傳感器原理及應(yīng)用第4章 電感式傳感器

傳感器原理及應(yīng)用

第4章電感式傳感器主要內(nèi)容：4.1變磁阻式電感傳感器

4.2差動(dòng)變壓器式電感傳感器4.3電渦流式傳感器

傳感器原理及應(yīng)用第4章

電感式傳感器概述各種電感式傳感器傳感器原理及應(yīng)用第4章

電感式傳感器非接觸式位移傳感器測(cè)厚傳感器電感粗糙度儀接近式傳感器概述電感式傳感器應(yīng)用電感傳感器測(cè)量滾珠直徑，實(shí)現(xiàn)按誤差分裝塞選傳感器原理及應(yīng)用第4章

電感式傳感器概述

電感式傳感器是一種機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置，在自動(dòng)控制設(shè)備中廣泛應(yīng)用。電感式傳感器利用電磁感應(yīng)定律將被測(cè)非電量（如位移、壓力、流量、振動(dòng)）轉(zhuǎn)換為電感或互感的變化。按電感式傳感器結(jié)構(gòu)可分為：自感式、互感式、電渦流式。傳感器原理及應(yīng)用第4章

電感式傳感器4.1變磁阻式傳感器（自感式）

4.1.1工作原理

結(jié)構(gòu):由線圈、鐵芯、銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵之間有氣隙，氣隙厚度為σ;

傳感器運(yùn)動(dòng)部分與銜鐵相連，銜鐵移動(dòng)時(shí)σ發(fā)生變化引起磁路的磁阻Rm變化，使電芯線圈的電感值L變化；只要改變氣隙厚度或氣隙截面積就可以改變電感。傳感器原理及應(yīng)用第4章

電感式傳感器4.1變磁阻式傳感器（自感式）

4.1.1工作原理線圈自感可按下式計(jì)算：式中：N線圈匝數(shù)；

Rm磁路總磁組；

So氣隙的截面積；

σ氣隙厚度；

μo導(dǎo)磁率（真空、空氣）傳感器原理及應(yīng)用第4章

電感式傳感器因此變磁阻式傳感器又分為：變氣隙厚度型（σ）變氣隙的截面積型（S）4.1變磁阻式傳感器（自感式）

4.1.2輸出特性

銜鐵位移Δσ引起的電感變化為：傳感器原理及應(yīng)用第4章

電感式傳感器電感初始?xì)庀鼎?處初始電感量為L(zhǎng)0

σ0LσL0L0+ΔLL0－ΔL4.1變磁阻式傳感器（自感式）

4.1.2輸出特性

Δσ/σ《1時(shí)，用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)銜鐵下移時(shí)

銜鐵上移時(shí)

傳感器原理及應(yīng)用第4章

電感式傳感器4.1變磁阻式傳感器（自感式）

4.1.2輸出特性

對(duì)上式作線性處理(忽略高次項(xiàng))時(shí)討論：傳感器測(cè)量范圍與靈敏度和線性度相矛盾；變間隙式電感傳感器用于小位移比較精確；一般取Δσ/σ=0.1-0.2；為減小非線性誤差，實(shí)際測(cè)量中多采用差動(dòng)形式。傳感器原理及應(yīng)用第4章

電感式傳感器

定義靈敏度

表示氣隙變化引起電感的相對(duì)變化量4.1變磁阻式傳感器（自感式）

4.1.2輸出特性

差動(dòng)式原理：差動(dòng)變隙式由兩個(gè)相同的線圈L1、L2和磁路組成。當(dāng)被測(cè)量通過(guò)導(dǎo)桿使銜鐵左右位移時(shí)，兩個(gè)回路中磁阻發(fā)生大小相等、方向相反的變化，形成差動(dòng)形式。傳感器原理及應(yīng)用第4章

