第5章 電感式傳感器

第5章電感式傳感器主要內(nèi)容：

5.1變磁阻式電感傳感器

5.2差動變壓器式電感傳感器

5.3電渦流式電感傳感器

概述電感式傳感器利用電磁感應(yīng)定律將被測量（如位移、壓力、振動）轉(zhuǎn)換為電感的自感或互感的變化。電感式傳感器是一種機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置，特點(diǎn)是體積大，靈敏度高，輸出信號大，在自動控制設(shè)備中廣泛應(yīng)用。

電感式傳感器按結(jié)構(gòu)可分為：

變磁阻式電感傳感器

變壓器式電感傳感器

渦流式電感傳感器

LX

電感式傳感器按原理可分為：

自感式電感傳感器

互感式電感傳感器5.1變磁阻式電感傳感器（自感式）傳感器結(jié)構(gòu):鐵芯、線圈、銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵之間有氣隙，氣隙厚度為δ0;傳感器運(yùn)動部分與銜鐵相連，銜鐵移動時δ發(fā)生變化引起磁路的磁阻Rm變化，使電感線圈的電感值L變化。Rm

：磁路總磁組；

RF：鐵芯磁阻;Rσ：氣隙磁阻;δ:隙厚度；S0:氣隙的截面積；μ0:真空導(dǎo)磁率。由于磁路的氣隙磁阻遠(yuǎn)大于鐵心磁阻，可近似為氣隙磁阻：1）工作原理

線圈電感量可按下式計(jì)算：式中：N

為線圈匝數(shù)；變磁阻式傳感器又分為：

變氣隙厚度型（δ）變氣隙截面積型（S0）可見只要改變氣隙厚度或氣隙截面積就可以改變磁路的氣隙磁阻。2）輸出特性

（變氣隙厚度）

銜鐵位移Δδ引起的電感變化為

氣隙厚度變化時，L與δ為反比關(guān)系δ0LδL0L0+ΔLL0-ΔL電感初始?xì)庀鼎?處，初始電感量為特性曲線非線性δ0–ΔδΔδ/δ<<1時，可將前式用泰勒級數(shù)展開,求出電感增量

銜鐵下移時電感的相對增量增大

銜鐵上移時電感的相對增量減小

滿足Δδ/δ<<1時，忽略高次項(xiàng)（非線性項(xiàng)），有：電感相對變化量與氣隙變化成正比關(guān)系定義變磁阻式傳感器的靈敏度為：

對上式作線性處理即，銜鐵的氣隙變化引起的電感相對變化量輸出特性討論：傳感器測量范圍Δδ、靈敏度k0與線性度Δδ/δ0

相矛盾；Δδ/δ0

越小高次項(xiàng)迅速減小，非線性誤差越小，但傳感器量程變?。蛔冮g隙式電感傳感器用于小位移比較精確，一般取Δδ/δ0=0.1～0.2

，（1～2mm/10mm）；為減小非線性誤差實(shí)際測量中多采用差動形式。差動變隙式由兩個相同的線圈L1、L2構(gòu)成磁路。當(dāng)被測量通過導(dǎo)桿使銜鐵（左右）位移時，兩個回路中磁阻發(fā)生大小相等、方向相反的變化，形成差動形式。

當(dāng)銜鐵移動時，兩個電感一個增加另一個減小變化時

兩個電感量產(chǎn)生相對變化為總的電感變化3）差動變間隙式自感傳感器原理

對上式進(jìn)行線性處理，忽略高次項(xiàng)得到：氣隙相對變化引起的電感的相對變化為

差動變隙式總的電感變化為：差動形式的電感輸出靈敏度為單線圈的兩倍

1）

比較單線圈，差動式的靈敏度提高了一倍；2）

差動式非線性項(xiàng)與單線圈相比，多乘了(Δδ/δ)因子；不存在偶次項(xiàng)使Δδ/δ0進(jìn)一步減小，線性度得到改善。3）

差動式的兩個電感結(jié)構(gòu)可抵消部分溫度、噪聲干擾。差動形式與單線圈比較

結(jié)論：傳感器線圈結(jié)構(gòu)4）測量轉(zhuǎn)換電路

兩個橋臂由相同線圈組成差動形式，另外兩個為平衡電阻

差動變隙式交流電橋結(jié)構(gòu)示意圖等效電路（1）交流電橋式差動變隙式

電橋輸出電壓U0與氣隙變量Δδ有正比關(guān)系，與輸入橋壓有關(guān)，橋壓UAC升高輸出電壓U0增加；橋路輸出電壓與初始?xì)庀鼎?有關(guān)，δ0

