第3章 电感式传感器及其信号调理3.1 自感式传感器3.2 差动变压器3.3 电涡流传感器3.4 压磁式传感器3.5 电感式传感器的信号调理1自动检测第三章n电感式传感器是利用非电量的变化引起传感元 件线圈自感和互感的变化，从而实现非电量电 测量的一种装置。n电感传感器可分为自感式、互感式和涡流式三 种类型。2自动检测第三章3.1 自感式传感器 3.1.1 单线圈自感传感器自感式传感器亦称变隙式自感传感器或变磁 阻式自感传感器，根据铁芯线圈磁路气隙的改变 ，引起磁路磁阻的改变，从而改变线圈自感的大 小。气隙参数的改变可通过改变气隙长度和改变 气隙截面积两种方式实现。传感器线圈分单线圈 和双线圈两种。3自动检测第三章图3-1单线圈变气隙式长度自感传感器4自动检测第三章n根据磁路知识，线圈自感L可按下式计算n n与电阻串联类似，串联磁路磁阻为各环节磁阻 之和n n实际上由于铁芯工作于非饱和状态，此时铁芯 的磁导率远远大于空气的磁导率，因而磁路的 总磁阻主要由气隙的磁阻所决定。即可认为5自动检测第三章n移动衔铁的位置，即可改变气隙的长度，从而 引起线圈自感的变化，实现位移到电感量的变 化的转换。n设初始气隙为，电感初值为，当衔铁上移时， 气隙变为，可知线圈自感的变为n当 ，将（3-5）用泰勒级数展开6自动检测第三章n当衔铁下移幅度为 时，线圈自感变为n变气隙长度型传感器 与 呈非线性关 系，而且在位移幅度相同但位移方向不同时， 所引起的电感变化的绝对量并不完全相同。但 在 的前提下，作线性化处理，可得7自动检测第三章n其灵敏度为n非线性误差为n为提高自感传感器的灵敏度，可减小 ;n但 的减小又限制了测量范围，而且使非线性 加重。8自动检测第三章自感传感器总要接入测量电路中去，有必 要研究传感器相对于测量电路的等效电路。不 能把它看成一个理想的纯电感L。实际上：线圈导线存在电阻Rc；传感器中的铁磁材料在交变磁场中一方面 被磁化，另一方面形成涡流及损耗，这些损耗 可分别用磁滞损耗电阻和涡流损耗电阻Re表示 ；还存在线圈的匝间电容和电缆线分布电容 ，二者用C统一表示。9自动检测第三章图图3-2 自感传传感器的等效电电路10自动检测第三章单线圈自感传感器结构虽然简单，但存在诸多缺 陷，技术性能较差：n由于线圈流往负载的电流不可能为零，存在起始 电流，衔铁始终受电磁引力，会引起附加误差；n非线性误差较大；n某些客观存在的干扰如电源、温度的波动，都会 对输出造成影响。11自动检测第三章n3.1.2 差动自感传感器n双线圈变气隙式自感传感器采用两个线圈激磁 ，工作时两线圈的自感呈反相变化，形成差动 输出，因而称之为差动自感传感器。n差动自感传感器亦有变气隙长度型和变气隙截 面积型，由两只完全对称的单线圈自感传感器 共用一个活动衔铁而构成。12自动检测第三章图图3-3 变变气隙长长度型差动动自感传传感器n设 ， ，则两线圈自感分别为13自动检测第三章图图3-4 差动动自感传传感器的输输出特性示意图图n差动自感传感器的输出特性示意图如图所示。14自动检测第三章采用差动结构能带来的好处：将传感器两线圈 接入交流电桥的相邻两臂图图3-5 差动动自感传传感器接入交流电桥电桥15自动检测第三章n初始时，衔铁处于中间位置， ， ， 即 ,而 是固定臂，于 是电桥平衡，输出电压 =0。n当衔铁偏离中间位置 时，两线圈电感量( 或阻抗)一增、一减16自动检测第三章n此时电桥失衡，有电压输出，输出为n n因为线圈的品质因数很高，n可见，输出信号的幅值与衔铁的位移幅度成正 比，其相位取决于位移的方向，若衔铁上移， 输出信号与激励电源同相位；若衔铁下移，输 出信号与激励电源相位相差180o。