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1、电感传感器现在学习的是第1页，共56页3-1电感式传感器 一 变隙式电感传感器（一）工作原理 磁路组成：铁芯l1、衔铁l2、气隙l3（l)。衔铁与被测体相连，被测体位移引起气隙磁阻的变化，从而使线圈的电感值变化，进而改变线圈的电压，电流或频率。现在学习的是第2页，共56页为变隙式 为变截面式 总磁阻：设，磁路中，线圈匝数为N，则电感为：现在学习的是第3页，共56页（二）特性分析（变隙式）导磁体相对磁导率r1A1A2现在学习的是第4页，共56页引入“磁路等效磁导率e”引入常数 则：非线性关系现在学习的是第5页，共56页现在学习的是第6页，共56页现在学习的是第7页，共56页讨论：现在学习的是第8
2、页，共56页二.差动变隙式电感传感器 现在学习的是第9页，共56页灵敏度：线性度:现在学习的是第10页，共56页差动式比单线圈的灵敏度提高一倍;因为差动式非线性项少了奇次项，所以差 动式比单线圈的非线性失真小。结论现在学习的是第11页，共56页二、螺管式电感传感器 工作原理：衔铁伸入螺管线圈内长度的变化引起螺管线圈电感值的变化L现在学习的是第12页，共56页（一）激励磁场 由毕奥沙伐拉普拉斯定理可以求得不同长径比的螺管线圈轴向磁场分布曲线 apI无限长直载流导线B一般情况下：dBa(毕奥沙伐尔实验）电流元 在空间P点产生的磁感应强度：(拉普拉斯定理)PI现在学习的是第13页，共56页r0Idl
3、dBIpP点上的磁感应强度：（1匝）由于对称关系，各 互相抵消，而 互相加强。现在学习的是第14页，共56页P现在学习的是第15页，共56页讨论（1）曲线由中间平坦部分和两端斜线部分组成；（2）螺管越长或相对螺管越细，即 ，则中间平坦区越宽，且磁场强度越强。现在学习的是第16页，共56页（二）衔铁磁化引起的磁场 由于衔铁是铁磁体，所以当衔铁进入螺管线圈，激励磁场将使衔铁磁化，从而产生附加磁场。可以用一个围绕衔铁表面流过的圆电流所产生的磁场来代替。P衔铁现在学习的是第17页，共56页现在学习的是第18页，共56页（三）总磁场 带衔铁的螺管线圈磁场线圈激励磁场衔铁磁化的附加磁场 总磁通：现在学习的
4、是第19页，共56页(四)线圈电感 磁通量回路种的电流现在学习的是第20页，共56页当传感器材料确定后，La随la（即插入深度）而变化。在实际应用中，大位移螺管式传感器一般都利用磁场的中间部分，此时 ，（磁场均匀）。(3-27b)现在学习的是第21页，共56页传感器电感灵敏度:讨论提高螺管式电感传感器的灵敏度的措施：1、增加N；2、增加Aa，3、采用高导磁率的材料，以增加 。现在学习的是第22页，共56页（五）电压输出特性 a.大位移电感传感器电原理图及输出特性 传感器u1_线圈用交流恒流源激励克服非线性 设 输出电压当 灵敏度提高，非线性改善。现在学习的是第23页，共56页b.差动螺管式电感
5、传感器线圈轴向磁场分布曲线曲线1，2是单个线圈的轴向磁场分布；曲线3是差动线圈的轴向磁场分布。结论：电压灵敏度和线性度优于单线圈传感器。现在学习的是第24页，共56页三.电感线圈的等效电路为激励磁场的频率。品质因素Q表示电感线圈所储存的能量。（Q值它的电抗同等效串联电阻之比）耗散因数D线圈能量的损耗程度:现在学习的是第25页，共56页同理：与线圈及铁芯材料、结构有关的系数；总耗散因数D：在忽略分布电容的影响下，D曲线如图所示（3-11）现在学习的是第26页，共56页（二）并联电容的影响 等效电路图（右图）不考虑分布电容影响时：考虑分布电容影响时，阻抗：（一般传感器 Q1）线圈和铁芯损耗电阻的总
6、和电感从式中可见 由于分布电容C存在，使有效串联电阻和有效电感均增加。现在学习的是第27页，共56页电感的相对变化值：品质因数：(1)由于分布电容的存在使,有效灵敏度提高;而使有效品质因数减小。(2)分布电容将引起传感器性能的变化。为此必须根据测试时所用的电缆长度对传感器进行标定。讨论：现在学习的是第28页，共56页四.交流电桥 电压输出：交流电桥是电感传感器的主要测量电路，其作用是将线圈中的电感的变化转换为桥路的电压变化。阻抗：电抗现在学习的是第29页，共56页a.当满足平衡条件：（需实部和虚部分别满足）b.桥臂阻抗的相对变化（一）电桥输出特性 1.单臂工作 设 工作臂阻抗的相对变化:桥路同