電感式傳感器4.1變磁阻式傳感器（自感式）

4.1.2輸出特性

對(duì)上式進(jìn)行線性處理并忽略高次項(xiàng)：差動(dòng)式靈敏度為：當(dāng)一個(gè)增加一個(gè)減小時(shí)電感總的變化為：傳感器原理及應(yīng)用第4章

電感式傳感器4.1變磁阻式傳感器（自感式）

4.1.2輸出特性

討論：比較單線圈，差動(dòng)式的靈敏度提高了一倍；差動(dòng)式非線性項(xiàng)比單線圈多乘了(Δσ/σ)因子；不存在偶次項(xiàng)，因Δσ/σ<<1，線性度得到改善。差動(dòng)式的兩個(gè)電感結(jié)構(gòu)，可抵消溫度、噪聲干擾的影響。傳感器原理及應(yīng)用第4章

電感式傳感器4.1變磁阻式傳感器（自感式）

4.1.3測(cè)量電路（轉(zhuǎn)換電路）

（1）交流電橋式檢測(cè)電路兩個(gè)橋臂由相同線圈組成，另外兩個(gè)為平衡電阻傳感器原理及應(yīng)用第4章

電感式傳感器

交流電橋結(jié)構(gòu)示意圖等效電路4.1變磁阻式傳感器（自感式）

4.1.3測(cè)量電路（轉(zhuǎn)換電路）

（1）交流電橋式檢測(cè)電路傳感器原理及應(yīng)用第4章

電感式傳感器電橋輸出電壓U0與氣隙變量Δσ是非線性的，只有當(dāng)Q值很高時(shí)近似線性關(guān)系。橋路輸出電壓與橋壓UAC有關(guān)，與初始?xì)庀鼎?有關(guān)。電壓輸出一個(gè)是與電源同相的分量，另一個(gè)與電源相差90度的正交分量，線圈品質(zhì)因素Q較高時(shí)可以消除正交分量，輸出可寫(xiě)為：4.1變磁阻式傳感器（自感式）

4.1.3測(cè)量電路（2）變壓器式交流電橋檢測(cè)電路

電橋的兩臂是傳感器線圈阻抗臂、另外兩個(gè)臂是交流變壓器次級(jí)線圈各占1∕2，交流供電。

橋路輸出電壓為：傳感器原理及應(yīng)用第4章

電感式傳感器4.1變磁阻式傳感器（自感式）

4.1.3測(cè)量電路（2）變壓器式交流電橋檢測(cè)電路

銜鐵上下移動(dòng)相同距離時(shí)，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(hào)相位，用相敏檢波。傳感器原理及應(yīng)用第4章

電感式傳感器

當(dāng)銜鐵在中間位置

Z1=Z2=ZU0=0

當(dāng)銜鐵偏移時(shí)輸出電壓當(dāng)銜鐵偏向另一方向4.1變磁阻式傳感器（自感式）

4.1.3測(cè)量電路（3）諧振式（調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相）

調(diào)幅式電路輸出幅值隨電感L變化

調(diào)頻電路電感L變化時(shí)諧振頻率變化傳感器原理及應(yīng)用第4章

電感式傳感器4.1變磁阻式傳感器（自感式）

4.1.4變磁阻式傳感器的應(yīng)用壓力測(cè)量

傳感器原理及應(yīng)用第4章

電感式傳感器被測(cè)壓力經(jīng)位移電壓兩次轉(zhuǎn)換輸出新型測(cè)量工具設(shè)計(jì)思想結(jié)構(gòu)示意圖4.2差動(dòng)變壓器式傳感器（互感式）4.2.1工作原理

把被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換成為線圈互感量的變化的傳感器稱(chēng)為互感式傳感器。結(jié)構(gòu)：中間初級(jí)，兩邊次級(jí)鐵芯在骨架中間可上下移動(dòng)這種傳感器根據(jù)變壓器的基本原理制成，并將次級(jí)線圈繞組用差動(dòng)形式連接。差動(dòng)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(dòng)變壓器。它可測(cè)量1—100mm范圍內(nèi)機(jī)械位移。傳感器原理及應(yīng)用第4章

