第五课(电感式传感器)

l1 S1
1 L 2 W l2 1—线线；
δ
2—铁铁(厚铁铁)； 3—衔铁(动铁铁)
S2
±∆ δ
3
图5 – 1 变间隙式电感传感器
传感器由线圈、铁心和衔铁组成。工作时 衔铁与被测物体连接，被测物体的位移将引起 空气隙的长度发生变化。由于气隙磁阻的变化， 导致了线圈电感量的变化。 线圈的电感可用下式表示：
对于差动变压器，当衔铁处于中间位置时，两个二 次绕组互相相同，因而由一次激励引起的感应电动势相 同。由于两个二次绕组反向串接，所以差动输出电动势 为零。当衔铁移向二次绕组L21一边，这时互感M1大， M2小，因而二次绕组L21内感应电动势大于二次绕组L22 内感应电动势，这时差动输出电动势不为零。在传感器 的量程内，衔铁移动越大，差动输出电动势就越大。 同样道理，当衔铁向二次绕组L22一边移动，差动输 出电动势仍不为零，但由于移动方向改变，所以输出电 动势反相。 因此通过差动变压器输出电动势的大小和相位可以 知道衔铁位移量的大小和方向。
（二）变面积型电感传感器 由变气隙型电感传感器可知，气隙长度不变，铁 心与衔铁之间相对而言覆盖面积随被测量的变化面改 变，从而导致线圈的电感量发生变化，这种形式称之 为变面积型电感传感器，其结构示意图见下图。
2 3
1 δ
L L=f(A)
L=f(δ) δ, A
图 5-2 变面积型电感传感器 图 5-3 电感传感器特性
[
]
(5-5)
以上三种形式的电感式传感器有如下特 点： ● 变间隙型灵敏度较高,但非线性误差 较大,且制作装配比较困难. ● 变面积型灵敏度较前者小,但线性较 好,量程较大,使用比较广泛. ● 螺管型灵敏度较低,但量程大且结构 简单易于制作和批量生产,是使用最广泛的一 种电感式传感器.
(四)差动电感传感器 在实际使用中，常采用两个相同的传感线圈 共用一个衔铁，构成差动式电感传感器，这样可 以提高传感器的灵敏度，减小测量误差。 图5-5是变间隙型、变面积型及螺管型三种类 型的差动式电感传感器。
. .
.
（5-6）
≈
U ∆L 0 当ωL＞＞R’时，上式可近似为： 2 L （5-7） 由上式可以看出：交流电桥的输出电压与传感器线圈电 感的相对变化量是成正比的。 U
第二节 差动变压器
一、差动变压器的工作原理
2
差动变压器的工作原理类似 变压器的作用原理。这种类型的 4 传感器主要包括有衔铁、一次绕 组和二次绕组等。一、二次绕组 间的耦合能随衔铁的移动而变化， 即绕组间的互感随被测位移改变 而变化。由于在使用时采用两个 二次绕组反向串接，以差动方式 1 输出，所以把这种传感器称为差 图 5-7 差动变压器的结构示意图 动变压器式电感传感器，通常简 称差动变压器。 1-一次绕组 2、 -二次绕组 4-衔铁 3
设线圈长度为l、 线圈的平均半径为 r、线圈的匝数为N、 衔铁进入线圈的长 度la、衔铁的半径 为ra、铁心的有效 磁导率为µ m，则线 圈的电感量L与衔 铁进入线圈的长度 la的关系可表示为
2 2
l 2 x 2ra 1
图 5-4 螺管型电感传感器
1-线圈 2-衔铁
r
4π N 2 2 L= lr + ( µ m − 1)l a ra 2 l
第五章 电感式传感器
第一节 自感式电感传感器 第二节 差动变压器 第三节 电涡流式传感器
电感式传感器是利用被测量的变化引起线 圈自感或互感系数的变化，从而导致线圈电感 量改变这一物理现象来实现测量的。因此根据 转换原理，电感式传感器可以分为自感式和互 感式两大类。
第一节 自感式电感传感器
自感式电感传感器可分为变间隙型、变面积型和螺管 型三种类型。 一、自感式电感传感器的工作原理 （一）变间隙型电感传感器 变间隙型电感传感器的结构示意图如图5-1所示。
二、自感式电感传感器的测量电路 交流电桥是电感式传感器的主要测量电 路，它的作用是将线圈电感的变化转换成电 桥电路的电压或电流输出。 前面已提到差动式结构可以提高灵敏度， 改善线性，所以交流电桥也多采用双臂工作 形式。通常将传感器作为电桥的两个工作臂， 电桥的平衡臂可以是纯电阻，也可以是变压 器的二次侧绕组或紧耦合电感线圈。图5-6是 交流电桥的常用形式。
c)
三、电感式传感器的应用 电感式传感器主要用于测量微位移，凡是能转 换成位移量变化的参数，如压力、力、压差、加速 度、振动、应变、流量、厚度、液位等都可以用电 感式传感器来进行测量。
图5-11是induNCDT系列位移传感器的外形图， 它主要用于位移，振动，转速测量。传感器的前置 放大器被集成安装在传感器壳体里，其输出信号与 测量位移成正比。在传感器测量量程内线性精度优 于±2%。表5-1是induNCDT系列位移传感器的主要 技术参数。
表4-2 JM□L系列电感式传感器的主要技术参数
5．安装尺寸如图5-12所示：
图5-12 JM□L系列电感式传感器的安装尺寸
（三）振动和加速度的测量
