智能传感与检测技术 教案 3-1 3.1 自感式传感器3.2 变气隙式自感传感器.docx
《智能传感与检测技术》课程教案
授课题目
（章节）
第3章电感式传感器
3.1自感式传感器
3.2变气隙式自感传感器
建议课时
2
授课方式
理论知识讲授+课堂提问讨论+多媒体演示
所属专业
教学目标
掌握自感式传感器的测量原理
掌握变气隙式自感传感器的测量原理
了解单线圈和差动两种变气隙式自感传感器的特性
教学重点
1.自感式传感器的测量原理
2.变气隙式自感传感器的测量原理
教学难点
1.自感式传感器的测量原理
2.变气隙式自感传感器的测量原理
参考教材
《智能传感与检测技术》徐小华主编机械工业出版社ISBN978-7-111-76072-6
教
学
内
容
『新课导入』
电感式传感器利用电磁感应把被测的物理量如位移、压力、流量、振动等的变化转换成线圈的自感系数和互感系数的变化，再由电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。
电感式传感器主要用于位移测量和可以转换成位移变化的机械量（如张力、压力、压差、
加速度、振动、应变、流量、厚度、液位、比重、转矩等）的测量。
『授课内容』
3.1自感式传感器
自感式传感器（见图3-1）又称电感式位移传盛器，是由铁芯、线圈和衔铁构成的，是将直线或角位移的变化转换为线圈电感量变化的传感器。铁芯和衔铁由导磁材料制成。这种传感器的线圈匝数和材料磁导率都是一定的，其电感量的变化是由于位移输入量导致线圈磁路的几何尺寸变化而引起的。当把线圈接入测量电路并接通激励电源时，就可获得正比于位移输入量的电压或电流输出。
在铁芯和衔铁之间有气隙，传感器的运动部分与衔铁相连，当衔铁移动时，气隙厚度发生改变，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，线圈中电感量可表示为
（3-1）
根据磁路欧姆定律，有
（3-2）
式(3-1)与式(3-2)两式联立得
（3-3）
当气隙很小时，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
（3-4）
通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻，即
于是式（3-4）可写为
（3-5）
联立式（3-3）及式（3-5），可得
（3-6）
式（3-6）表明：当线圈匝数为常数时，电感量仅仅是磁路总磁阻的函数，改变或均可导致电感量变化，因此自感式传感器又可分为变气隙厚度的传感器和变气隙面积的传感器。
3.2变气隙式自感传感器
目前使用最广泛的自感式传感器是变气隙式自感传感器。其测量原理是：铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或铁镍合金制成，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。当衔铁移动时，气隙厚度发生改变化，引起磁路总磁阻变化，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。
出式（3-6）知，与之间是非线性关系，特性曲线如图3-2所示。
当衔铁处于初始位置时，初始电感量为
当衔铁上移时，传感器气隙厚度减小，即=-，则此时输出电感为
经过一系列数学公式处理，最后作线性处理，即忽略高次项后，可得
自感式传感器的灵敏度为
线性度为
为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动式变气隙式自感传感器。由图3-3可知，差动式变气隙式自感传感器由两个相同的电感线圈、和磁路组成。测量时，衔铁通过导杆与被测体相连，当被测体上下移动时，导杆带动衔铁也以相同的位移上下移动，使两个磁回路中磁阻发生大小相等、方向相反的变化，导致一个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减小，形成差动形式。
经过计算，差动式变气隙式自感传感器灵敏度为
线性度为
【多媒体演示】
多媒体课件见教材配套教学PPT
『课堂小结』
比较单线圈和差动两种变气隙式自感传感器的特性，可以得到如下结论。
差动式变气隙式自感传感器的灵敏度是单线圈式的两倍，
差动式变气隙式自感传感器的线性度得到明显改善。
为了使输出特性得到有效改善，构成差动的两个变气隙式自感传感器在结构尺寸、材料、电气参数等方面均应完全一致。
『作业布置』
P25页中一、填空题和二、简答题。
『教学后记』