第3章電感式傳感器及其應用

2023/2/51

本章學習自感式傳感器、差動變壓器式傳感器和電渦流式傳感器的結(jié)構(gòu)、工作原理、測量電路以及它們的應用。第3章電感式傳感器及其應用

2023/2/52定義：利用電磁感應原理，將被測的非電量轉(zhuǎn)換成電磁線圈的自感或互感量變化的一種裝置。分類：按照轉(zhuǎn)換方式分類：自感式；互感式；渦流式。按照結(jié)構(gòu)方式分類：變氣隙式；變截面式；螺線管式。2023/2/53§3.1自感式傳感器

先看一個實驗：

將一只接觸器線圈與交流毫安表串聯(lián)后，接到控制變壓器的36V交流電壓源上。這時毫安表的示值約為幾十毫安。用手慢慢將接觸器的活動鐵心(稱為銜鐵)往下按，我們會發(fā)現(xiàn)毫安表的讀數(shù)逐漸減小。當銜鐵與固定鐵心之間的氣隙等于零時，毫安表的讀數(shù)只剩下十幾毫安。2023/2/54電感傳感器的基本工作原理演示F220V接觸器線圈交流毫安表控制變壓器2023/2/55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。F2023/2/56

自感式傳感器是利用自感量隨氣隙而改變的原理制成的，用來測量位移。

它主要由線圈、鐵心、銜鐵及測桿等組成。2023/2/57自感式電感傳感器常見的形式

變隙式變截面式螺線管式

2023/2/58一、工作原理

根據(jù)磁路的基本知識，線圈自感可按下式計算：mRNL2=

當不考慮磁路的鐵損且當氣隙δ較小時，則該磁路的總磁阻：上式的第一項為常數(shù)，且氣隙的磁阻遠大于鐵芯和銜鐵的磁阻：2023/2/59電感量計算公式：

請分析電感量L與氣隙厚度及氣隙的有效截面積A之間的關系。N：線圈匝數(shù)；A：氣隙的有效截面積；

0

：真空磁導率；

：氣隙厚度。

Ｌ＝f（，A

）A不變

變氣隙型傳感器

不變變截面型傳感器線圈中放入圓形銜鐵可變自感螺管型傳感器2023/2/510１、變隙式電感傳感器

傳感器截面積A保持不變，令磁路氣隙厚度隨被測非電量而變，從而電感量Ｌ發(fā)生變化。

電感量L與氣隙厚度成反比，線性度不好；越小，靈敏度越高。變隙式自感式傳感器適用于測量微小位移場合。Ｌ－特性曲線2023/2/511２、變截面式電感傳感器

傳感器氣隙厚度保持不變，令磁通截面積A隨被測非電量而變，從而電感量Ｌ發(fā)生變化。

變面積式自感傳感器在理想狀態(tài)的條件下，輸入與輸出呈線性關系，但由于有漏感等原因，其特性并非是線性的，而且它的線性區(qū)較小。電感量L與A在一定范圍內(nèi)具有良好的線性關系。但是與變氣隙式自感傳感器相比，其靈敏度較低。2023/2/512３、螺線管式電感傳感器

工作原理：以線圈磁力線泄露路徑上的磁阻變化為基礎測量，電感量與銜鐵插入深度有關。鐵心在螺線管中移動，使線圈的電感量發(fā)生變化。

這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單，制作容易，但靈敏度較低，且銜鐵在螺線管中間時，才有可能呈線性關系。此傳感器適合于位移較大的場合。2023/2/513總結(jié)：自感傳感器的三個類型：

靈敏度線性行程制造變氣隙高差小難變面積較低好大較易螺管式低較好大易2023/2/514４、差動電感傳感器在實際工作中常采用差動式，這樣既可以提高傳感器的靈敏度，又可以減小測量誤差。組成：由兩個具有公共銜鐵的完全相同的自感傳感器組成，銜鐵處于中間位置時，UO=0。特點：靈敏度提高一倍，線性好，抗干擾能力強，電磁吸力對測量力的影響相互抵消。2023/2/515差動電感傳感器