越小輸出越大。電橋輸出為：電橋的兩臂是傳感器線圈阻抗臂、另外兩個臂是交流變壓器次級線圈各占1/2，交流供電。

橋路輸出電壓為：（2）變壓器式交流電橋銜鐵移動相同距離時，輸出電壓大小相等方向相反，相差180o，要判斷銜鐵方向就是判斷信號相位，可采用相敏檢波電路解決。該電路最大特點(diǎn)是輸出阻抗較小，其輸出阻抗為

當(dāng)銜鐵偏移時，

Z1>Z2，輸出電壓為正

當(dāng)銜鐵偏向另一方向

Z1<Z2，輸出電壓為負(fù)

當(dāng)銜鐵在中間位置：Z1

=Z2，U0

=0

調(diào)幅式電路

調(diào)頻電路輸出幅值隨電感L變化，L0

為諧振點(diǎn)的電感值；電感L變化時諧振頻率f0變化，

f0=1/（2π（LC）1/2）線性范圍?。?）諧振式（調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相）（5）

變磁阻式傳感器的應(yīng)用被測壓力經(jīng)過位移、電壓兩次轉(zhuǎn)換輸出差動變隙式電感傳感器壓力測量原理游標(biāo)卡尺分辨率為0.02mm;千分尺分辨率為0.01mm?，F(xiàn)代機(jī)械加工要求測量工具的分辨率高于公差的一個數(shù)量級（μm），傳統(tǒng)工具無法實(shí)現(xiàn)，電感傳感器的分辨率可達(dá)0.01μm，可優(yōu)于要求公差。測量工具5.2（互感式）差動變壓器式傳感器結(jié)構(gòu)塑料骨架上繞制線圈,中間初級，兩邊次級,鐵芯在骨架中間可上下移動;這種傳感器根據(jù)變壓器的基本原理制成，并將次級線圈繞組用差動形式連接。差動變壓器的結(jié)構(gòu)形式較多,應(yīng)用最多的是螺線管式差動變壓器(介紹三節(jié)式),可測量1—100mm范圍內(nèi)機(jī)械位移。次級次級骨架初級銜鐵次級次級初級把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換成為線圈互感量的變化的傳感器稱為互感式傳感器。1)工作原理

等效電路

初級線圈L1，次級線圈L2a、L2b須反相連接，保證差動形式如果線圈完全對稱，并且鐵芯處于中間位置時兩線圈互感系數(shù)相等差動輸出電壓為零：并且有兩線圈電動勢相等次級線圈同名端反向連接差動變壓器的輸出電壓大小和符號反映了鐵心位移的大小和方向。

當(dāng)鐵芯上下移動時，輸出電壓大小、極性隨鐵芯位移變化

若鐵芯上移

若鐵芯下移

輸出電壓與輸入同相位輸出電壓與輸入反相2)基本特性由此得到差動變壓器輸出電壓有效值為：

差動變壓器輸出電壓與互感的差值成正比。

根據(jù)電磁感應(yīng)定律，次級感應(yīng)電動勢與互感關(guān)系分別為：輸出電壓次級開路時，初級電流代入上式鐵芯向上移（右移）輸出與E2a同極性；差動變壓器輸出是被互感大小調(diào)制的交流電壓，存在相位問題，有正負(fù)變化。

鐵芯向下移（左移）輸出與E2b同極性；

鐵芯在中間位置時1.差動變壓器輸出電壓幅值取決于互感△M，即鐵芯在線圈中移動的距離X，U0與Ui的相位決定鐵芯的移動方向；2.輸出電壓的正、負(fù)（反相）結(jié)果，經(jīng)相敏檢波后輸出曲線反行程翻轉(zhuǎn)為過零直線；3.輸出電壓U0與激勵電壓Ui有關(guān)，應(yīng)盡可能大；U0與激勵頻率成正比，中頻在400～1000Hz；

討論差動變壓器輸出電壓和位移的關(guān)系3)零點(diǎn)殘余電壓

理論上講，鐵芯處于中間位置時輸出電壓應(yīng)為零，而實(shí)際輸出U0≠0，在零點(diǎn)上總有一個最小的輸出電壓，這個鐵芯處于中間位置時最小不為零的電壓稱為零點(diǎn)殘余電壓。產(chǎn)生零點(diǎn)殘余電壓的原因是：

