螺线管式电感传感器及其应用

螺线管式电感传感器是另外一种较常用的自感式传感器，主要元件为一只螺管线圈和一根圆柱形铁芯，如图3-6所示。在螺管线圈中插入一个活动衔铁，衔铁随被测对象移动，将引起线圈磁力线路径上的磁阻发生变化，从而将被测量变换为电感L的变化。由于螺管长度有限，轴向磁场的不均匀分布，在铁芯刚插入或者接近离开线圈时的灵敏度要比铁芯插入线圈一半左右时的灵敏度小得多，只有在线圈中段才有较好的灵敏度和线性特性。一般情况下，为了获得较好的线性关系，铁芯长度在0.6l时，可工作在H转折处（零点）。

图3-6 螺线管式电感传感器

1—线圈 2—衔铁

铁芯为插入线圈时，由磁路可知

式中 μ₀——空气磁导率，μ₀=4π×10^-7H/m；

r——螺管线圈半径。

当铁芯全部插入线圈时

式中 μ_r——铁芯的相对磁导率，；

r_c——铁芯半径。

初始铁芯插入线圈长度为l_c，当插入铁芯变化Δl_c时，即Δl_c+l_c，则电感变化为L+ΔL。

因此，电感变化量为

其相对变化量为(www.xing528.com)

令

则

综上所述，若被测量与Δl_c成正比，则ΔL与被测量也成正比，即ΔL/L正比于Δl_c/l_c，实际上磁场强度分布不均匀，输入与输出之间的关系是非线性的。

一般K值较小（K＜1），所以要提高灵敏度，可使l/l_c及r/r_c的比值约等于1，且选用较高的铁磁材料使得K约等于1。

由于线圈中有交流励磁电流，因而衔铁始终承受电磁吸力，而且易受电源电压、频率波动以及温度变化等外界干扰的影响，输出易产生误差，非线性也较严重，因此不适合精密测量。在实际工作中常采用差动式结构，如图3-7所示，这样既可以提高传感器的灵敏度，又可以减少测量误差。

在变气隙式差动电感传感器中，当衔铁随被测量移动而偏离中间位置时，两个线圈的电感量一个增加，一个减少，形成差动形式。

曲线图如图3-8所示。其中曲线1、2为L₁、L₂的特性，曲线3为差动特性。可以看出，差动式电感传感器的线性较好，且输出曲线较陡，灵敏度约为非差动式电感传感器的两倍。从结构图可以看出，差动式电感传感器对外界影响，如温度的变化、电源频率的变化等基本上可以互相抵消，衔铁承受的电磁吸力也较小，从而减少了测量误差。

图3-7 差动螺线管式电感传感器

1—线圈 2—铁芯 3—衔铁 4—测杆 5—工件

图3-8 曲线图