請分析：靈敏度、線性度有何變化曲線1、2為L1、L2

的特性，3為差動特性

在差動電感傳感器中，當銜鐵隨被測量移動而偏離中間位置時，兩個線圈的電感量一個增加，一個減小，形成差動形式。1-差動線圈2-鐵心3-銜鐵4-測桿5-工件

2023/2/516

結(jié)論：

從曲線圖可以看出，差動式電感傳感器的線性較好，且輸出曲線較陡，靈敏度約為非差動式電感傳感器的兩倍。

假設當銜鐵往上移動Δδ時，則兩個線圈的總的電感變化量為從上式知，輸出電感的變化約為非差動式的兩倍。而從結(jié)構(gòu)圖可以看出，差動式電感傳感器對外界影響，如溫度的變化、電源頻率的變化等基本上可以互相抵消，從而減小了測量誤差。2023/2/517二、測量轉(zhuǎn)換電路

測量轉(zhuǎn)換電路的作用是將電感量的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化，以便用儀表指示出來，或者送入下級電路進行處理和放大。測量轉(zhuǎn)換電路：

L的變化→I/U

的幅值、頻率、相位的變化轉(zhuǎn)換電路有調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相電路。基本測量電路通常都采用交流橋路。2023/2/518變壓器式電橋電路

變壓器式交流電橋測量電路如圖所示,電橋兩臂Z1、Z2為傳感器線圈阻抗,另外兩橋臂為交流變壓器次級線圈的1/2阻抗。假定D為參考電位，則橋路輸出電壓為：1）當傳感器的銜鐵處于中間位置,即Z1=Z2=Z時有=0,電橋平衡。

1.調(diào)幅電路2023/2/519

2）當傳感器銜鐵上移時,即Z1=Z+ΔZ,Z2=Z-ΔZ,此時

3）當傳感器銜鐵下移時,則Z1=Z-ΔZ,Z2=Z+ΔZ此時

從以上兩式可知,銜鐵上下移動相同距離時,輸出電壓的大小相等,但方向相反,由于是交流電壓,輸出指示無法判斷位移方向,必須配合相敏檢波電路來解決。2023/2/520零點殘余誤差概念在變壓器式電橋電路中，當銜鐵處于差動電感的中間位置附近時，無論怎樣調(diào)節(jié)銜鐵的位置，均無法使測量轉(zhuǎn)換電路輸出為零，總有一個很小的輸出電壓存在，此電壓稱為零點殘余電壓。產(chǎn)生原因消除方法2023/2/521相敏整流電路：既反映輸入的大小，又能辯向

圖中：Z1、Z2為電感傳感器的兩個線圈，作為交流電橋相鄰的兩個橋臂；R1、R2兩個相同的電阻作為電橋的另兩個相鄰橋臂。

VD1、VD2、VD3、VD4四只二極管構(gòu)成了相敏整流器。指示電表V則為零刻度居中的直流電壓表或數(shù)字電壓表。CD請思考：為什么該電路能夠辯向？AB2023/2/5221）銜鐵在中間位置時：

Z=Z1=Z2

輸出為零2）如銜鐵往線圈１方向移：

Z1=Z+ΔZZ2=Z-ΔZ當電源上正下負時，VC＞VD

輸出為正當電源上負下正時，VC＞VD

輸出仍為正所以：當銜鐵往線圈1方向移動時，輸出為正（直流電壓表正向偏轉(zhuǎn)），其大小與位移相關；2023/2/5233）同理：如銜鐵往線圈２方向移：

Z1=Z-ΔZZ2=Z+ΔZ

當電源上正下負時，VC＜VD

輸出為負當電源上負下正時，VC＜VD輸出仍為負所以：當銜鐵往線圈2方向移動時，輸出為負（直流電壓表反向偏轉(zhuǎn)），其大小與位移相關。2023/2/524非相敏整流和相敏整流電路輸出電壓比較(a)非相敏整流電路；（b）相敏整流電路

