第3章 电感式传感器

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1、第3章电感式传感器资料来源于互联网宋玉宏整理修改2009年8月第第3 3章章 电感式传感器电感式传感器3.1 3.1 变磁阻式传感器变磁阻式传感器13.2 3.2 互感式传感器互感式传感器3.3 3.3 电涡流式传感器电涡流式传感器324概述概述 概概 述 电感式传感器是利用电磁感应原理将被测电感式传感器是利用电磁感应原理将被测非电量如位移、压力、流量、重量、振动等转非电量如位移、压力、流量、重量、振动等转换成线圈自感量换成线圈自感量L L或互感量或互感量MM的变化，再由测量的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出的装置。电路转换为电压或电流的变化量输出的装置。u优点优点: :结构简单

2、，工作可靠寿命长，测量精度高，结构简单，工作可靠寿命长，测量精度高，零点稳定，输出功率较大等。零点稳定，输出功率较大等。u缺点缺点: :灵敏度、线性度和测量范围相互制约，传灵敏度、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。感器自身频率响应低，不适用于快速动态测量。 概概 述u电感式传感器种类很多，有利用自感原理的自电感式传感器种类很多，有利用自感原理的自感式传感器，利用互感原理做成的差动变压器感式传感器，利用互感原理做成的差动变压器式传感器，还有利于涡流原理的涡流式传感器、式传感器，还有利于涡流原理的涡流式传感器、利用压磁原理的压磁式传感器等利用压磁原理的压磁式传感

3、器等u本章主要介绍自感式本章主要介绍自感式( (变磁阻式变磁阻式) )、互感式和电、互感式和电涡流式三种传感器。涡流式三种传感器。3.1 变磁阻式传感器3.1 3.1 变磁阻式传感器（自感式）变磁阻式传感器（自感式）有变间隙型、变面积型和螺管型三种类型有变间隙型、变面积型和螺管型三种类型 从结构上看都包含线圈、铁芯和活动衔铁三从结构上看都包含线圈、铁芯和活动衔铁三部分部分3.1 变磁阻式传感器1- 1-线圈；线圈；2- 2-铁芯（定铁芯）；铁芯（定铁芯）；3- 3-衔铁（动铁芯）衔铁（动铁芯）3.1 3.1 变磁阻式传感器变磁阻式传感器 气隙式传感器又称为变间隙气隙式传感器又称为变间隙型电感式

4、传感器。工作时，衔铁型电感式传感器。工作时，衔铁与被测物体连接，被测物体的位与被测物体连接，被测物体的位移将引起空气气隙的长度发生变移将引起空气气隙的长度发生变化，使磁路中气隙的磁阻发生变化，使磁路中气隙的磁阻发生变化，从而引起线圈的电感变化。化，从而引起线圈的电感变化。0.5l123x(a)气隙式 3.1 变磁阻式传感器1- 1-线圈；线圈；2- 2-铁芯（定铁芯）；铁芯（定铁芯）；3- 3-衔铁（动铁芯）衔铁（动铁芯）3.1 3.1 变磁阻式传感器变磁阻式传感器 变截面型传感器工作时气隙变截面型传感器工作时气隙长度不变，铁芯与衔铁之间相长度不变，铁芯与衔铁之间相对覆盖面积随被测位移量的变对

5、覆盖面积随被测位移量的变化而改变，从而导致线圈电感化而改变，从而导致线圈电感发生变化。发生变化。123(b)变截面式3.1 变磁阻式传感器3.1 3.1 变磁阻式传感器变磁阻式传感器 由柱型衔铁插入螺管圈内构成，其衔铁随被测由柱型衔铁插入螺管圈内构成，其衔铁随被测对象移动，线圈磁力线路径的的磁阻发生变化，线对象移动，线圈磁力线路径的的磁阻发生变化，线圈电感量也因此而变化。圈电感量也因此而变化。rx螺旋管铁心（C）单线圈螺管型l3.1 变磁阻式传感器1- 1-线圈；线圈；2- 2-铁芯（定铁芯）；铁芯（定铁芯）；3- 3-衔铁（动铁芯）衔铁（动铁芯）3.1.1 3.1.1 工作原理工作原理以变气

6、隙式为例进行分析以变气隙式为例进行分析3.1 变磁阻式传感器u铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成，在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为成，在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为 ，传感器的运动部分与衔铁相连。传感器的运动部分与衔铁相连。u当衔铁移动时，气隙厚度当衔铁移动时，气隙厚度 发生改变，引起磁路发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁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。位移量的大小和方向。u电路的磁阻指由于电流引起的链合磁