電感式傳感器次級(jí)次級(jí)骨架初級(jí)銜鐵次級(jí)次級(jí)初級(jí)4.2差動(dòng)變壓器式傳感器（互感式）

4.2.1工作原理

等效電路：

初級(jí)L1，次級(jí)線圈L2a、L2b必須反相串聯(lián)接保證差動(dòng)形式如果線圈完全對(duì)稱(chēng)并且銜鐵處于中間位置時(shí)兩線圈互感系數(shù)相等傳感器原理及應(yīng)用第4章

電感式傳感器差動(dòng)輸出電壓為零：電動(dòng)勢(shì)相等4.2差動(dòng)變壓器式傳感器（互感式）4.2.1工作原理

可見(jiàn):

輸出電壓大小和符號(hào)反映了鐵心位移的大小和方向。傳感器原理及應(yīng)用第4章

電感式傳感器當(dāng)銜鐵上下移動(dòng)時(shí)，輸出電壓隨銜鐵位移變化。

若銜鐵上移

若銜鐵下移

4.2差動(dòng)變壓器式傳感器（互感式）4.2.2基本特性由此得到輸出電壓有效值為：

可見(jiàn)輸出電壓與互感的差值有關(guān)傳感器原理及應(yīng)用第4章

電感式傳感器根據(jù)電磁感應(yīng)定律，次級(jí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)分別為輸出電壓初級(jí)電流4.2差動(dòng)變壓器式傳感器（互感式）4.2.2基本特性傳感器原理及應(yīng)用第4章

電感式傳感器

鐵芯在中間位置時(shí)Ma=Mb=M

鐵芯向上移（右移）Ma=M+△M，Mb=M-△M

輸出與E2a同極性；鐵芯向下移（左移）Ma=M-△M，Mb=M+△M輸出與E2b同極性；4.2差動(dòng)變壓器式傳感器（互感式）傳感器原理及應(yīng)用第4章

電感式傳感器差動(dòng)變壓器輸出電壓和位移的關(guān)系討論：輸出電壓幅值取決于線圈互感△M，即銜鐵在線圈中移動(dòng)的距離X；而U0與Ui的相位差決定銜鐵的移動(dòng)方向；輸出電壓的正負(fù)結(jié)果由相敏檢波后，輸出曲線反行程翻轉(zhuǎn)為過(guò)零的直線；輸出電壓U0與初級(jí)電壓Ui、電流I1

有關(guān)，應(yīng)盡可能大；

U0與激勵(lì)頻率成正比，中頻應(yīng)用在

400-10000Hz靈敏度可達(dá)0.1～5V/mm，包括三個(gè)內(nèi)容傳感器類(lèi)型、轉(zhuǎn)換電路、電源出廠測(cè)定靈敏度規(guī)定：電源1V，銜鐵位移1μm，輸出電壓U0=？4.2差動(dòng)變壓器式傳感器（互感式）傳感器原理及應(yīng)用第4章

電感式傳感器差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)形式4.2差動(dòng)變壓器式傳感器（互感式）傳感器原理及應(yīng)用第4章

電感式傳感器差動(dòng)變壓器傳感器的應(yīng)用4.2差動(dòng)變壓器式傳感器（互感式）4.2.3零點(diǎn)殘余電壓

理論上講，鐵芯處于中間位置時(shí)輸出電壓應(yīng)為零U0=0，而實(shí)際輸出U0≠0，在零點(diǎn)上總有一個(gè)最小的輸出電壓，這個(gè)鐵芯處于中間位置時(shí)最小不為零的電壓稱(chēng)為零點(diǎn)殘余電壓。產(chǎn)生這個(gè)電壓的原因是：由于兩個(gè)次級(jí)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，使實(shí)際的特性曲線總有最小輸出。主要成分是頻率、幅度不同的基波、諧波，零點(diǎn)殘余電壓過(guò)大會(huì)使靈敏度下降，非線性誤差增大，放大器末級(jí)飽和，因此是直接影響傳感器質(zhì)量的參數(shù)。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)償傳感器原理及應(yīng)用第4章

