第6章 電感式傳感器

傳感器技術(shù)與應(yīng)用2第6章電感式傳感器6.1電感式傳感器概述6.2自感式電感傳感器6.3互感式電感傳感器6.4電渦流傳感器第6章知識目標（1）掌握電感式傳感器類型劃分；（2）掌握自感式電感傳感器的類型及其工作原理；（3）掌握互感式電感傳感器的類型及其工作原理；（4）掌握電渦流傳感器的工作原理。3第6章能力目標（1）理解電感式傳感器類型劃分的依據(jù)；（2）掌握自感式電感傳感器的工作特性與應(yīng)用特點；（3）掌握互感式電感傳感器的工作特性與應(yīng)用特點；（4）理解電渦流效應(yīng)、集膚效應(yīng)；（5）能根據(jù)實際的應(yīng)用場景選擇高頻反射式或低頻透射式電渦流傳感器。456.1電感式傳感器概述電感式傳感器屬于阻抗式結(jié)構(gòu)型傳感器，基于電磁感應(yīng)原理。1.電感式傳感器的基本原理與結(jié)構(gòu)構(gòu)成電感式傳感器的核心構(gòu)成是敏感元件和轉(zhuǎn)換元件，通常一體式。62.電感式傳感器基本特點與應(yīng)用

電感式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，分辨率高，測量準確度高，線性度好，穩(wěn)定性好，重復(fù)性好，抗干擾能力強，工作可靠等優(yōu)點，可以實現(xiàn)接觸式測量，也可以實現(xiàn)非接觸式測量。典型應(yīng)用場景：（1）電感式傳感器制作成高精度測量設(shè)備，對金屬、非金屬高精密加工制作過程中工件的尺寸、厚度、平整度、顆粒度等參量進行測量；（2）制作成無觸點接近開關(guān)，在自動測控系統(tǒng)中起到限位、復(fù)位、計數(shù)、行程定位等功能；（3）用于汽車輪速、飛行器速度與加速度的測量等。電感式傳感器在計量技術(shù)、工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。73.電感式傳感器類型劃分86.2自感式電感傳感器變磁阻電感式傳感器將被測量的變化轉(zhuǎn)換為磁阻的變化，從而引起線圈的自感量的變化。6.2.1類型與結(jié)構(gòu)根據(jù)測量過程中改變的磁路幾何參數(shù)的不同，自感式電感傳感器分為變氣隙式、變面積式和螺線管式三種類型：96.2.2變氣隙式自感傳感器1-鐵心，2-銜鐵，3-線圈，4-測量連桿工作原理：當被測量變化時，鐵心和銜鐵之間的氣隙厚度發(fā)生變化，氣隙磁阻變化，進而引起線圈的自感量變化。1）工作原理解析：磁通量線圈勵磁電流有效值線圈匝數(shù)磁路總磁阻線性電感線圈自感量L定義式：磁通鏈由磁通量、磁通鏈的表達式，可以獲得下面關(guān)系式：變氣隙式自感型電感傳感器工作原理電感線圈定鐵芯氣隙δ

l1、l2

–

定、動鐵芯導(dǎo)磁長度μ1、μ2

–

定、動鐵芯導(dǎo)磁率A1、A2

–定、動鐵芯導(dǎo)磁截面積μ0–

空氣導(dǎo)磁率A0–

空氣氣隙導(dǎo)磁截面積鐵芯磁阻空氣氣隙磁阻銜鐵（動鐵芯）11由于變氣隙式自感傳感器氣隙厚度d很小，氣隙中的磁場可以視為均勻分布。在忽略磁路損耗的前提下，磁路的總磁阻由鐵心磁阻、銜鐵磁阻、氣隙磁阻三部分構(gòu)成，對應(yīng)的表達式：空氣磁導(dǎo)率鐵心磁導(dǎo)率銜鐵磁導(dǎo)率公式中，S0表示氣隙的有效截面積；S1表示鐵心的截面積；S2表示銜鐵的截面積。則銜鐵的磁阻和鐵心的磁阻都遠小于空氣磁阻，即：

通常導(dǎo)磁體的磁導(dǎo)率遠大于空氣的磁導(dǎo)率，即：12由上述分析，可以簡化表達：13例題6-1：解：14電感的最大變化量表達式：152）工作特性分析：變氣隙式自感傳感器自感量與氣隙厚度特性曲線圖①