7、一支路的阻抗比:现在学习的是第30页，共56页由：引入条件：则：（3-35）现在学习的是第31页，共56页（a)若测纯电阻，则 讨论(b)纯电抗变化的阻抗的相对变化为：n从以上可以看出，桥臂阻抗相对变化不仅与电阻相对变化或电抗相对有关，还与桥臂的相位角有关。n纯电阻变化时，要求：这时桥臂阻抗为纯电阻。n纯电抗变化时，要求：这时桥臂阻抗为纯电抗。电阻式传感器电感式传感器电容式传感器现在学习的是第32页，共56页电桥同一支桥路两个阻抗的相位角差；电桥同一支桥路两个电抗的幅值之比；n交流电桥可以比直流电桥 有更高的灵敏度；n增大相位角差，即 可以提高灵敏度。-灵敏度现在学习的是第33页，共56页(1
8、)电阻平衡臂电桥 2.双臂工作，差动形式 设平衡臂电阻：工作臂阻抗：工作时：由现在学习的是第34页，共56页输出电压的幅值：桥路的输出阻抗为：讨论（a）当 即品质因素（b）当 即品质因素 现在学习的是第35页，共56页（2）变压器电桥 平衡臂：为变压器两个副边，工作臂：阻抗为 平衡臂工作臂设 则输出电压：桥路输出阻抗（忽略变压器副变的阻抗）：输出电压的幅值：现在学习的是第36页，共56页（3）紧耦合电感臂电桥 耦合系数：紧耦合：不耦合：耦合线圈等效成形网络，它由差动工作的两个传感器阻抗Z1，Z2和两个固定的紧耦合的电感线圈LC组成（互感=0）现在学习的是第37页，共56页由电工学可知：T形网络
9、接入电桥的等效电路图：现在学习的是第38页，共56页可求得输出电压表达式为1、当初始平衡时 即电桥输出阻抗为零，（相当于良好的接地，若输出端存在并联的寄生电容对输出无影响），使得电桥零点十分稳定。2、当差动工作时，有一个环绕耦合线圈流动，大小相同，方向相反：可求得：电桥输出电压 现在学习的是第39页，共56页差动工作考虑Q1代入上式推导：现在学习的是第40页，共56页3、相对于即不耦合电感臂电桥：可得紧耦合电感臂桥的特点：a.灵敏度高（因为大于）；由式可知，当 为常数；而且 与频率无关。b.零点稳定 现在学习的是第41页，共56页3-2差动变压器（螺管式）一、工作原理与结构 工作原理：互感随衔
10、铁移动而变化。主要结构：一、二次线圈，衔铁，线圈框架等组成。工作特点：开磁路1_一次线圈，2/3_二次线圈4_衔铁现在学习的是第42页，共56页M2M1e2e1R1R21R22L1L21L22e21e22I1e1-初级线圈的激励电压；R1-初级线圈有效电阻；L1-初级线圈电感；M1-初级线圈与次级线圈S1之间的互感；M2-初级线圈与次级线圈S2之间的互感；I1-初级激励电流。e21-次级线圈S1的激励电压；R21-次级线圈S1有效电阻；L21-次级线圈S1电感；e22-次级线圈S2的激励电压；R22-次级线圈S2有效电阻；L22-次级线圈S2电感；次级线圈S1次级线圈S2初级线圈等效电路：现在
11、学习的是第43页，共56页由变压器原理 衔铁位置居中：衔铁游离中间：有效值：衔铁处在中间平衡位置时，单个次级线圈的感应电动势输出阻抗：则：现在学习的是第44页，共56页差动变压器的输出特性：现在学习的是第45页，共56页二、线性度与灵敏度（一）线性度 差动变压器总磁场为：现在学习的是第46页，共56页现在学习的是第47页，共56页（二）灵敏度 衔铁移动单位长度时所产生的输出电压变化 影响灵敏度的三个因素：1.二次绕组的线圈匝数：2.一次电压：3.激励电源频率 现在学习的是第48页，共56页值与无关 趋肤效应 电阻增大，涡电流及磁滞损耗增大，灵敏度下降。当f较小时：频率与灵敏度的关系现在学习的是
12、第49页，共56页三.主要误差及补偿方法 主要误差（一）激励源幅值和频率的波动 幅值 激励磁场磁通 输出 频率 由灵敏度分析，只要适当选择频率，其影响不大（二）温度变化的影响 温度 线圈电阻磁性材料导磁率变化 变化 变化。补偿方法 现在学习的是第50页，共56页a.用恒流源代替恒压源激励；或在次级回路串一高阻电阻 b.初级回路加热敏电阻 现在学习的是第51页，共56页（三）零点（残余）电压：指衔铁处于中间位置时，所存在的一个不平衡电压。如图 1.产生原因分析：零点电压一般不规则基波分量：两只次级线圈不对称，导磁材料不均质等。现在学习的是第52页，共56页高次谐波：主要是三次谐波，由铁芯磁化曲线的非线性引起如图。补偿方法：从设计和工艺上保证线圈和磁路对称。用高导磁率，低剩磁感应，经热处理的导磁材料做衔铁。b采用补偿线路例：可调电位器，补偿高次谐波。c.采用相敏检波电路。现在学习的是第53页，共56页四.测量电路-常用相敏检波电路用电压表测量存在的问题：a.总有零位电压输出，使零位附近的小位移测量困难。b.交流电压表无法判别衔铁移动方向。差动整流电路相敏检波现在学习的是第54页，共56页R3R4例题：双臂差动工作的电阻平衡臂电桥如图所示。已知:f50KHz。求电桥输出电压的幅值和输出阻抗。现在学习的是第55页，共56页解：现在学习的是第56页，共56页