电感式传感器

电感式传感器自感式传感器差动式电感传感器电涡流式传感器测量电路电感式传感器的应用电感式传感器(inductivesensor)原理利用电磁感应原理将被测非电量转换为线圈自感系数L或互感系数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。被测非电量电磁感应自感系数L互感系数M测量电路U、I优点缺点结构简单可靠输出功率大输出阻抗小抗干扰能力强对工作环境要求不高分辨能力好稳定性好频率响应低不宜于快速动态测量分类按原理分：按结构分：自感式传感器差动式传感器电涡流式传感器压磁式传感器感应同步器气隙式电感传感器螺线管式电感传感器自感式传感器利用位移的变化使线圈自感量发生变化来实现测量。由线圈、铁芯、衔铁三部分组成。图5-1气隙型自感传感器1-----线圈2-----铁芯3-----衔铁LNIL——线圈的自感量；N——线圈的匝数；——通过每匝线圈的磁通量；I——线圈中的电流；RM——磁路的总磁阻。MNIR12112202MllRSSS由于铁芯、衔铁磁导率(1，2)远大于气隙磁导率(0)，因此铁芯、衔铁磁阻远小于气隙磁阻。即:02MRSl1，l2——铁芯、衔铁长度；1，2——铁芯、衔铁磁导率；S1，S2——铁芯、衔铁横截面积；——气隙厚度；0——气隙磁导率；S——气隙横截面积。11102lSS11102lSS因此将RM取近似可得：LNIMNIR02MRS202NSLS不变，L=f()。变间隙型自感传感器；不变，L=f(S)。变截面型自感传感器；该变气隙磁导率的螺线管型自感传感器。变间隙型变截面型螺线管型图5-2三种自感式传感器变间隙型自感传感器输出特性当衔铁处于初始位置时，初始电感量为：当衔铁上移时，传感器气隙减小，即0，则此时输出电感为：20002NSL2020000000022()2()12NSNSLLLL当时，同理，当衔铁向下移动时，有：012300000001...1LLLLL23000001...LL23000001...LL将以上两式作线性处理，忽略高次项，可得：灵敏度K为：00LL00LLK由此可见，变间隙型电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾，用于测量微小位移时比较精确。变截面型电感传感器图5-3变截面型电感传感器初始电感：20000020000002()(1)2NSLSSSNSSSLLSLLKSS有较大的线性范围与变气隙厚度型相比，灵敏度降低。螺线管电感传感器螺线管电感传感器由一空心螺线管和位于螺线管内的圆柱形铁芯组成。当传感器工作时，铁芯伸入螺线管内的长度x发生变化，从而引起螺线管自感L的变化。图5-4螺线管电感传感器原理图22202(1)arcNLrlrxl自感量L与铁芯伸入螺线管累长度x的关系：L与x的线性关系是经过若干近似后得出的；增加线圈匝数N，增大铁芯直径rc，可提高灵敏度；螺线管型通常比气隙型线性工作范围大。三种自感传感器的比较变间隙型传感器线性度差，测量范围小；变截面型，螺线管型传感器线性度好，测量范围大；变间隙型传感器灵敏度高，变截面型，螺线管型传感器灵敏度低。差动电感传感器变间隙型变截面型螺线管型图5-5三种差动式电感传感器变间隙型差动电感传感器由两个简单电感传感器与两个等值电阻构成一交流电桥；激励电压Ue，输出电压Ua；两电感传感器参数相同，衔铁为二者所共有；衔铁位于中间位置时，两传感器自感量相等，交流电桥平衡，Ua=0；衔铁偏离中间位置时，两传感器自感量不再相等，电桥失衡，产生输出电压，输出电压取决于衔铁的位移。图5-3变间隙型差动电感传感器当衔铁处于中间位置时，两个传感器具有相同的初始自感量：当衔铁从中间位置起向上位移时,两传感器的自感量分别为：20002NSL——衔铁位于中间位置时的初始气隙长度2320010000001...2()1NSLLL2320020000001...2()1NSLLL灵敏度K为：结论：差动式在灵敏度与线性度方面比单线圈式均有所提高。24120000021...LLLLL002LLK灵敏度是单线圈的2倍；非线性项中比单线圈少了奇次项，因此线性度也提高了。