7、通量。根电路的磁阻指由于电流引起的链合磁通量。根据电感定义，线圈中电感量可由下式确定：据电感定义，线圈中电感量可由下式确定：NLII3.1 变磁阻式传感器u上式中：上式中：线圈总磁链；线圈总磁链； I I 通过线圈的电流；通过线圈的电流；NN线圈的匝数；线圈的匝数；穿过线圈的磁通。穿过线圈的磁通。u由磁路欧姆定律，得磁通表达式：由磁路欧姆定律，得磁通表达式： 磁路总磁阻。磁路总磁阻。u对于变隙式传感器，因为气隙很小，所以可以对于变隙式传感器，因为气隙很小，所以可以认为气隙中的磁场是均匀的。认为气隙中的磁场是均匀的。mINR mR3.1 变磁阻式传感器u通过理论推导可得：通过理论推导可得：u当线

8、圈匝数为常数时，电感当线圈匝数为常数时，电感L L仅仅是磁路仅仅是磁路中磁阻中磁阻 的函数，只要改变的函数，只要改变 或或 均可导致均可导致电感变化。电感变化。0SmR2200mS2NNLR3.1 变磁阻式传感器3.1.2 3.1.2 等效电路等效电路传感器线圈的等效电路传感器线圈的等效电路 L-L-电感；电感； - -铜耗电阻；铜耗电阻；Re-Re-铁心涡流损耗电阻；铁心涡流损耗电阻； - -磁滞损耗电阻；磁滞损耗电阻；C-C-寄生电容寄生电容 CRhR3.1 变磁阻式传感器u变磁阻式传感器通常都具有铁心线圈或空心线圈。变磁阻式传感器通常都具有铁心线圈或空心线圈。将传感器线圈等效成上图所示电

9、路将传感器线圈等效成上图所示电路: :1 1铜损电阻铜损电阻 ：取决于导线材料及线圈几何尺寸。：取决于导线材料及线圈几何尺寸。2 2涡流损耗电阻涡流损耗电阻ReRe：由频率为：由频率为f f的交变电流激励产生的交变电流激励产生的交变磁场，会在线圈铁心中造成涡流。的交变磁场，会在线圈铁心中造成涡流。3 3磁滞损耗电阻磁滞损耗电阻 ：铁磁物质在交变磁化时，磁分：铁磁物质在交变磁化时，磁分子来回翻转克服阻力，类似摩擦生热的能量损耗。子来回翻转克服阻力，类似摩擦生热的能量损耗。4 4并联寄生电容并联寄生电容C C的影响：并联寄生电容主要由的影响：并联寄生电容主要由线圈线圈绕组的固有电容绕组的固有电容与

10、与电缆分布电容电缆分布电容所构成。所构成。 !第第2 2 、3 3项的损耗总称为铁损项的损耗总称为铁损( (涡流损耗为主涡流损耗为主) )hRCR3.1 变磁阻式传感器u为便于分析，先不考虑寄生电容为便于分析，先不考虑寄生电容C C，并将上图，并将上图中的线圈电感与并联铁损电阻等效为串联铁损中的线圈电感与并联铁损电阻等效为串联铁损电阻电阻ReRe与串联电感与串联电感LL的等效电路，如下图的等效电路，如下图所示。所示。u这时这时ReRe和和LL的串联阻抗应该与的串联阻抗应该与ReRe和和L L的并联的并联阻抗相等，即：阻抗相等，即：eeeR jLRjLRjL线圈等效电路线圈等效电路 的变换形式的

11、变换形式3.1 变磁阻式传感器u可见，铁损的串联等效电阻可见，铁损的串联等效电阻ReRe与与L L有关。有关。u当被测非电量的变化引起线圈电感量改变时，当被测非电量的变化引起线圈电感量改变时，其电阻值亦发生不希望有的变化。其电阻值亦发生不希望有的变化。u要减少这种附加电阻变化的影响，比值要减少这种附加电阻变化的影响，比值 应应尽量小，以使尽量小，以使 ，从而减小了附加电阻变，从而减小了附加电阻变化的影响。可见，在设计传感器时应尽可能减化的影响。可见，在设计传感器时应尽可能减少铁损。少铁损。21 (/)eeeRRRL=11+2(/)eLLRL其中：其中：/eRLeRL3.1 变磁阻式传感器u当考