图5-13为测量振动 与加速度的电感传感器 结构图。衔铁受振动和 加速度的作用，使弹簧 受力变形，与弹簧连接 的衔铁的位移大小反映 了振动的幅度和频率以 及加速度的大小。
（二）JM□L电感式传感器(接近开关) 1．适用范围：JM□L系列接近开关适用于交流50Hz，额定工作电压 90V~250V(除LM8L外)，直流额定工作电压10V~30V的电路中，具有短路 保护电路，起反连接保护电路之用。 2．型号及其含义：
3．正常使用条件和安装条件：(1)周围空气温度不超过+70℃，周围空气 温度的下限为-25℃；(2)安装地点的海拔不超过2000m ；(3)大气相对湿度 在周围空气温度为+70℃时不超过50%，在较低的温度下可以允许有较高 的相对湿度，例如在20℃时达90%，对由于温度变化偶尔产生的凝露应采 取特殊的措施；( 4)污染等级：3级。 4．主要技术参数：见表4-2所示。
1-衔铁 2-铁芯 3-线圈
通过对式（5-4）的分析可知，线圈电感量 L与气隙厚度是非线性的，但与磁通截面积A却 是成正比，是一种线性关系。特性曲线参见图 5-3。
（三）螺管型电感式传感器 下图为螺管型电感式传感器的结构图。 螺管型电感传感器的衔铁随被测对象移动， 线圈磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈 电感量也因此而变化。线圈电感量的大小 与衔铁插入线圈的深度有关。
Z1 L1 R1
R1 ˊ
L2 Z2 R2 ˊ R2 ZL ． U0
． U
电阻平衡臂电桥
图 5-6
交流电桥的形式
. . Z1 R1 Z1 × 2 R Nhomakorabea R ( Z1 + Z 2 ) . U0 = U− U = U Z1 + Z 2 R1 + R2 ( Z1 + Z 2 ) × 2 R .
( Z1 − Z 2 ) R . 2 ∆ZR . U ∆Z = U = U = 4 ZR 4 ZR 2 Z
图5-11 induNCDT系列位移传感器的外形图
表5-1 induNCDT系列位移传感器的主要技术参数
型号 测量原理 测量范围 起始间距 被测体直径 最小 线性度 灵敏度 静态分辨率 信号输出 极限频率 工作温度 温度稳定性 供电 负载 保护等级 传感器电缆长 铁磁材料 铝 铁磁材料 铝 铁磁材料 铝 IWS-4-M-CA3-U IWS-3-A-CA3-U 电感 0.5～4.5mm 0.5～3.5mm 0.5mm 18mm ≦± 2% 1V/mm 1µm 0.5～4.5 0.5～3.5V 1KHZ 0～+85℃ ≦0.06 % +12～+18V/7mA 最小5K IP65 3米
U1 R1 + jωL1
（5-10）
ω ( M 1 − M 2 )U 1
R12 + (ωL1 ) 2
（5-11）
差动变压器的输出特 性曲线如图5-9所示.图中 E21、E22分别为两个二次绕 组的输出感应电动势，E2 为差动输出电动势，x表示 衔铁偏离中心位置的距离。 其中E2的实线表示理想的 输出特性，而虚线部分表 示实际的输出特性。E0为 零点残余电动势，这是由 于差动变压器制作上的不 对称以及铁心位置等因素 所造成的。
l 4 3
2
3 l 4
3
4 l 2 a) b)
图 5-5 差动式电感传感器 a) 变间隙型 b) 变面积型 c) 螺管型
1-线圈 2-铁芯 3-衔铁 4-导杆
c)
差动式电感传感器的结构要求两个导 磁体的几何尺寸及材料完全相同，两个线 圈的电气参数和几何尺寸完全相同。 差动式结构除了可以改善线性、提高 灵敏度外，对温度变化、电源频率变化等 影响，也可以进行补偿，从而减少了外界 影响造成的误差。
3）采用补偿线路减小零点残余电动势。图510是几种减小零点残余电动势的补偿电路。在差 动变压器二侧串、并联适当数值的电阻电容元件， 当调整这些元件时，可使零点残余电动势减小。
R0 ． U R0 ． U０ C0 ． U C R0 ． U０ ． U ． U０
a)
图 5-10
b)
减小零点残余电动势补偿电路
图 5-13
1 2 3
4 加速度传感器
3-弹簧 4-壳体 1-差动变压器 2-衔铁
（四）液位测量 图5-14是采用了电感 式传感器的沉筒式液位计。 由于液位的变化，沉筒所 受浮力也将产生变化，这 一变化转变成衔铁的位移， 从而改变了差动变压器的 输出电压，这个输出值反 映了液位的变化值。
图 5-14 沉筒式液位计
3
差动变压器工作在 理想情况下（忽略涡流 R 21 损耗、磁滞损耗和分布 ～ ． 电容等影响），它的等 M1 E21 ． 效电路如图5-8所示。图 E2 L21 R1 U1为一次绕组激励电压； ． L1 R 22 M1、M2分别为一次绕组 U ～ 1 L22 与两个二次绕组间的互 ． 感：L1、R1分别为一次 M2 ～ E22 绕组的电感和有效电阻； L21、L22分别为两个二次 绕组的电感；R21、R22分 图 5-8 差动变压器的等效电路 别为两个二次绕组的有 效电阻。