1.由于兩個次級線圈繞組電氣參數(shù)（M互感；L電感；R內(nèi)阻）不同，幾何尺寸工藝上很難保證完全相同，

2.電源中高次諧波，線圈寄生電容的存在等，使實(shí)際的特性曲線總有最小輸出。為減小零點(diǎn)殘余電壓的影響變壓器工藝上采取措施，電路補(bǔ)償?shù)?為減小零點(diǎn)殘余電壓的影響，一般要用電路進(jìn)行補(bǔ)償,電路補(bǔ)償?shù)姆椒ㄝ^多,可采用以下方法。

串聯(lián)電阻：消除兩次級繞組基波分量幅值上的差異；

并聯(lián)電阻電容：消除基波分量相差，減小諧波分量；

加反饋支路：初、次級間反饋，減小諧波分量；

相敏檢波電路對零點(diǎn)殘余誤差有很好的抑制作用。這些電路可單個使用也可綜合使用，需要通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)效果串聯(lián)電阻并聯(lián)電阻不同形式的零點(diǎn)殘余電壓補(bǔ)償電路4)測量電路

整流電路的輸出電壓大小極性與鐵心位置有關(guān)：

鐵心T在中間位置時，U24=U68

，U0=0;

鐵心T上移，U24＞U68，U0

＞0；鐵心T下移，U24

＜U68，U0＜0。（1）差動整流電路（2）集成相敏檢波電路

差動變壓器輸出與差動放大器連接差動變壓器結(jié)構(gòu)形式5)差動變壓器式傳感器應(yīng)用

電感測厚儀差動變壓器式傳感器可直接用于位移測量，也可以測量與位移有關(guān)的任何機(jī)械量，如振動，加速度，應(yīng)變等等。

L1、L2傳感器作兩個橋臂；C1、C2為另外兩個橋臂；

D1—D4組成相敏整流器；磁飽和變壓器T提供橋壓。

被測厚度正常時，L1=L2，Uc=Ud，IM=0；設(shè)厚度變化，T上移，L1＞L2，Z1＞Z2正半周（a+，b-）時，D1、D4導(dǎo)通，I1＜I4

；負(fù)半周（a-，b+）時，D2、D3導(dǎo)通，I3＜I2

；電感測厚儀（二極管相敏檢波電路)無論極性如何始終有

Ud＞Uc,電流方向↑若T下移，L1＜L2，

Z1＜Z2，

Ud＜Uc

，電流方向↓。

壓差計(jì)

當(dāng)壓差變化時，腔內(nèi)膜片位移使差動變壓器次級電壓發(fā)生變化，輸出與位移成正比，與壓差成正比。

液位測量

沉筒式液位計(jì)將水位變化轉(zhuǎn)換成位移變化，再轉(zhuǎn)換為電感的變化，差動變壓器的輸出反映液位高低。5.3

電渦流式傳感器

電渦流傳感器是一種非接觸式的線性化測量工具，在大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)的在線監(jiān)測與故障診斷中得到廣泛應(yīng)用。能夠?qū)ξ灰?、厚度、表面溫度、速度、?yīng)力、材料損傷等被測量進(jìn)

行非接觸式測量。

測振動

測厚

測轉(zhuǎn)速1)工作原理-電渦流效應(yīng)由法拉第電磁感應(yīng)原理可知,一個塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運(yùn)動時，導(dǎo)體內(nèi)部會產(chǎn)生一圈圈閉和的電流，這種電流叫電渦流，這種現(xiàn)象叫做電渦流效應(yīng),根據(jù)電渦流效應(yīng)制作的傳感器稱電渦流傳感器。形成電渦流必須具備的兩個條件：

①存在交變磁場②金屬導(dǎo)體處于交變磁場中

2)等效電路分析把一個扁平線圈置于金屬導(dǎo)體附近，當(dāng)線圈中通以交變電流I1時，線圈周圍空間產(chǎn)生交變磁場H1；當(dāng)金屬導(dǎo)體靠近交變磁場中時，導(dǎo)體內(nèi)部就會產(chǎn)生渦流I2，按照楞次定律，這個渦流總是企圖抵消原磁場的變化，產(chǎn)生反抗H1的交變磁場H2。渦流線圈結(jié)構(gòu)非常簡單，但要定量分析是很困難的，可根據(jù)實(shí)際情況建立一個模型，求出模型的等效電路參數(shù)。根據(jù)渦流的分布，把渦流所在范圍近似看成一個單匝短路的次級線圈。線圈遠(yuǎn)離被測體時，相當(dāng)次級開路，原線圈阻抗為