使用相敏整流，輸出電壓U0不僅能反映銜鐵位移的大小和方向，而且還消除零點殘余電壓的影響。2023/2/5252.調(diào)頻電路傳感器自感L變化將引起輸出電壓頻率f的變化。GCLf靈敏度很高，但線性差，適用于線性要求不高的場合。Lf0當Ｌ有微小變化△Ｌ時，頻率變化△

f為：振蕩回路2023/2/5263.調(diào)相電路

傳感電感Ｌ變化將引起輸出電壓相位變化。

2023/2/527三、應用

常用來測量位移、尺寸、震動、力、壓力、流量等非電量。

１．自感式位移傳感器２．自感式壓力傳感器2023/2/528軸向式電感測微器

1—引線電纜2—固定磁筒3—銜鐵4—線圈

5—測力彈簧6—防轉(zhuǎn)銷

7—鋼球?qū)к墸ㄖ本€軸承）

8—測桿9—密封套

10—測端11—被測工件12—基準面1.自感式位移傳感器2023/2/529電感式滾柱直徑分選裝置

圖3-14滾柱直徑分選裝置

1—氣缸2—活塞3—推桿4—被測滾柱5—落料管6—電感測微器7—鎢鋼測頭8—限位擋板9—電磁翻板10—容器（料斗）2023/2/530電感式滾柱直徑分選裝置（外形）

滑道分選倉位軸承滾子外形（參考中原量儀股份有限公司資料）2023/2/5312.自感式壓力傳感器變隙式自感壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖變隙差動式電感壓力傳感器2023/2/532課堂練習1、欲測量極微小的位移，應選擇()自感傳感器；

A.變隙式B.變面積式C.螺線管式2、自感傳感器或差動變壓器采用相敏檢波電路最重要的目的是為了()A.提高靈敏度B.將輸出的交流信號轉(zhuǎn)換成直流信號

C.使檢波后的直流電壓能反映檢波前交流信號的相位和幅度2023/2/533休息一下2023/2/534

§3.2差動變壓器式傳感器概念

把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感量變化的傳感器稱為互感式傳感器。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的,并且次級繞組都用差動形式連接，故稱差動變壓器式傳感器，簡稱差動變壓器。2023/2/535結(jié)構(gòu)

差動變壓器結(jié)構(gòu)形式較多,有變隙式、變面積式和螺線管式等,但其工作原理基本一樣。非電量測量中,應用最多的是螺線管式差動變壓器。特點它可以測量1～100mm范圍內(nèi)的機械位移,并具有測量精度高,靈敏度高,結(jié)構(gòu)簡單,性能可靠等優(yōu)點。2023/2/536

它主要由線圈組合、活動銜鐵和導磁外殼等組成。線圈包括一、二次線圈和骨架等部分。理想的螺線管式差動變壓器的原理圖

被測位移量轉(zhuǎn)換為一次線圈與二次線圈間的互感量M的變化。一、工作原理2023/2/537

理想條件下，當一次線圈加上交流激磁電壓Ui后，將在二次線圈中產(chǎn)生感應電壓UO。如果將兩個二次線圈串聯(lián)起來，總電壓等于兩個二次線圈的電壓之和。改變銜鐵的位置，則一次線圈與二次線圈之間的互感變化，從而輸出的感應電動勢發(fā)生變化。2023/2/538差動變壓器的等效電路原理圖結(jié)構(gòu)特點：兩個二次線圈同名端反向串聯(lián)，組成差動輸出形式。

請問：如何正確連線？指出哪兩個為輸出端點。ACBD2023/2/539基本特性分析：

（1）當活動銜鐵處于中間位置時

M1=M2=M

則：U0=0

（2）當活動銜鐵向N21方向（向上）移動時

M1=M+ΔM，M2=M-ΔM

故：UO=U21－U22=2jωΔMI1

（3）當活動銜鐵向N22方向(向下)移動時

M1=M-ΔM，M2=M+ΔM

故：UO=U21－U22=－2jωΔMI1

2023/2/540總結(jié)：當銜鐵處于中間位置時：UO=0；當銜鐵偏移中間位置時：UO就隨著銜鐵的位移X的變大而增加?；ジ惺絺鞲衅鲗嵸|(zhì)上就是一個變壓器，其初級線圈接入穩(wěn)定的交流激勵電源，次級線圈被感應而產(chǎn)生對應輸出電壓。由于次級常采用兩個線圈接成差動型，故這種傳感器又稱差動變壓器式傳感器。實際中應用較多的是螺線管式差動變壓器。2023/2/541二、靈敏度與線性度