電感式傳感器4.2差動(dòng)變壓器式傳感器（互感式）4.2.3零點(diǎn)殘余電壓為減小零點(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(jí)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(jí)間反饋，減小諧波分量；相敏檢波對(duì)零點(diǎn)殘余誤差有很好的抑制作用。這些電路可單個(gè)使用也可綜合使用，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)效果串聯(lián)電阻并聯(lián)電阻傳感器原理及應(yīng)用第4章

電感式傳感器4.2差動(dòng)變壓器式傳感器（互感式）4.2.3零點(diǎn)殘余電壓

不同形式的零點(diǎn)殘余電壓補(bǔ)償電路傳感器原理及應(yīng)用第4章

電感式傳感器4.2差動(dòng)變壓器式傳感器（互感式）4.2.4差動(dòng)變壓器式傳感器及測(cè)量電路

差動(dòng)變壓器輸出交流信號(hào)。為正確反映銜鐵位移大小和方向，常采用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路。（1）差動(dòng)整流電路輸入一交流信號(hào)時(shí)整流電路的輸出電壓為：U0=U24-U68，鐵芯T在中間位置，U24=U68U0=0T上移，U24＞U68U0＞0，T下移，U24＜U68U0＜0傳感器原理及應(yīng)用第4章

電感式傳感器4.2差動(dòng)變壓器式傳感器（互感式）4.2.4差動(dòng)變壓器式傳感器及測(cè)量電路差動(dòng)整流電路分析動(dòng)畫(huà)演示：差分整流上線圈上半周差分整流上線圈下半周差分整流下線圈上半周差分整流下線圈下半周傳感器原理及應(yīng)用第4章

電感式傳感器

鐵芯上移鐵芯下移U0U04.2差動(dòng)變壓器式傳感器（互感式）4.2.4差動(dòng)變壓器式傳感器及測(cè)量電路（2）集成相敏檢波電路

傳感器原理及應(yīng)用第4章

電感式傳感器4.2差動(dòng)變壓器式傳感器（互感式）4.2.4差動(dòng)變壓器式傳感器及測(cè)量電路

輸出正負(fù)電壓的結(jié)果由相敏檢波后反行程旋轉(zhuǎn)由①→②，工作曲線為過(guò)零點(diǎn)的直線。相敏檢波前后輸出特性傳感器原理及應(yīng)用第4章

電感式傳感器4.2差動(dòng)變壓器式傳感器（互感式）4.2.5應(yīng)用舉例

差動(dòng)變壓器式傳感器可直接用于位移測(cè)量，也可以用來(lái)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)變等等。傳感器原理及應(yīng)用第4章

電感式傳感器（1）壓差計(jì)當(dāng)壓差變化時(shí)，腔內(nèi)膜片位移使差動(dòng)變壓器次級(jí)電壓發(fā)生變化，輸出與位移成正比，與壓差成正比。4.2差動(dòng)變壓器式傳感器（互感式）4.2.5應(yīng)用舉例傳感器原理及應(yīng)用第4章

電感式傳感器（2）液位測(cè)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(dòng)變壓器的輸出反映液位高低。4.2差動(dòng)變壓器式傳感器（互感式）4.2.5應(yīng)用舉例（3）電感測(cè)厚儀（二極管相敏檢波電路)L1、L2是傳感器作為兩個(gè)橋臂；C1、C2是另外兩個(gè)橋臂；D1-D4組成相敏整流器；RP1調(diào)零電位器，RP2調(diào)電流表滿(mǎn)度；傳感器原理及應(yīng)用第4章

