第4章 电感式传感器

技能训练四电感式传感器二、思考题1．填空题（1）单线圈螺管式电感传感器主要由螺线管线圈和可沿线圈轴向移动的衔铁组成。

（2）电感式传感器一般用于测量位移，也可用于振动、压力、荷重、流量、液位等参数的测量。

（3）对于差动变压器，当衔铁处于线圈中心位置时，两个次级绕组与初级绕组间的互感相同。

初级绕组加入激励电源后，两个次级绕组产生的感应电动势相同，输出电压为零。

但在实际应用中，铁芯处于差动线圈中心位置时的输出电压并不为零，该电压称为零点残余电压。

（4）电涡流传感器的整个测量系统由电涡流传感器和测量转换电路两部分组成。

（5）电感式接近开关是一种有开关量输出的位置传感器，利用电涡流原理制成，主要用于金属物体的位置检测及判断。

（6）单线圈螺管式电感传感器相比于变隙式电感传感器优点很多，缺点是灵敏度低，它广泛用于测量大量程的直线位移。

（7）电涡流传感器常采用谐振电路和桥式电路作为测量电路。

（8）自感式电感传感器实质上是一个带衔铁的铁芯线圈，主要由铁芯、线圈和衔铁组成。

（9）单一结构的电感传感器不适用于精密的测量，在实际工作中常采用两个电气参数和几何尺寸完全相同的电感线圈共用一个衔铁构成的差动式电感传感器，（10）互感式电感传感器主要由衔铁、初级绕组和次级绕组组成。

由于在使用时两个次级绕组反向串接，以差动方式输出，因此称为差动变压器式传感器。

2．选择题（1）通常用电感式传感器测量（ c ）。

a．电压b．磁场强度c．位移d．压力（2）单线圈螺管式电感传感器广泛用于测量（ c ）。

a．大量程角位移b．小量程角位移c．大量程直线位移d．小量程直线位移（3）差动变压器的测量电路常采用（ c ）a．直流电桥b．交流电桥c．差分相敏检波电路和差分整流电路d．运算放大器电路（4）为了使螺管式差动变压器式传感器具有较好的线性度，通常（a ）。

a．取测量范围为线圈骨架的1/10～1/4b．取测量范围为线圈骨架的1/2～2/3c．激励电流频率采用中频d．激励电流频率采用高频（5）欲测量极微小位移应选择（ a ）电感传感器；希望线性好、测量范围大，应选择（ c ）自感传感器。

2
LC
2LC
Q2
(1
2LC)2
2LC Q
2
(4-17)
第4章 电感式传感器
当Q>>ω2LC且Ω2lc<<1
Z
R
(1 2LC)2
;
令
L'
L
(1 2LC)2
则
Z R' jL'
从以上分析可以看出，并联电容的存在，使有效串联损耗电阻及 有效电感增加，而有效Q值减小，在有效阻抗不大的情况下，它 会使灵敏度有所提高，从而引起传感器性能的变化。因此在测量 中若更换连接电缆线的长度，在激励频率较高时则应对传感器的 灵敏度重新进行校准。
为了使输出特性能得到有效改善，构成差动的两个变隙 式电感传感器在结构尺寸、材料、电气参数等方面均应完全 一致。
第4章 电感式传感器 图4-3 差动变隙式电感传感器
第4章 电感式传感器 4.1.3 测量电路
电感式传感器的测量电路有交流电桥、变压器式交流电桥 以及谐振式等。
1.
从电路角度看，电感式传感器的线圈并非是纯电感，该电 感由有功分量和无功分量两部分组成。有功分量包括：线圈线 绕电阻和涡流损耗电阻及磁滞损耗电阻，这些都可折合成为有 功电阻，其总电阻可用R来表示；无功分量包含：线圈的自感L, 绕线间分布电容，为简便起见可视为集中参数，用C来表示。 于是可得到电感式传感器的等效电路如图4-4所示。
其自由端发生位移，带动与自由端连接成一体的衔铁运动， 使线圈1和线圈2中的电感发生大小相等、符号相反的变化。 即一个电感量增大，一个电感量减小。电感的这种变化通 过电桥电路转换成电压输出，所以只要用检测仪表测量出 输出电压，即可得知被测压力的大小。
第4章 电感式传感器 4.1.5

L=f(lδ)为非线性关系。当 lδ = 0 时，L 为∞，考虑导磁体的磁阻，即根据 （4-3）式，当lδ= 0 时，L 并不等于∞ ，而具有一定的数值，在lδ较小时其 特征曲线如图中虚线所示。如上下移动衔铁使面积 S 改变，从而改变 L值
§4-1 自感式传感器
(二)特征分析
气隙式电感传感器的主要特征是灵敏度和线性度。当铁心和衔铁采用同一导磁 材料，且截面相同时，因为气隙 lδ 一般较小，故可以认为气隙磁通截面与铁心截 面相等，设截面总长为 l，则（4-2）式可写成

1


l l

. 1

l
1 / l
r



l
. 1
l 1
l / l
r



（4-10） (4-11)
§4-1 自感式传感器
同理，当总气隙长度增加 △lδ时，电感减少 △L2，即
L2
l
L l l l / r
§4-1 自感式传感器
L L

L1 L2 L

2
lc lc
1

l lc

1
r rc
2
1
r
1

(4-26)
(4-26)式说明： △L/L 与铁心长度变化 △lc/lc 成正比，比单个螺管式 电感传感器灵敏度高一倍。为了使灵敏度增大，应使线圈与铁心尺寸比值
L = (4π2N2rc2μr)/(l×107)+[4πN2(πr2-πrc2)]/(l×107)
= {4π2N2[r2+(μr-1) rc2]}/ (l2×107) (H)
(4-21)

1
2
P
r
x
B 为简化分析，设螺管线圈的长径 比 l / r 1 ，则可认为螺管线 圈内磁场强度分布均匀，线圈 中心处的磁场强度为： IN H 2 2 l N NBS 0 N r 则空心螺管线圈的电感为： L0 I I l
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x
当线圈插有铁芯时，由于铁芯是铁磁性材料，使插入部分的磁 阻下降，故磁感强度B增大，电感值增加。
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L
ΔL1 L0 ΔL2 δ0 δ
2. 螺线管型电感传感器
有单线圈和差动式两种结构形式。 单线圈螺管型传感器的主要元件为一只螺管线圈一根圆柱 形铁芯及磁性套筒。传感器工作时，因铁芯在线圈中伸入长度 的变化，引起线圈泄漏路径中磁阻的变化，从而使线圈自感发 生变化。
螺管线圈 l r 铁芯 x
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为了提高灵敏度与线性度,常 采用差动螺管式自感传感器。 图(b)中H=f(x)曲线表明：为 了得到较好的线性,铁芯长度 取0.6l时,则铁芯工作在H曲线 的拐弯处,此时H变化小。这种 差动螺管式自感传感器的测量 范围为(5～50)mm,非线性误 差在0.5％左右。
2lc
Δlc
r
x 线圈Ⅱ (a)
当

2 4 L 1 2 ... L0 0 0 0 L 2 忽略高次项，可得: L0 0
0
，上式展开成泰勒级数： 1
差动变隙式自感传感器的灵敏度为

3
L L0 2 K 0
1 线圈Ⅰ自感特性曲线； 2 线圈Ⅱ自感特性曲线； 3 线圈Ⅰ与Ⅱ差动自感特性曲线； 4 差动电桥输出电压－位移特性曲线
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L/mH 100 75 LD 50 25