1、靈敏度

差動變壓器在單位電壓激勵下，銜鐵移動一個單位距離時的輸出電壓，用ＫE表示。ＫE＝U2/ΔX單位：V/mm

影響靈敏度的主要因素有：激勵電源電壓和頻率。KE與f關系曲線2023/2/542提高輸入激勵電壓，將使傳感器靈敏度按線性增加。

另外，提高線圈品質(zhì)因數(shù)Q值，增大銜鐵直徑，選擇導磁性能好，鐵損小以及渦流損耗小的導磁材料制作銜鐵和導磁外殼等可以提高靈敏度。2023/2/5432、線性度

線性度:傳感器實際特性曲線與理論直線之間的最大偏差除以測量范圍（滿量程），并用百分數(shù)來表示。

影響差動變壓器線性度的因素:兩個二次繞組的結(jié)構(gòu)，骨架形狀和尺寸的精確性，鐵芯的尺寸和材質(zhì)，激勵頻率和負載狀態(tài)等。

改善差動變壓器的線性度:

取測量范圍為線圈骨架長度的1/10-1/4，激勵頻率采用中頻，配用相敏檢波式測量電路。2023/2/544三、測量轉(zhuǎn)換電路反串聯(lián)電路直接把兩個二次線圈反向串接

橋路

R1、R2是橋臂電阻，RP是供調(diào)零用的電位器

該電路靈敏度為前一種的1/2，但可以利用RP進行調(diào)零，無需另配置調(diào)零電路；但零點殘余電壓無法克服，也無辯向功能。E212023/2/545

電路是以兩個橋路整流后的直流電壓之差作為輸出的，所以稱為差動整流電路。

UC3=Uab=Uao-Ubo以差動整流為例2023/2/546差動整流的特點

差動整流電路可以克服零點殘余電壓的影響。它不但可以反映位移的大?。妷旱姆担?，還可以反映位移的方向。

上圖中：

RP是用來微調(diào)電路平衡的；

VD1～VD4、VD5~

VD8組成普通橋式整流電路；Ｃ3、Ｃ4、Ｒ3、Ｒ4組成低通濾波電路；Ａ1及Ｒ21、Ｒ22、Ｒf、Ｒ23組成差動減法放大器，用于克服

a、b兩點的對地共模電壓。2023/2/547四、應用

差動變壓器式傳感器可以直接用于位移測量,也可以測量與位移有關的任何機械量，如振動、加速度、應變、比重、張力和厚度等。

1、測量振動的應用

2、壓力測量2023/2/548構(gòu)成：由懸臂梁1和差動變壓器2構(gòu)成。測量時,將懸臂梁底座及差動變壓器的線圈骨架固定,而將銜鐵的A端與被測振動體相連。當被測體帶動銜鐵以Δx(t)振動時,導致差動變壓器的輸出電壓也按相同規(guī)律變化。1．測量振動的應用振動測量原理圖2023/2/549２.壓力測量

當被測壓力P輸入到膜盒中，膜盒2的自由端面便產(chǎn)生一個與壓力P成正比的位移。因此，差動壓力變壓器有正比于被測壓力的電壓輸出。

下圖為差動壓力變壓器的結(jié)構(gòu)圖，它適用于各種狀態(tài)的壓力測量。2023/2/550壓力測量用的膜盒

膜盒由兩片波紋膜片焊接而成。所謂波紋膜片是一種壓有同心波紋的圓形薄膜。當膜片四周固定，兩側(cè)面存在壓差時，膜片將彎向壓力低的一側(cè)，因此能夠?qū)毫ψ儞Q為直線位移。2023/2/551休息一下2023/2/552電渦流的概念

渦流—成塊的金屬置于變化著的磁場中或者在磁場中作切割磁力線運動時，金屬體內(nèi)都要產(chǎn)生感應電動勢形成電流，這種電流在金屬體內(nèi)是自己閉合的，此電流稱為電渦流。以上現(xiàn)象稱為電渦流效應。電渦流式傳感器：