電感式傳感器

被測(cè)厚度正常時(shí)L1=L2，Uc=Ud

電橋平衡電流表無(wú)電流；被測(cè)厚度變化時(shí)，設(shè)L1＞L2，Z1＞Z2，正半周時(shí)D1、D4導(dǎo)通，I1＞I4

負(fù)半周時(shí)D2、D3導(dǎo)通，I3＞I2

無(wú)論極如何性始終有Ud＜Uc點(diǎn)電位若L1＜L2，Z1＜Z2，

Ud＞Uc4.2差動(dòng)變壓器式傳感器（互感式）4.2.5應(yīng)用舉例微壓傳感器

傳感器原理及應(yīng)用第4章

電感式傳感器4.3電渦流式傳感器

由法拉第電磁感應(yīng)原理可知：一個(gè)塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中作用切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部會(huì)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(chēng)電渦流傳感器;

電渦流式傳感器最大的特點(diǎn)是能夠?qū)ξ灰啤⒑穸?、表面溫度、速度、?yīng)力、材料損傷等被測(cè)量進(jìn)行非接觸測(cè)量。形成電渦流必須具備兩個(gè)條件：①存在交變磁場(chǎng)②導(dǎo)電體處于交變磁場(chǎng)中傳感器原理及應(yīng)用第4章

電感式傳感器4.3電渦流式傳感4.3.1工作原理

把一個(gè)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(shí)，線圈周?chē)臻g產(chǎn)生交變磁場(chǎng)H1，當(dāng)金屬導(dǎo)體靠近交變磁場(chǎng)中時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生渦流I2，這個(gè)渦流同樣產(chǎn)生反抗H1的交變磁場(chǎng)H2。渦流線圈結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)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(gè)模型，求出模型的等效電路。傳感器原理及應(yīng)用第4章

電感式傳感器4.3電渦流式傳感4.3.2等效電路分析

根據(jù)渦流的分布，可以把渦流所在范圍近似看成一個(gè)單匝短路次級(jí)線圈。線圈遠(yuǎn)離被測(cè)體時(shí)，相當(dāng)次級(jí)開(kāi)路原線圈的電感L10和電阻R10阻抗為：傳感器原理及應(yīng)用第4章

電感式傳感器當(dāng)線圈靠近金屬導(dǎo)體時(shí)，次級(jí)線圈通過(guò)互感M對(duì)初級(jí)作用，等效電路的兩個(gè)回路方程（基爾霍夫第二定律）：4.3電渦流式傳感4.3.2等效電路分析等效電感為：傳感器原理及應(yīng)用第4章

電感式傳感器解方程得到金屬靠近后傳感器（初級(jí)）的等效阻抗線圈等效電阻為：4.3電渦流式傳感4.3.2等效電路分析結(jié)論：

凡是能引起R2L2M變化的物理量均可以引起傳感器線圈R1、L1的變化。被測(cè)體（金屬）的電阻率ρ、導(dǎo)磁率μ、厚度d，線圈與被測(cè)體間的距離X，激勵(lì)線圈的角頻率ω等

都通過(guò)渦流效應(yīng)和磁效應(yīng)與線圈阻抗Z發(fā)生關(guān)系傳感器原理及應(yīng)用第4章

電感式傳感器R2L2M

L1

R1Xωμρd4.3電渦流式傳感4.3.2等效電路分析結(jié)論：

ρ、μ、d、X、ω的變化使R1、L1發(fā)生變化，若控制某些參數(shù)不變，只改變其中一個(gè)參數(shù)，可使阻抗Z成為這個(gè)參數(shù)的單值函數(shù)。傳感器原理及應(yīng)用第4章

電感式傳感器

等效阻抗與這些參數(shù)有函數(shù)關(guān)系：

4.3電渦流式傳感4.3.3渦流的分布和強(qiáng)度

渦流的分布：

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(gè)渦流區(qū)，實(shí)際上渦流的分布是不均勻的。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。傳感器原理及應(yīng)用第4章

電感式傳感器金屬扁平線圈渦流區(qū)r/ros1hrosj4.3電渦流式傳感4.3.3渦流的分布和強(qiáng)度

徑向分布：渦流范圍與渦