17自动检测第三章n若只将单线圈自感传感器接入该电桥，不妨设Z1 为该单线圈自感传感器，可得采用差动结构能带来的好处：n理论上消除了零位输出，衔铁所受电磁力平衡；n灵敏度提高一倍；n线性度得到改善(高次项能部分相互抵消)；n差动形式可减弱或消除温度、电源变化及外界干 扰等共模干扰的影响。因为这些干扰是以相同的 方向、相同的幅度作用在两个线圈上的，所引起 的自感变化的大小和符号相同，而信号调理电路 实质上是将两个线圈自感的差值转换为电信号。18自动检测第三章自感传感器直接检测的非电量是微小位移，配 合各种敏感元件，它也可完成能够转换为微小 位移的其他非电量的检测。图3-6是利用自感 传感器测量压力的示意图，可用来测量液位。图图3-6 利用自感传传感器测测量压压力19自动检测第三章n图3-7所示为采用差动自感传感器测量压力差 的原理结构。若 ，则衔铁处于对称位置 ，即处于零位，此时有 ；若 时，则 下面的电感增大，上面电感减小，压力差与电 感变化具有确切对应关系。如果某密闭压力容 器内部储存的是具有固定密度的液体，则其底 部压力与顶部压力之差和液位之间将具有确切 对应关系，则图3-7可用来测量其液位。20自动检测第三章图图3-7 采用差动动自感传传感器测测量压压力差21自动检测第三章n3.2 差动变压器n3.2.1 工作原理n差动变压器将位移量转换为线圈间互感的变化。n它实质上是种变压器，主要由原边绕组、副边 绕组和铁芯组成。n它往往做成差动结构形式，副边两个绕组进行“差 接”。在其原边绕组施加激励电压后，由于互感系 数变化，副边差接绕组的感应电势将相应地发生 变比。n由于它结构简单测量精度较高、测量范围宽， 作为位移传感器得到广泛应用。其中螺管式差动 变压器是差动变压器的主要结构形式。22自动检测第三章图图3-8 螺管式差动变压动变压 器结结构示意图图23自动检测第三章差动变压器主要由线圈、铁芯组成。线圈由初级线圈和次级线圈组成。线圈中插 入圆柱形铁心b。图中所示为三段式差动变压器，即线圈骨架 分成三段，中间为初级线圈，上下为次级线圈 。线圈绕制方式多为初级在内，次级在外；差动变压器的电气连接方法如图3-9所示， 次级线圈和反极性串联。24自动检测第三章图图3-9 差动变压动变压 器的电电气连连接方法25自动检测第三章差动变压器的工作原理可以用变压器原理 解释，所不同的是一般变压器的磁路是闭合的 、而差动变压器的磁路是不闭合的。一般变压器的初次级间的互感系数是常数 ，差动变压器的初次级之间的互感是随衔铁移 动而作相应的变化。差动变压器的工作正是建 立在互感变化的基础上。26自动检测第三章图图3-10 差动变压动变压 器输输出特性曲线线实际的差动变压器当铁芯位于线圈中心位置时， 输出电压值不为零，而是 ，称为零点残余 电压。因此差动变压器的实际输出特性如图3- 10(a)中虚线所示。27自动检测第三章n产生零点残余电压的原因主要有：n1) 由于两个次级线圈的绕制在工艺上不可能完全 一致，因此它们的等效参数(互感、自感和损耗电 阻)不可能完全相等。初级线圈中铜损和铁损的存 在以及匝间寄生电容的存在使激励电流与所产生 的磁通之间有相位差。上述因素就使两个次级线 圈的感应电势不仅数值不等，并且相位也不相同 。这是零点残余电压中基波分量产生的原因。n2） 由于磁滞损耗和铁磁饱和的影响，使得激励 电流与磁通波形不致，导致产生非正弦波磁通 ，从而在次级线圈感应出非正弦波电势，其主要 是含三次谐波。这是零点残余电压中所含高次谐 波产生的原因。28自动检测第三章n零点残余电压的存在，使差动变压器在机械零位 附近的灵敏度下降，非线性误差增大，降低了它 在零位附近的分辨率。n消除或减小零点残余电压般可采用以下方法： 1) 设计和加工应尽量保证线圈和磁路对称，结构上 可附加磁路调节机构。