经过方向同样需要经过相敏检波相敏检波相敏检波相敏检波电路的电路的电路的电路的处理。处理。处理。处理。测量电路测量电路-变压器电桥变压器电桥4.1 4.1 4.1 4.1 自感式传感器自感式传感器自感式传感器自感式传感器变变压压器器电电桥桥与与电电阻阻平平衡衡臂臂电电桥桥相相比比，具具有有元元件件少少，输输出出阻阻抗抗小小，桥桥路路开开路路时时电电路路呈呈线线性性的的优优点点，但但因因为为变变压压器器副副边边不不接接地地，易易引引起起来来自自原原边的边的静电感应静电感应电压，使高增

41、益放大器不能工作。电压，使高增益放大器不能工作。互感式传感器互感式传感器-差动变压器差动变压器4.2 4.2 4.2 4.2 差动式变压器差动式变压器差动式变压器差动式变压器一、一、结构原理与等效电路结构原理与等效电路二、二、变换特征变换特征三、三、误差因素分析误差因素分析四、测量电路四、测量电路 差动整流电路差动整流电路 相敏检波电路相敏检波电路五、五、应用应用互感式传感器互感式传感器-差动变压器差动变压器4.2 4.2 4.2 4.2 差动式变压器差动式变压器差动式变压器差动式变压器 把把被被测测的的非非电电量量变变化化转转换换成成为为线线圈圈互互感感量量的的变变化化的的传传感感器器称称为

42、为互互感感式式传传感感器器。次次级级次次级级骨架骨架初初级级衔衔铁铁次次级级次次级级初初级级这这种种传传感感器器根根据据变变压压器器的的基基本本原原理理制制成成，并并将将次次级级线圈绕组用差动形式连接。线圈绕组用差动形式连接。互感式传感器互感式传感器-差动变压器差动变压器4.2 4.2 4.2 4.2 差动式变压器差动式变压器差动式变压器差动式变压器分分分分气隙型气隙型气隙型气隙型和和和和螺管型螺管型螺管型螺管型两种。目前多采用螺管型差动变压两种。目前多采用螺管型差动变压两种。目前多采用螺管型差动变压两种。目前多采用螺管型差动变压器。它可测量器。它可测量器。它可测量器。它可测量1100mm11

43、00mm范围内的机械位移。范围内的机械位移。范围内的机械位移。范围内的机械位移。1初级线圈初级线圈;2.3次级线圈次级线圈;4衔铁衔铁1243(a)气隙型气隙型123(b)螺管型螺管型4螺管型差动变压器根据初、次级排列不同有二节螺管型差动变压器根据初、次级排列不同有二节式、三节式、四节式和五节式等形式。式、三节式、四节式和五节式等形式。差动变压器线圈各种排列形式差动变压器线圈各种排列形式差动变压器线圈各种排列形式差动变压器线圈各种排列形式1 1 1 1 初级线圈；初级线圈；初级线圈；初级线圈；2 2 2 2 次级线圈；次级线圈；次级线圈；次级线圈；3 3 3 3 衔铁衔铁衔铁衔铁(a a)二节

44、式二节式 (b)(b)三节式三节式 (c)(c)四节式四节式 (d)(d)五节式五节式31121 2112212123三节式的零点电位较小，二节式比三节式灵敏度三节式的零点电位较小，二节式比三节式灵敏度高、线性范围大，四节式和五节式改善了传感器高、线性范围大，四节式和五节式改善了传感器线性度。线性度。差动变压器结构形式差动变压器结构形式差动变压器的等效电路差动变压器的等效电路差动变压器工作在理想情况下（差动变压器工作在理想情况下（忽略涡流损耗、忽略涡流损耗、磁滞损耗和分布电容等影响磁滞损耗和分布电容等影响）时的等效电路：）时的等效电路：2123L1R22L21M1M2L22R21R1普通变普通

45、变普通变普通变压器压器压器压器差动变压器差动变压器差动变压器差动变压器磁路磁路磁路磁路闭合闭合闭合闭合开开开开互感互感互感互感常数常数常数常数随衔铁位移随衔铁位移随衔铁位移随衔铁位移而变而变而变而变互感式传感器互感式传感器-差动变压器差动变压器4.2 4.2 4.2 4.2 差动式变压器差动式变压器差动式变压器差动式变压器L1R22L21M1M2L22R21R1初级线圈的复数电流初级线圈的复数电流值为：值为：激励电压的角频率；激励电压的角频率；e1激励电压的复数值；激励电压的复数值；L1，R1初级线圈电感和电阻；初级线圈电感和电阻；互感式传感器互感式传感器-差动变压器差动变压器4.2 4.2

