传感器原理与检测技术 教学课件作者 钱显毅 课件 第四章 电感式传感器.ppt

第四章 电感式传感器 4.1 电感式传感器的基本原理 4.1 电感式传感器的基本原理 4.1 电感式传感器的基本原理 * 利用电磁感应原理，将被测的机械性的非电量变化转换成线圈电感(或互感)的变化，这种机电转换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、无需外电源和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；对传感器线圈供电电源的频率和振幅稳定度均要求较高。 电感式传感器按转换原理的不同可分为自感式(电感式)和互感式(差动变压器式)两大类。 根据法拉第电磁定律，当穿过闭合电路的磁通量发生变化时，就会产生感应电动势，这种现象称为电磁感应。电与磁之间相互作用、相互转换的物理现象，是人所共知的事实，利用这种现象可以构成各种各样的传感器。电感式传感器是利用线圈自感或互感的变化来实现测量的一种装置，它的核心是可变自感或可变互感。 电感式传感器用于将机械线位移或角位移转换为感应电动势，图4-1即为这种转换的示意图。激励线圈1由交变电源激励，在铁心3中产生交变磁场。 假设动铁心处于无穷远处，在线圈2中的感应电动势为零。随着动铁心的移动，气隙逐步减小，在线圈2中的感应电动势也逐步增大，直到两铁心形成完全闭合的磁路时，感应电动势达到最大。由此可见，感应电动势的大小与气隙的大小有着一一对应的关系。 图 4-1 原理示意图 1—激励线圈 2—二次线圈 3—铁心 可将电感式传感器的能量变化关系，用图4-2来表示。由图可见，传感器的核心是将机械能转换为磁场能的部分。机械变化激励以形成一个磁场信号，被测对象以机械能的方式调制磁场能，而磁场能则通过测量电路（检测线圈）检出，转换为相应的电信号。 图4-2 电感式传感器的能量变换 4.1.1电感与基于电磁参量的关系 用电感（自感或互感）来描述电磁运算中各种变换的关系是很方便的。 （1）电流在线圈中产生的总交链磁通Ψ Ψ=LI （4-1） 式中，L为线圈电感；I—为激励电流。 （2）磁场能量 （4-2） （3）与磁场的几何形状有关的结构参数 或 （4-3） 式中，N为线圈匝数；RM为与磁场几何形状有关的磁阻。 （4）对被测对象的作用力 4.1.1电感与基于电磁参量的关系 被测对象为克服电阻力所作的功，等于磁场能量的变化，即 FΔx =ΔW F= - 故在电流不变时的电磁力为 FM = - = - （4-4） 取负号表示电磁力与外作用力方向相反 4.1.1电感与基于电磁参量的关系 （5）电流在线圈中产生的自感及互感（M）电动势 （4-5） （4-6） 4.1.2电感式传感器的分类 电感式传感器的核心是一个已知的磁场。因此，以磁路形式和磁场形式作为分类的主要依据是合理的，据此可将电感式传感器分为以下几类： 1）具有气隙的电感式传感器。这类传感器利用铁磁体构成集中的磁路，其磁阻主要在气隙中形成。依据改变气隙磁阻的方法，又可分为变气隙型和变截面型。同时，还可以依据是否有独立的检测磁场线圈分为自感型和互感型（变压器型）。 4.1.2电感式传感器的分类 2）具有螺线管的电感式传感器。这类传感器具有较长的空气磁路，利用铁心改变空气磁路的磁阻。同样，在这类传感器中，也有自感型和互感型之分。 3）电涡流传感器。这类传感器没有明确的磁场边界，属于分布参数磁场，利用主磁场和涡流磁场的互感耦合来改变电感。这类传感器可以看作互感型传感器的一种特殊情况。 4）利用铁磁体物理性质的传感器。这类传感器的特点是做成完全闭合的磁路，而铁磁体的磁导率随着应力而变化，由此引起磁阻及电感的变化。 4.2 变气隙型电感式传感器 根据法拉第电磁定律和磁路的欧姆定律，当磁路的磁阻和感应电动势发生变化时，就能相应的测量出电压和电流等物理量，据此，可以制造和设计各类电感式传感器，现研究变气隙型电感式传感器。 4.2.1 简单的变气隙型电感式传感器 图4-3所示的结构，对于研究更为复杂的情况是有用的，为了简化分析，做以下假设： 1）铁心磁路中的磁滞及涡流损耗不计。 2）不考虑集肤效应及边缘效应，认为在铁心中的磁场是均匀分布的。同时，忽略激励线圈的漏磁。 3）铁心的相对磁导率远大于空气的相对磁导率。 图4-3 简单的变气隙型电感式传感器 4.2.1 简单的变气隙型电感式传感器 式中，δ为每段气隙长度； 为铁心总长度；A为气隙有效截面面积；μ0为真空磁导率，因为空气的相对磁导率近似为1，所以μ0也为空气磁导率；μr为铁心的相对磁导率。 将式（4-7）代入式（4-3）中，可得 根据磁路基本知识可知，磁路的总磁阻为铁心及