當(dāng)線圈靠近金屬導(dǎo)體時，初次級線圈通過互感相互作用回路方程：次級初級等效電感解方程得到金屬靠近后傳感器（初級線圈）的等效阻抗等效電阻凡是引起次級線圈回路變化的物理量R2、L2、M均可以引起傳感器原線圈等效電阻R1

、電感L1的變化。ML2R2R1

L1

討論：顯然，被測體的電阻率ρ、導(dǎo)磁率μ、線圈與被測體間的距離X，激勵線圈的角頻率ω，都通過渦流效應(yīng)和磁效應(yīng)與線圈阻抗Z

發(fā)生關(guān)系。結(jié)論：渦流線圈的等效阻抗與被測金屬中各種參數(shù)有函數(shù)關(guān)系。金屬材料的μ、ρ、d、x的變化都可以使初級線圈中的R1、L1發(fā)生變化。若控制某些參數(shù)不變，只改變其中一個參數(shù)，可使初級阻抗Z1成為這個參數(shù)的單值函數(shù)。

利用金屬中的磁導(dǎo)率μ、電阻率ρ測材料,探傷；利用線圈與金屬導(dǎo)體的距離x測位移、測厚。3)渦流的強(qiáng)度和分布因?yàn)榻饘俅嬖谮吥w效應(yīng)，電渦流只存在于金屬導(dǎo)體的表面薄層內(nèi),存在一個渦流區(qū)，渦流區(qū)內(nèi)各處的渦流密度不同,存在徑向分布和軸向分布。金屬扁平線圈渦流區(qū)r/ros1hrosj徑向分布

2ros—線圈外徑確定后，渦流范圍也就確定了。

r=ros

線圈外徑處，金屬渦流密度最大；

r=0

線圈中心處，渦流密度為零(j=0)；

r<0.4ros

處（以內(nèi)）基本沒有渦流；

r=1.8ros

線圈外徑處，渦流密度衰減到最大值的5%。渦流范圍與電渦流線圈的外徑有一固定比例關(guān)系，渦流密度最大值在線圈外徑附近一個狹窄區(qū)域內(nèi)1.渦流的分布

軸向分布

由于趨膚效應(yīng)渦流只在表面薄層存在，沿磁場方向（軸向）也是分布不均勻的。距離金屬表面Z處,渦流按指數(shù)規(guī)律衰減j0——Z=0

處金屬表面渦流密度(最大）jz——金屬表面距離Z處的渦流h——趨膚深度hz金屬扁平線圈j2.強(qiáng)度

當(dāng)線圈與被測體距離改變時，電渦流密度發(fā)生變化，強(qiáng)度也要變化。根據(jù)線圈——導(dǎo)體系統(tǒng)，金屬表面電渦流強(qiáng)度I2與距離x是非線性關(guān)系，隨x/ros上升而下降。

I1為線圈激勵電流，I2為金屬導(dǎo)體中的等效電流（渦流）

x=0處，I2=I1；x/ros=1，I2=0.3I1,

I2只有在

x/ros<<1才能有較好的線性和靈敏度(測微位移)

當(dāng)x>ros時電渦流很弱了，所以測大位移時線圈直徑要大。x/rosI2/I11.01234要增加測量范圍需加大線圈直徑，傳感器體積增大,這是電渦流傳感器應(yīng)用的局限性。4)測量電路1.調(diào)幅式L為電渦流線圈2.調(diào)頻式電渦流線圈3.變頻調(diào)幅式電感式接近開關(guān)電路原理-----渦流變換器變頻調(diào)幅式電路輸出特性檢測原理：傳感器遠(yuǎn)離被測體時，回路諧振于f0，此時品質(zhì)因數(shù)Q最高，輸出最大；當(dāng)有磁性導(dǎo)體靠近時，振蕩回路失諧L↑f0↓使Q↓,輸出電壓下降峰值左移；當(dāng)有非磁性導(dǎo)體靠近時L↓f0↑，由于R↑Q↓，電壓也下降峰值右移；檢測中我們不關(guān)心頻率的變化，只關(guān)心幅值的大小，用檢波器獲得電壓。5）電渦流傳感器的應(yīng)用

電渦流傳感器以其長期工作可靠性好、測量范圍寬、靈敏度高、分辨率高、響應(yīng)速度快、抗干擾力強(qiáng)、不受油污等介質(zhì)的影響、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，