46、4.2 4.2 差动式变压器差动式变压器差动式变压器差动式变压器L1R22L21M1M2L22R21R1在次级线圈中感应出电压在次级线圈中感应出电压e21和和e22，其值分别为：其值分别为：M1，M2分别为初级与次分别为初级与次级线圈级线圈1,2间的互感；间的互感；R Rm1m1及及及及R Rm2m2分别为磁通通过初级线圈及两个次级分别为磁通通过初级线圈及两个次级分别为磁通通过初级线圈及两个次级分别为磁通通过初级线圈及两个次级线圈的磁阻，线圈的磁阻，线圈的磁阻，线圈的磁阻，N N11和和和和N N2 2为初、次级线圈匝数为初、次级线圈匝数为初、次级线圈匝数为初、次级线圈匝数互感式传感器互感式传

47、感器-差动变压器差动变压器4.2 4.2 4.2 4.2 差动式变压器差动式变压器差动式变压器差动式变压器L1R22L21M1M2L22R21R1因此空载输出电压：因此空载输出电压：其幅值：其幅值：输出阻抗：输出阻抗：或：或：互感式传感器互感式传感器-差动变压器差动变压器4.2 4.2 4.2 4.2 差动式变压器差动式变压器差动式变压器差动式变压器L1R22L21M1M2L22R21R1 铁芯处于中间位置时，铁芯处于中间位置时，MM1 1=M M2 2=MM，|e e2 2|=0|=02123互感式传感器互感式传感器-差动变压器差动变压器4.2 4.2 4.2 4.2 差动式变压器差动式变压

48、器差动式变压器差动式变压器L1R22L21M1M2L22R21R12123 铁芯上升时，铁芯上升时，MM1 1=M M+MM，MM2 2=M M-MM与与e e2121同极性同极性互感式传感器互感式传感器-差动变压器差动变压器4.2 4.2 4.2 4.2 差动式变压器差动式变压器差动式变压器差动式变压器L1R22L21M1M2L22R21R12123铁芯下降时，铁芯下降时，MM1 1=M M-MM，MM2 2=M M+MM与与e e2222同极性同极性互感式传感器互感式传感器-差动变压器差动变压器4.2 4.2 4.2 4.2 差动式变压器差动式变压器差动式变压器差动式变压器差动变压器输出差

49、动变压器输出电势电势e e2 2与衔铁位与衔铁位移移x x的关系。其中的关系。其中x x表示衔铁偏离中表示衔铁偏离中心位置的距离。心位置的距离。e21e220 xe2差动变压器输出特性差动变压器输出特性副副原线圈二、变换特征二、变换特征4.2 4.2 4.2 4.2 差动式变压器差动式变压器差动式变压器差动式变压器三节螺管式差动变压器结构三节螺管式差动变压器结构L1R22L21M1M2L22R21R1二、变换特征二、变换特征4.2 4.2 4.2 4.2 差动式变压器差动式变压器差动式变压器差动式变压器由上图得差动变压器的特性公式：由上图得差动变压器的特性公式：二、变换特征二、变换特征4.2

50、4.2 4.2 4.2 差动式变压器差动式变压器差动式变压器差动式变压器铁芯位移铁芯位移x与输出电压与输出电压e2之间是非线性关系。非线性误差之间是非线性关系。非线性误差:。K1是传感器的是传感器的灵敏度系数灵敏度系数，受匝数比受匝数比，激励电源的频率激励电源的频率、电压电压等因等因素影响。素影响。二、变换特征二、变换特征4.2 4.2 4.2 4.2 差动式变压器差动式变压器差动式变压器差动式变压器1.二、变换特征二、变换特征4.2 4.2 4.2 4.2 差动式变压器差动式变压器差动式变压器差动式变压器2.增加初级线圈激励电压增加初级线圈激励电压e1,灵敏度也会增加。灵敏度也会增加。但但e