《传感器原理及工程应用》课程教材电子教案（PPT教学课件）第4章 电感式传感器

第4章电感式传感器 第4章电感式传感器 4.1变磁阻式传感器 4.2差动变压器式传感器 43电涡流式传感器 返回主目录

第4章 电感式传感器 4.1 变磁阻式传感器 4.2 差动变压器式传感器 4.3 电涡流式传感器 第4章 电感式传感器 返回主目录

第4章电感式传感器 第4章电感式传感器 利用电磁感应原理将被测非电量如位移、压力、流量、 振动等转换成线圈自感量L或互感量M的变化,再由测量电路 转换为电压或电流的变化量输出,这种装置称为电感式传感器 电感式传感器具有结构简单,工作可靠,测量精度高,零点稳定, 输出功率较大等一系列优点,其主要缺点是灵敏度、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。这种传感器能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 电感式传感器种类很多,本章主要介绍自感式、互感式和 电涡流式三种传感器

第4章 电感式传感器 第 4 章 电 感 式 传 感 器 利用电磁感应原理将被测非电量如位移、压力、流量、 振动等转换成线圈自感量L或互感量M的变化, 再由测量电路 转换为电压或电流的变化量输出, 这种装置称为电感式传感器 电感式传感器具有结构简单, 工作可靠, 测量精度高, 零点稳定, 输出功率较大等一系列优点, 其主要缺点是灵敏度、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。这种传感器能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。 电感式传感器种类很多, 本章主要介绍自感式、 互感式和 电涡流式三种传感器

第4章电感式传感器 41变磁阻式传感器 、工作原理 变磁阻式传感器的结构如图4-1所示。它由线圈、铁芯和 衔铁三部分组成。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δ,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 根据电感定义,线圈中电感量可由下式确定

第4章 电感式传感器 4.1 变磁阻式传感器 一、 工作原理 变磁阻式传感器的结构如图 4 - 1 所示。它由线圈、铁芯和 衔铁三部分组成。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δ, 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。 根据电感定义, 线圈中电感量可由下式确定:

第4章电感式传感器 L ∧6 线圈;2—铁芯(定铁芯);3一衔铁〔动铁芯) 图4-1变磁阻式传感器

第4章 电感式传感器

第4章电感式传感器 Ywdw① (4-1) 式中:平—线圈总磁链 I—通过线圈的电流 w—线圈的匝数; ①—穿过线圈的磁通。 由磁路欧姆定律,得

第4章 电感式传感器 L= (4 - 1） 式中: ——线圈总磁链; I ——通过线圈的电流; w——线圈的匝数; Φ ——穿过线圈的磁通。 由磁路欧姆定律, 得 I w I w I  =  =   Rm Iw  =

第4章电感式传感器 式中:Rn—磁路总磁阻。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。若忽略磁路磁损,则 磁路总磁阻为 L1,L2,26 R 1 (4-3) 式中:μ一铁芯材料的导磁率; μ2衔铁材料的导磁率; L1—磁通通过铁芯的长度 L2—磁通通过衔铁的长度; S—铁芯的截面积; S2—衔铁的截面积 空气的导磁率

第4章 电感式传感器 式中: Rm——磁路总磁阻。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。若忽略磁路磁损, 则 磁路总磁阻为 Rm = (4 - 3) 式中: μ1——铁芯材料的导磁率; μ2——衔铁材料的导磁率; L1——磁通通过铁芯的长度; L2——磁通通过衔铁的长度; S1——铁芯的截面积; S2——衔铁的截面积; μ0——空气的导磁率; 2 2 0 0 2 1 1 1 2 S S L S L     + +

第4章电感式传感器 气隙的截面积 δ—气隙的厚度。 通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻,即 20 >> 26L2 则式4-3)可近似为26 R 联立式(4-1)#,式(4-2)及式(4-5),可得

第4章 电感式传感器 S0——气隙的截面积; δ——气隙的厚度。 通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻, 即 则式(4 - 3）可近似为 Rm = 联立式(4 - 1）#, 式(4 - 2）及式(4 - 5）, 可得 0 0 2 u s  1 1 1 0 0 2 u s L u s   2 2 2 0 0 2 u s L u s  

第4章电感式传感器 ww poso R 26 (4-6) 上式表明,当线圈匝数为常数时,电感L仅仅是磁路中磁阻 Rn的函数,只要改变δ或S0均可导致电感变化,因此变磁阻式 传感器又可分为变气隙厚度δ的传感器和变气隙面积S0的传 感器。使用最广泛的是变气隙厚度δ式电感传感器。 二、输出特性 设电感传感器初始气隙为δ0,初始电感量为L0,衔铁 位移引起的气隙变化量为△6,从式(4-6)可知L与δ之间是非 线性关系,特性曲线如图(4-2)表示初始电感量为

第4章 电感式传感器 (4 - 6） 上式表明, 当线圈匝数为常数时, 电感L仅仅是磁路中磁阻 Rm的函数, 只要改变δ或S0均可导致电感变化, 因此变磁阻式 传感器又可分为变气隙厚度δ的传感器和变气隙面积Ｓ0的传 感器。使用最广泛的是变气隙厚度δ式电感传感器。 二、 输出特性 设电感传感器初始气隙为δ 0, 初始电感量为L 0, 衔铁 位移引起的气隙变化量为Δδ, 从式(4 - 6）可知L与δ之间是非 线性关系, 特性曲线如图(4 -2）表示,初始电感量为   2 0 0 2 2 w s R w L m = =

第4章电感式传感器 L I+△L 6△ 6。nSn+△O, 0 图4-2变隙式电感传感器的L一8特性

第4章 电感式传感器

第4章电感式传感器 loss o 2 0 当衔铁上移Δδ时,传感器气隙减小Δδ,即δ=80-△6,则此时输 出电感为L=L0+△L,代入式(4-6)式并整理,得 L o+△L=khso 2(-△o) △6 当△6/601时,可将上式用台劳级数展开成级数形式为 △6 △δ、2,△δ L=L0+△L=l01+(。)+(-) 由上式可求得电感增量△L和相对增量△L/L0的表达式,即

第4章 电感式传感器 0 2 0 0 0 2  s w L = 当衔铁上移Δδ时, 传感器气隙减小Δδ, 即δ=δ0-Δδ, 则此时输 出电感为L = L0+ΔL, 代入式(4 - 6）式并整理, 得 0 0 0 0 0 2 0 1 2( )       − = −  = +  = w s L L L L 当Δδ/δ01时, 可将上式用台劳级数展开成级数形式为 L = L0+ΔL = [1 ( ) ( ) ( ) ...] 3 0 2 0 0 0 +  +  +  +       L 由上式可求得电感增量ΔL和相对增量ΔL/ L0的表达式, 即