（利用自感原理）；差動(dòng)變壓器式傳感器

1、2022/7/111 第3章 電感式傳感器2022/7/112電感式傳感器電感式傳感器可用來測(cè)量位移、壓力、流量、振動(dòng)等非電量，其主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、靈敏度高；測(cè)量精度高、輸出功率較大；可實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸、記錄、顯示和控制，在工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。但其靈敏度、線性度和測(cè)量范圍相互制約；傳感器自身頻率響應(yīng)低，不適用于快速動(dòng)態(tài)測(cè)量。電感式傳感器是建立在電磁感應(yīng)的基礎(chǔ)上，利用線圈自感或互感來實(shí)現(xiàn)非電量的檢測(cè)。 本章主要介紹：自感式傳感器（利用自感原理）；差動(dòng)變壓器式傳感器（利用互感原理）；電渦流式傳感器（利用渦流原理）。2022/7/113自感式傳感器 自感式傳感器由線圈、鐵心

2、和銜鐵三部分組成。鐵心和銜鐵由導(dǎo)磁材料制成。自感式傳感器是把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成自感L的變化，通過一定的轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓或電流輸出。按磁路幾何參數(shù)變化形式的不同，自感式傳感器可分為變氣隙式、變截面積式和螺線管式三種2022/7/114內(nèi)容3.1.1 基本工作原理 3.1.2 自感式傳感器的測(cè)量電路 3.1.3 自感式傳感器應(yīng)用2022/7/115電感傳感器的基本工作原理演示氣隙變小，電感變大，電流變小F2022/7/1163.1.1 基本工作原理線圈的自感量等于線圈中通入單位電流所產(chǎn)生的磁鏈數(shù)，即線圈的自感系數(shù) 為磁鏈， 為磁通（Wb），I為流過線圈的電流（A），N為線圈匝數(shù)。根據(jù)磁路歐姆定律

3、： ， 為磁導(dǎo)率，S為磁路截面積， 為磁路總長(zhǎng)度。2022/7/117線圈的電感量 為磁路的磁阻 變磁阻式傳感器 2022/7/118結(jié)論只要被測(cè)非電量能夠引起空氣隙長(zhǎng)度或等效截面積發(fā)生變化，線圈的電感量就會(huì)隨之變化。電感式傳感器從原理上可分為變氣隙長(zhǎng)度式和變氣隙截面式兩種類型，前者常用于測(cè)量直線位移，后者常用于測(cè)量角位移。 2022/7/119自感式傳感器2022/7/11101變氣隙式（閉磁路式）自感傳感器 由電感式可知，變氣隙長(zhǎng)度式傳感器的線性度差、示值范圍窄、自由行程小，但在小位移下靈敏度很高，常用于小位移的測(cè)量。 1線圈 2鐵芯 3銜鐵2022/7/11112螺線管式（開磁路式）自感

4、式傳感器 螺線管式自感式傳感器常采用差動(dòng)式。 它是在螺線管中插入圓柱形鐵芯而構(gòu)成的。其磁路是開放的，氣隙磁路占很長(zhǎng)的部分。有限長(zhǎng)螺線管內(nèi)部磁場(chǎng)沿軸線非均勻分布，中間強(qiáng)，兩端弱。插入鐵芯的長(zhǎng)度不宜過短也不宜過長(zhǎng)，一般以鐵芯與線圈長(zhǎng)度比為、半徑比趨于1為宜。鐵磁材料的選取決定于供橋電源的頻率，500Hz以下多用硅鋼片，500Hz以上多用薄膜合金，更高頻率則選用鐵氧體。從線性度考慮，匝數(shù)和鐵芯長(zhǎng)度有一最佳數(shù)值，應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)選定。 2022/7/1112結(jié)構(gòu)差動(dòng)式電感傳感器對(duì)外界影響，如溫度的變化、電源頻率的變化等基本上可以互相抵消，銜鐵承受的電磁吸力也較小，從而減小了測(cè)量誤差。 1測(cè)桿 2銜鐵 3線圈

5、 2022/7/1113特性從輸出特性曲線（如圖4-5所示）可以看出，差動(dòng)式電感傳感器的線性較好，且輸出曲線較陡，靈敏度約為非差動(dòng)式電感傳感器的兩倍。 1、2L1、L2的特性 3差動(dòng)特性 2022/7/11143.1.2 自感式傳感器的測(cè)量電路自感式傳感器的測(cè)量電路用來將電感量的變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓或電流信號(hào)，以便供放大器進(jìn)行放大，然后用測(cè)量?jī)x表顯示或記錄。測(cè)量電路有交流分壓式、交流電橋式和諧振式等多種，常用的差動(dòng)式傳感器大多采用交流電橋式 。交流電橋的種類很多，差動(dòng)形式工作時(shí)其電橋電路常采用雙臂工作方式。兩個(gè)差動(dòng)線圈Z1和Z2分別作為電橋的兩個(gè)橋臂，另外兩個(gè)平衡臂可以是電阻或電抗，或者是帶中