电涡流式电感传感器根据法拉第电磁感应定律，金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应电流，称之为电涡流或涡流。这种现象称为电涡流效应。电涡流式传感器就是在这种涡流效应的基础上建立起来的。可以测量位移、厚度、加速度等物理量，其本身不与被测对象接触。在一些生理测量中，这种传感器具有独特的优点：被测对象可以脱离电源传感器对被测对象不产生附加阻力图5-6电涡流式传感器原理图传感器线圈中通以正弦交变电流高频I1时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场H1，使置于此磁场中的金属导体中感应电涡流I2，I2又产生新的交变磁场H2。根据愣次定律，H2的作用将反抗原磁场H1，由于磁场H2的作用，涡流要消耗一部分能量，导致传感器线圈的电感量发生变化。图5-7电涡流式传感器等效电路图222212122222222222UMMZRRjLLIRLRL(,,,)Zfx线圈阻抗随金属导体的电阻率ρ、磁导率μ、线圈激励电流的角频率ω以及线圈与金属导体的距离x等参数变化。(,,,)Zfx如果保持上式中其它参数不变，而只改变其中一个参数，传感器线圈阻抗Z就仅仅是这个参数的单值函数.通过与传感器配用的测量电路测出阻抗Z的变化量，即可实现对该参数的测量。测量方法：测量电路电感传感器实现了把被测量的变化转变为电感量的变化，为了测出电感量的变化，就要用测量电路把电感量的变化转化成电压（或电流）的变化。把传感器电感接入不同的转换电路后，原则上可将电感变化转换成电压(或电流)的幅值、频率、相位的变化，它们分别称为调幅、调频、调相电路。电感传感器等效电路电感传感器的线圈并非纯电阻，有功分量包括：线圈线绕电阻、涡流损耗电阻和磁滞损耗电阻，这些都可以折合成为有功电阻，其总电阻值用R来表示；无功分量包括：线圈的自感L,线圈间分布电容。图5-8电感传感器等效电路等效线圈阻抗：近似处理得：ZRjL调幅电路交流电桥式测量电路图5-9交流电桥测量电路把传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂Z1、Z2，另外两个桥臂用纯电阻R代替；Z是衔铁在中间位置时单个线圈的阻抗，Z1、Z2分别是衔铁偏移中心位置时两线圈阻抗的变化量。当衔铁上移时，Z1=Z+Z1，Z2=Z-Z2当衔铁下移时，Z1=Z-Z1，Z2=Z+Z2在的情况下：LR差动式传感器：02LL00UU同理，当衔铁下移时：00UU当衔铁上移时：变压器式交流电桥图5-9变压器式交流电桥电桥两臂Z1、Z2为传感器线圈阻抗，另外两桥臂为交流变压器次级线圈的1/2阻抗。当负载阻抗为无穷大时，桥路输出电压：当传感器的衔铁处于中间位置，即Z1=Z2=Z，此时有，电桥平衡。00U当传感器衔铁上移：如Z1=Z+Z，Z2=Z-Z当传感器衔铁下移：如Z1=Z-Z，Z2=Z+Z可知：衔铁上下移动相同距离时，输出电压相位相反，大小随衔铁的位移而变化。由于是交流电压，输出指示无法判断位移方向，必须配合相敏检波电路来解决。21021222ZZUZULUUZZZL21021222ZZUZULUUZZZL调频电路图5-10调频电路基本原理是传感器电感L变化将引起输出电压频率f的变化。通常把传感器电感L和电容C接入一个振荡回路中，当L变化时，f随之变化，根据f的大小可测出被测量的值。调相电路图5-10调相电路调相电路的基本原理是传感器电感L变化将引起输出电压相位φ的变化。电感式传感器的应用自感式传感器和差动式传感器主要用于位移测量，凡是能转换成位移变化的参数，如力、压力、压差、加速度、振动、应变、转矩、流量、比重、工件尺寸等均可测量。电感式压力传感器电涡流传感器的应用——电感式接近开关当金属物体在接近这个能产生电磁场接近开关时，使物体内部产生涡流。这个涡流反作用到接近开关，使开关内部电路参数发生变化，由此识别出有无金属物体移近，进而控制开关的通或断。这种接近开关所能检测的物体必须是金属物体。电感式传感器在医学测量中的应用图5-12用于震颤测量的电感传感器图5-11血压测量用电感传感器原理图