根據(jù)電渦流效應制成的傳感器稱為電渦流式傳感器。第三節(jié)電渦流式傳感器2023/2/553一、工作原理

當線圈中有交變高頻電流i１時，會引起一交變磁場H１

在靠近線圈的金屬表面內(nèi)部產(chǎn)生一感應電流i２，該電流i２即為電渦流。根據(jù)楞次定律，由該電渦流產(chǎn)生的交變磁場H２將與線圈產(chǎn)生的磁場H１方向相反，亦即H２將抵抗H１的變化。由于該渦流磁場的作用，會使線圈的等效阻抗發(fā)生變化。電渦流式傳感器工作原理示意圖2023/2/554電渦流效應演示

當電渦流線圈與金屬板的距離x減小時，電流表的讀數(shù)變大，說明線圈的等效阻抗變小。2023/2/555當距離x減小時，互感量M增大。由左式可知，等效電感L減小，等效電阻R增大。從理論和實測中都證明，此時流過線圈的電流i1是增大的。

線圈與金屬導體之間可以定義一個互感系數(shù)M，它將隨著間距x的減小而增大。若把導體形象地看作一個短路線圈你知道這是為什么嗎？2023/2/556

渦流磁場的作用，使線圈的等效阻抗發(fā)生變化的程度除了與兩者間的距離x有關外，還與金屬導體的電阻率ρ、磁導率μ以及線圈的勵磁電流角頻率ω等有關。若能保持其中大部分參數(shù)不變，只改變其中一個參數(shù)，這樣傳感器的線圈阻抗Ｚ就成為這個參數(shù)的單值函數(shù)，則可實現(xiàn)對該參數(shù)的非電量測量。這就是電渦流式傳感器的基本工作原理。注意：這種函數(shù)都是非線性函數(shù)，但在某一范圍內(nèi)，可近似為線性函數(shù)。2023/2/557二、電渦流傳感器的測量電路

電渦流傳感器測量的基本原理是當傳感器的線圈與被測體之間的距離發(fā)生變化時，將引起線圈的等效阻抗變化，也就是等效阻抗Ｚ、等效電感Ｌ、傳感器線圈的品質(zhì)因數(shù)Q（Q=ωL/R）都是位移的單值函數(shù)。因此，測量電路的任務就是把這些參數(shù)轉(zhuǎn)換為有用的電壓或電流的變化。2023/2/558利用Z的轉(zhuǎn)換電路一般用橋路，它屬于調(diào)幅電路。利用L的轉(zhuǎn)換電路一般用諧振電路。1．橋路Z1和Z2是線圈阻抗，它們與電容C1、C2，電阻R1、R2組成電橋的四個臂。

電橋的輸出將反映線圈阻抗的變化，把線圈阻抗變化轉(zhuǎn)換成電壓幅值的變化。2023/2/5592．諧振幅值電路

在沒有金屬導體的情況下，使電路的LC諧振回路的諧振頻率等于激勵振蕩器的振蕩頻率，這時LC回路呈現(xiàn)阻抗最大，輸出電壓的幅值也是最大。當傳感器線圈接近被測金屬體時，線圈的等效電感變化，諧振頻率也跟著發(fā)生變化，從而輸出電壓幅值變化。2023/2/5603．調(diào)頻電路

當電渦流線圈與被測體的距離x改變時，電渦流線圈的電感量L也隨之改變，引起LC振蕩器輸出頻率改變。傳感器線圈接在LC振蕩器中作為電感使用，以振蕩器的頻率f作為輸出量。2023/2/561

調(diào)頻電路和調(diào)幅電路的不同：調(diào)幅電路的供電電源頻率是固定的，諧振回路里的振蕩是強迫振蕩，輸出的是電壓幅值；調(diào)頻電路的振蕩是自由振蕩，頻率隨著被測參數(shù)變化而變化，輸出的是電壓頻率。2023/2/562三、應用特點為非接觸測量；線性度好,分辨率好;

大量程,體積小,重量輕,驅(qū)動功率小;

靈敏度好,0.1-1V/mm.

利用

x：可測位移，派生量為厚度，振幅，轉(zhuǎn)速；

ρ：可進行材質(zhì)判別，溫度測量；：可測量應力，硬度；ρx綜合影響：可進行金屬的探傷。2023/2/563１．厚度的測量差動法測量厚度：h=