6、心抽頭的變壓器的兩個(gè)二次繞組或緊耦合線圈等形式。 2022/7/11151變壓器交流電橋 電橋有兩臂為傳感器的差動(dòng)線圈的阻抗，所以該電路又稱為差動(dòng)交流電橋 變壓器式交流電橋電路圖 2022/7/1116分析設(shè)O點(diǎn)為電位參考點(diǎn)，根據(jù)電路的基本分析方法，可得到電橋輸出電壓為當(dāng)傳感器的活動(dòng)鐵芯處于初始平衡位置時(shí)，兩線圈的電感相等，阻抗也相等，即，其中表示活動(dòng)鐵芯處于初始平衡位置時(shí)每一個(gè)線圈的阻抗。 電橋輸出電壓，電橋處于平衡狀態(tài)。 2022/7/1117變化時(shí)當(dāng)鐵芯向一邊移動(dòng)時(shí)，則一個(gè)線圈的阻抗增加 ，2022/7/1118變化后的電壓當(dāng)傳感器線圈為高Q值時(shí)，則線圈的電阻遠(yuǎn)小于其感抗 當(dāng)活動(dòng)鐵芯向另

7、一邊（反方向）移動(dòng)時(shí) 差動(dòng)式自感傳感器采用變壓器交流電橋?yàn)闇y(cè)量電路時(shí)，電橋輸出電壓既能反映被測(cè)體位移量的大小，又能反映位移量的方向，且輸出電壓與電感變化量呈線性關(guān)系。 2022/7/11192帶相敏整流的交流電橋 上述變壓器式交流電橋中，由于采用交流電源，則不論活動(dòng)鐵芯向線圈的哪個(gè)方向移動(dòng)，電橋輸出電壓總是交流的，即無法判別位移的方向。常采用帶相敏整流的交流電橋. 2022/7/1120結(jié)構(gòu)帶相敏整流的交流電橋電路 2022/7/1121（1）初始平衡位置時(shí)當(dāng)差動(dòng)式傳感器的活動(dòng)鐵芯處于中間位置時(shí)，傳感器兩個(gè)差動(dòng)線圈的阻抗Z1=Z2=Z0，其等效電路如圖所示。 鐵芯處于初始平衡位置時(shí)的等效電路

8、2022/7/1122（2）活動(dòng)鐵芯向一邊移動(dòng)時(shí) 當(dāng)活動(dòng)鐵芯向線圈的一個(gè)方向移動(dòng)時(shí)，傳感器兩個(gè)差動(dòng)線圈的阻抗發(fā)生變化，等效電路如圖4-9所示。 鐵芯向線圈一個(gè)方向移動(dòng)時(shí)的等效電路 2022/7/1123結(jié)果在Ui的正半周 在Ui的負(fù)半周 2022/7/1124只要活動(dòng)鐵芯向一方向移動(dòng)，無論在交流電源的正半周還是負(fù)半周，電橋輸出電壓均為正值。 2022/7/1125（3）活動(dòng)鐵芯向相反方向移動(dòng)時(shí)當(dāng)活動(dòng)鐵芯向線圈的另一個(gè)方向移動(dòng)時(shí)，用上述分析方法同樣可以證明，無論在的正半周還是負(fù)半周，電橋輸出電壓均為負(fù)值。 2022/7/1126應(yīng)用采用帶相敏整流的交流電橋，其輸出電壓既能反映位移量的大小，又能反

9、映位移的方向，所以應(yīng)用較為廣泛。 1理想特性曲線 2實(shí)際特性曲線2022/7/11273.1.3 自感式傳感器應(yīng)用用于測(cè)量位移，還可以用于測(cè)量振動(dòng)、應(yīng)變、厚度、壓力、流量、液位等非電量。 2022/7/11281自感式測(cè)厚儀 采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)，其測(cè)量電路為帶相敏整流的交流電橋。當(dāng)被測(cè)物體的厚度發(fā)生變化時(shí)，引起測(cè)桿上下移動(dòng)，帶動(dòng)可動(dòng)鐵芯產(chǎn)生位移，從而改變了氣隙的厚度，使線圈的電感量發(fā)生相應(yīng)的變化。此電感變化量經(jīng)過帶相敏整流的交流電橋測(cè)量后，送測(cè)量?jī)x表顯示，其大小與被測(cè)物的厚度成正比。 1可動(dòng)鐵芯 2測(cè)桿 3被測(cè)物體2022/7/11292位移測(cè)量 測(cè)量時(shí)測(cè)頭的測(cè)端與被測(cè)件接觸，被測(cè)件的微小位移使銜鐵

