根据上述工作原理，可将磁电式传感器分为恒磁通式和变磁通式两大类。......
2023-06-22
电感式传感器的工作原理
【摘要】：电感式传感器的种类较多，主要分为自感式和互感式两大类。由于改变空气隙厚度δ 和改变气隙截面积S，都会使空气隙的磁阻发生变化，因此自感式传感器也称为变磁阻式传感器。图2-29差动变气隙型自感式传感器原理图若被测量的变化使衔铁向上移动，从而使上气隙的厚度减小为δ1
1.自感式传感器的基本原理
自感式传感器是利用线圈自身电感的改变来实现非电量与电量的转换。图2-28是最简单的变气隙型自感式传感器的原理图，它由线圈、铁心和衔铁组成。铁心2和衔铁3均由导磁材料制成。线圈1套在铁心上。在铁心与衔铁之间有空气隙，其厚度为δ。当衔铁产生位移时，空气隙厚度δ 发生变化，从而使电感值发生变化。
根据电磁感应定律，线圈的电感量为
式中 W——线圈的匝数；
l1、l2——铁心与衔铁的磁路平均长度（m）；
μ1、μ2——铁心与衔铁材料的磁导率（H/m）；
S1、S2——铁心与衔铁的横截面积（m2）；
δ——气隙的厚度（m）；
μ0——空气的磁导率，μ0＝4π×10－7（H/m）；
S——气隙的横截面积（m2）。
图2-28 变气隙型自感式 传感器原理图
由于电感式传感器所用的导磁材料一般都工作在非饱和状态下，其磁导率μ 远大于空气的磁导率μ0，因此导磁体的磁阻与空气隙的磁阻相比是很小的，计算时可忽略不计。这样，式（2-39）可近似为
由式（2-40）可以看出，当线圈的匝数W确定以后，线圈的电感量L与空气隙厚度δ 成反比，与空气隙截面积S成正比。因此，改变空气隙厚度δ 或改变气隙截面积S，都能使电感量发生变化。自感式传感器就是按这种原理工作的。由于改变空气隙厚度δ 和改变气隙截面积S，都会使空气隙的磁阻发生变化，因此自感式传感器也称为变磁阻式传感器。
自感式传感器一般有三种类型：① 改变气隙厚度δ 的自感式传感器，称为变气隙型自感式传感器；② 改变气隙截面积S的自感式传感器，称为变截面型自感式传感器；③螺管型自感式传感器，这是一种开磁路的自感式传感器。
2.自感式传感器的特性
下面以变气隙型自感式传感器的为例，介绍自感式传感器的特性。
变气隙型自感式传感器的结构如图2-28所示。被测物体与衔铁相连，当被测物体上下移动时，衔铁随之上下移动，将使气隙厚度δ 发生变化，从而使线圈的电感量L发生变化。
设L0和δ0分别为传感器的初始电感量和初始气隙，则初始电感量为
当衔铁随被测量向上移动Δδ 时，δ＝δ0－Δδ，传感器的电感量变为L1＝L0＋ΔL1，则有
当衔铁随被测量向下移动Δδ 时，则δ＝δ0＋Δδ，传感器的电感量变为L2＝L0－ΔL2，则有
当Δδ≪δ0时，对式（2-42）、式（2-43）进行近似计算可求得电感的绝对变化量ΔL1与ΔL2。分别对其相对变化量作线性化处理，并忽略高阶微量，可得
根据上面的分析，可以归纳出以下几点：
（1）变气隙型电感式传感器的电感量L与气隙δ 之间的关系是非线性的。
（2）由式（2-44）和式（2-45）可得，变气隙型电感式传感器的灵敏度：
即无论衔铁随被测量向上移动或向下移动，变气隙型电感式传感器的灵敏度均近似地与初始气隙的厚度δ0成反比。
（3）由于输出特性的非线性和衔铁上、下向移动时电感正、负变化量的不对称性，使得变气隙型传感器只能工作在很小的区域内，因而只能用于微小位移的测量。
在实际工作中，为了提高测量灵敏度和减小非线性误差，通常采用差动结构。图2-29所示为差动变气隙型自感式传感器，它由两个相同的线圈和铁心，以及一个共用的衔铁组成。起始时衔铁位于中间位置，δ1＝δ2＝δ0，上、下两个线圈的电感量相等，即L1＝L2＝L0。当位于中间位置的衔铁上下移动时，上、下两个线圈的电感量一个增大，一个减小，形成差动形式。
图2-29 差动变气隙型自感式传感器原理图
若被测量的变化使衔铁向上移动，从而使上气隙的厚度减小为δ1＝δ0－Δδ，而下气隙的厚度相应增大为δ2＝δ0＋Δδ，故上线圈的电感量增大为L1＝L0＋ΔL1，下线圈的电感量减小为L2＝L0－ΔL2。将这两个差动线圈接入相应的测量电桥，测量电桥的输出与两个差动线圈电感量的总变化量ΔL＝ΔL1＋ΔL2成正比。通过计算，可得相对变化量为
由式（2-47）可得，差动变气隙型电感式传感器的灵敏度
根据以上分析可以得出以下结论：
（1）无论是单线圈结构还是差动式结构，ΔL与Δδ 之间的关系都是非线性的。
（2）差动式结构的灵敏度比单线圈结构的灵敏度提高了约一倍。
在差动式结构中，由于上、下电感线圈对称放置，其工作条件基本相同，对衔铁的电磁吸力在很大程度上可以互相抵消，温度变化、电源波动、外界干扰的影响也可在很大程度上相互抵消。由于差动式结构具有上述优点，因而得到了比较广泛的应用。
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