其次，应选用高导磁率、 低矫顽磁力、低剩磁感应的导磁材料，并将导磁 体加以热处理，消除残余应力，以提高磁性能的 均匀性和稳定性。在选取磁路工作点时，应使其 不工作在磁化曲线饱和区。 2) 选用合适的测量电路，如相敏检波和差动整流电 路，其直流输出不仅可以鉴别铁心位移方向，而 且可以减小或消除零点残余电压。29自动检测第三章n3) 采用补偿电路，为常采用的零点残余电压补偿 电路原理图。消除零点残余电压的补偿电路有四 种： 附加串联电阻以消除基波同相成分； 附加并联电阻以消除基波正交成分； 附加并联电容。改变相移，补偿高次谐波分量； 附加反馈绕组和反馈电容，以补偿基波及高次谐 波分量。串联电阻的阻值很小，为0.55，并 联电阻的阻值为数十到数百千欧；并联电容的数 值在数百PF范围。实际数值通常由实验来确定。30自动检测第三章图图3-11 差动变压动变压 器的零位补偿补偿31自动检测第三章n3.2.2 输出特性n1 等效电路n忽略实际差动变压器中的涡流损耗、铁损和寄 生电容等，其等效电路如图3-12所示。 图图3-12 差动变压动变压 器的等效电电路32自动检测第三章可列出如下方程： 33自动检测第三章n当铁芯位于中间位置时， ， =0n铁芯向上位移时， ，n铁芯向下位移时， ，34自动检测第三章n2 灵敏度n指在单位电压激励下，铁心移动单位距离时的输 出电压变化量，其量纲为mv/mm/V。一般螺管式差 动变压器的灵敏度大于5mV/mm/V。为提高灵敏度 ，可采取下列措施： 增大差动变压器的几何尺寸以提高线圈的Q值。 般线圈长度为其直径的1.52.0倍较为合适。 适当提高激磁频率。 增大铁芯直径，但不应触及线圈骨架；铁芯采用 导磁率高、铁损小、涡流损耗小的材料。 在不使初级线圈过热的前提条件下当提高激励电 压。35自动检测第三章坡莫合金的导磁性能好，但涡流损 耗较大，所以对激磁频率为500Hz以上的 差动变压器，大多使用铁氧体铁芯；低 频激磁时，多采用工业纯铁作铁芯材料 。在要求电流输出的场合，宜采用次级 线圈匝数较少的差动变压器，以降低其 输出阻抗，再选择合适的输出电路，可 得到1mV/mm/V的灵敏度。 36自动检测第三章n3 频率特性n差动变压器的激励频率般在50Hz至10kHz范 围。频率太低时，其灵敏度显著降低，由温度 和频率波动引起的附加误差增大；但频率太高 ，其涡流损耗和铁损增加，寄生电容影响加大 。根据具体应用场合选择合适的工作频率非常 重要。n当负载电阻RL与次级线圈串联时，RL上的输出 电压 表示为37自动检测第三章n根据（3-19）画出差动变压器频率特性如图3- 13。n当RL远大于差动变压器内阻时，下限截止频率 fL为图图3-13 差动变压动变压 器频频率特性38自动检测第三章n4 相位n差动变压器的次级电压相对初级电压的相位通常超前 几度到几十度。超前相角大小与差动变压器的结构和 激磁频率有关。小型、低频者超前角大，大型、高频 者超前角小。n5 线性范围n差动变压器铁芯的材质、长度、直径和线圈骨架的形 状、大小均对其次级电压与铁芯位移之间关系的线性 度有直接影响通常其线性范围约为其线圈骨架长度 的110到14。n 通常所说的线性度不仅包括铁芯位移与次级电压 关系的线性程度，还要求次级电压的相位角为某固定 值。后点住往难于满足。若考虑此因素，差动变压 器线性范围约为其线圈骨架长度的110左右。 39自动检测第三章n6 温度特性n初级线圈的电阻温度系数对差动变压器的温度 特性影响最大。铜导线的电阻温度系数约为 0.4%/，对于小型差动变压器且在较低频率 下使用，其初级线圈总阻抗中线圈电阻所占比 例较大，此时差动变压器的温度系数约为- 0.3%/。对于大型差动变压器且使用频率较 高时，其温度系数