10、在差動(dòng)線圈中移動(dòng)，線圈的電感值將產(chǎn)生變化，這一變化量通過引線接到交流電橋，電橋的輸出電壓就反映被測(cè)件的位移變化量。 1引線 2線圈 3銜鐵 4測(cè)力彈簧 5導(dǎo)桿 6密封罩 7測(cè)頭2022/7/1130其他電感測(cè)微頭2022/7/11313.2 差動(dòng)變壓器式傳感器把被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感變化的傳感器稱為互感式傳感器。因這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且其二次繞組都用差動(dòng)形式連接，所以又叫差動(dòng)變壓器式傳感器，簡(jiǎn)稱差動(dòng)變壓器。 有變隙式、變面積式和螺線管式等 在非電量測(cè)量中，應(yīng)用最多的是螺線管式的差動(dòng)變壓器，它可以測(cè)量1100mm范圍內(nèi)的機(jī)械位移，并具有測(cè)量精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單

11、、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。 2022/7/11323.2.1 基本工作原理 變隙式差動(dòng)變壓器原理圖螺線管式差動(dòng)變壓器原理圖2022/7/1133輸出特性當(dāng)鐵芯位于中心位置，輸出電壓U2并不等于零，這個(gè)電壓稱為零點(diǎn)殘余電壓 。它的存在使傳感器的輸出特性曲線不經(jīng)過零點(diǎn)，造成實(shí)際特性和理論特性不完全一致。零點(diǎn)殘余電壓使得傳感器的輸出特性在零點(diǎn)附近不靈敏，給測(cè)量帶來誤差，它的大小是衡量差動(dòng)變壓器性能好壞的重要指標(biāo)。輸出特性曲線2022/7/1134零點(diǎn)電勢(shì)零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)使得傳感器在零點(diǎn)附近的輸出特性不靈敏，為測(cè)量帶來誤差。為了減小零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)，可采用以下方法。（1）盡可能保證傳感器尺寸、線圈電氣參數(shù)和磁路對(duì)

12、稱。（2）選用合適的測(cè)量電路。（3）采用補(bǔ)償線路減小零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)。2022/7/1135測(cè) 量 電 路 差動(dòng)變壓器輸出的是交流電壓，若用交流電壓表測(cè)量，只能反映銜鐵位移的大小，而不能反映移動(dòng)方向。另外，其測(cè)量值中將包含零點(diǎn)殘余電壓。為了達(dá)到能辨別移動(dòng)方向及消除零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)目的，實(shí)際測(cè)量時(shí)，常常采用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路。 2022/7/11361差動(dòng)整流電路 是把差動(dòng)變壓器的兩個(gè)次級(jí)輸出電壓分別整流，然后將整流的電壓或電流的差值作為輸出，這樣二次電壓的相位和零點(diǎn)殘余電壓都不必考慮。差動(dòng)整流電路同樣具有相敏檢波作用，圖中的兩組（或兩個(gè)）整流二極管分別將二次線圈中的交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電，然

13、后相加。由于這種測(cè)量電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要考慮相位調(diào)整和零點(diǎn)殘余電壓的影響，且具有分布電容小和便于遠(yuǎn)距離傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，因而獲得廣泛的應(yīng)用。但是，二極管的非線性影響比較嚴(yán)重，而且二極管的正向飽和壓降和反向漏電流對(duì)性能也會(huì)產(chǎn)生不利影響，只能在要求不高的場(chǎng)合下使用。一般經(jīng)相敏檢波和差動(dòng)整流后的輸出信號(hào)還必須經(jīng)過低通濾波器，把調(diào)制的高頻信號(hào)衰減掉，只允許銜鐵運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的有用信號(hào)通過。2022/7/1137典型電路差動(dòng)整流電路 2022/7/11382差動(dòng)檢波電路 差動(dòng)相敏檢波電路 等效電路 2022/7/1139（2）工作原理傳感器銜鐵上移傳感器銜鐵下移2022/7/1140（3）波形圖相敏檢波電路波形圖

14、2022/7/11413.2.3 差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用 差動(dòng)變壓器不僅可以直接用于位移測(cè)量，而且還可以測(cè)量與位移有關(guān)的任何機(jī)械量，如振動(dòng)、加速度、應(yīng)變、壓力、張力、比重和厚度等。2022/7/1142差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用差動(dòng)變壓器式加速度傳感器是由懸臂梁和差動(dòng)變壓器構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖所示。 振動(dòng)傳感器及其測(cè)量電路1彈性支撐 2差動(dòng)變壓器2022/7/1143差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用力平衡式差壓計(jì)2022/7/1144差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用力傳感器 差動(dòng)變壓器式力傳感器原理結(jié)構(gòu)圖如圖所示。它是利用力作用下引起彈性元件形變，然后彈性元件的形變帶動(dòng)差動(dòng)變壓器的銜鐵運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生相應(yīng)地電流或電

15、壓輸出的原理制成的。2022/7/1145差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用差動(dòng)變壓器式電感測(cè)微儀2022/7/11463.3 電渦流傳感器根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應(yīng)電流，此電流叫電渦流，這種現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。 根據(jù)電渦流效應(yīng)制成的傳感器稱為電渦流式傳感器。按照電渦流在導(dǎo)體內(nèi)的貫穿情況， 此傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩類，但從基本工作原理上來說仍是相似的。電渦流式傳感器最大的特點(diǎn)是能對(duì)位移、厚度、表面溫度、速度、應(yīng)力、材料損傷等進(jìn)行非接觸式連續(xù)測(cè)量，另外還具有體積小、靈敏度高、頻率響應(yīng)寬等特點(diǎn)，應(yīng)用極其廣泛。 2

16、022/7/11473.3.1 電渦流傳感器的工作原理 高頻反射式傳感器采用高頻信號(hào)源，其原理及等效電路分別如圖所示。線圈置于金屬導(dǎo)體附近，線圈中通以高頻信號(hào) ，則會(huì)產(chǎn)生正弦交變磁場(chǎng) ，產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)作用下方的金屬塊，金屬塊內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生渦流 ，變化的渦流產(chǎn)生磁場(chǎng) ，又反作用于線圈，改變了線圈的電感。電感變化程度取于線圈的外形尺寸，線圈至金屬板之間的距離，金屬板材料的電阻率和磁導(dǎo)率以及電源頻率等。 2022/7/1148為了充分有效地利用電渦流效應(yīng)，對(duì)于平板型的被測(cè)體則要求被測(cè)體的半徑應(yīng)大于線圈半徑的倍，否則就要降低靈敏度。當(dāng)被測(cè)物體是圓柱體時(shí)，被測(cè)導(dǎo)體直徑必須為線圈直徑的倍以上，靈敏度才不受影響

17、。一般來說，被測(cè)體的磁導(dǎo)率越高，電阻率越低，則傳感器的靈敏度越高。2022/7/11493.3.2 測(cè)量電路 1電橋電路 在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由于傳感器線圈的阻抗發(fā)生變化，使電橋失去平衡，而電橋不平衡造成的輸出信號(hào)被放大并檢波，就可得到與被測(cè)量成正比的輸出。其電路原理圖如圖3-20所示。2022/7/11503.3.2 測(cè)量電路 L1和L2為傳感器兩線圈，分別與選頻電容C1和C2并聯(lián)組成兩橋臂，電阻R1和R2組成另外兩橋臂。靜態(tài)時(shí)，電橋平衡，橋路輸出電壓為0。工作時(shí)，傳感器接近被測(cè)體，由于電渦流效應(yīng)引起傳感器線圈電感變化，電橋失去平衡，有電壓輸出。經(jīng)放大后送至檢波器檢波，輸出直流電壓U0，U0的大小

18、正比于傳感器的移動(dòng)量，以實(shí)現(xiàn)對(duì)位移量的測(cè)量。2022/7/11513.3.2 測(cè)量電路 把傳感器線圈與電容并聯(lián)組成LC并聯(lián)諧振電路。當(dāng)傳感器接近被測(cè)金屬導(dǎo)體時(shí)，線圈電感發(fā)生變化，LC回路的阻抗和諧振頻率將隨著L的變化而變化，因此可以利用測(cè)量回路阻抗或諧振頻率的方法間接反映出傳感器的被測(cè)量，相對(duì)應(yīng)的就是調(diào)幅法和調(diào)頻法。2022/7/1152調(diào)幅式石英振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)頻、穩(wěn)幅高頻振蕩電壓（100kHz1MHz）用于激勵(lì)電渦流線圈。金屬材料在高頻磁場(chǎng)中產(chǎn)生電渦流，引起電渦流線圈端電壓的衰減，再經(jīng)高放、檢波、低放電路，最終輸出的直流電壓Uo反映了金屬體對(duì)電渦流線圈的影響）。2022/7/11533調(diào)頻（FM）式電路（100kHz1MHz）當(dāng)電渦流線圈與被測(cè)體的距離x 改變時(shí)，電渦流線圈的電感量L也隨之改變，引起LC振蕩器的輸出頻率變化，此頻率可直接用計(jì)算機(jī)測(cè)量。如果要用模擬儀表進(jìn)行顯示或記錄時(shí)，必須使用鑒頻器，將f轉(zhuǎn)換為電壓Uo。 2022/7/11544.3.3 電渦流傳感器的應(yīng)用 電渦流傳感器是以電渦流效應(yīng)為原理的非接觸式位移、振動(dòng)傳感器。可對(duì)進(jìn)入尤其測(cè)量范圍內(nèi)的