銜鐵向上運動，氣隙厚度減小16則：17

②

銜鐵向下運動，氣隙厚度增大推導(dǎo)思路同“銜鐵向上運動，氣隙厚度減少”相同，則有：183）靈敏度K忽略2次項及以上高次項結(jié)論：變氣隙式自感傳感器的靈敏度取決于初始狀態(tài)的氣隙厚度，兩者在數(shù)值上成反比關(guān)系。196.2.3差動式變氣隙自感傳感器差動式變氣隙自感傳感器在實際工程應(yīng)用中廣泛應(yīng)用。差動式變氣隙自感傳感器由兩個完全相同的電感線圈（或稱為繞組）構(gòu)成：注意：兩個電感線圈之間無磁路耦合關(guān)系。差動式變氣隙自感傳感器總的電感變化量：20在忽略高次非線性項的前提下差動式變氣隙自感傳感器的靈敏度：結(jié)論：差動式變氣隙型自感傳感器比非差動式的變氣隙型自感傳感器靈敏度提高一倍。216.2.4交流電橋測量轉(zhuǎn)換電路電路初始狀態(tài)：交流電橋處于平衡狀態(tài)：交流電橋失去平衡，輸出電壓相量：226.3互感式電感傳感器6.3.1結(jié)構(gòu)、工作原理與類型互感式電感傳感器是將被測量的變化轉(zhuǎn)換為耦合線圈之間互感量的變化。本質(zhì)是變壓器。工作原理：

當被測量發(fā)生變化時，導(dǎo)致變壓器一次線圈和二次線圈的互感量發(fā)生變化，進而導(dǎo)致二次線圈輸出端的感應(yīng)電動勢發(fā)生改變，對應(yīng)的二次線圈輸出端的感應(yīng)電壓發(fā)生改變?；ジ惺诫姼袀鞲衅鞯亩尉€圈都采用差動連接形式，因此通常稱為差動變壓器式電感傳感器（簡稱差動變壓器）。23

根據(jù)改變磁路幾何參數(shù)的不同，互感式電感傳感器對應(yīng)變氣隙式、變面積式和螺線管式三種類型。在實際工程應(yīng)用中，應(yīng)用較多的是螺線管式差動變壓器。

當被測量發(fā)生變化時，測量連桿帶動銜鐵運動。24螺線管式差動變壓器等效電路6.3.2螺線管式差動變壓器兩個二次線圈的同名端相連接，實現(xiàn)反向耦合當前電路輸出端呈開路狀態(tài)R1是一次線圈的等效電阻R21和R22分別是兩個二次線圈的等效電阻當被測量沒發(fā)生變化時，螺線管式差動變壓器處于初始狀態(tài)，銜鐵處于軸向中間位置。1.工作原理解析25當被測量發(fā)生變化時，若螺線管式差動變壓器的測量連桿帶動銜鐵向二次線圈1的方向移動，則二次線圈1與一次線圈的磁路耦合增強，互感量增大，即：而二次線圈2與一次線圈的磁路耦合減弱，互感量減小，即在電路輸出端開路狀態(tài)下，輸出電壓相量表達式：26一次側(cè)輸入電流相量：輸出電壓有效值與輸入電壓有效值關(guān)系式：結(jié)論：螺線管式差動變壓器在輸入電壓恒定，一次線圈等效電阻和等效自感量不變的前提下，輸出電壓有效值取決于一次線圈與兩個二次線圈之間的互感量之差△M。272.零點殘余電壓：當差動變壓器的銜鐵處于中間位置時，電路輸出電壓并不等于0，而是對應(yīng)一個很小的電壓值，稱為“零點殘余電壓”。28零點殘余電壓存在原因：（1）實際工程應(yīng)用中，差動變壓器的兩個次級線圈的電氣參數(shù)以及幾何尺寸不能做到完全理想化相同，導(dǎo)致各自產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢不等同，因此對應(yīng)的感應(yīng)電壓也不等同，令輸出電壓相量不為零。（2）磁性材料本身的非線性問題和激勵電源含有高次諧波等問題，也會導(dǎo)致輸出電壓相量不為零。29零點殘余電壓存在的影響與危害：

零點殘余電壓一般零點幾毫伏至幾十毫伏。零點殘余電壓的存在會導(dǎo)致傳感器實際的輸出特性曲線不經(jīng)過零點，與理論特性差別大，導(dǎo)致差動變壓器的靈敏度降低，分辨率降低，測量誤差增大。若零點殘余電壓數(shù)值較大，經(jīng)后續(xù)放大電路放大后會導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作。30減小零點殘余電壓影響的主要措施：（1）通過提高差動變壓器二次線圈特性參數(shù)對稱性、匹配度可以減小零點殘余電壓數(shù)值。（2）通過選擇合適的測量轉(zhuǎn)換電路減小零點殘余電壓的影響。316.3.3差動變壓器測量轉(zhuǎn)換電路1.差動整流電路

將差動變壓器的兩個次級線圈的輸出感應(yīng)電壓，分別通過整流二極管構(gòu)成的全波整流電橋電路進行整流，然后將電壓差作為整個電路的輸出。

差動整流電路可以較好的消除零點殘余電壓，但是不能判斷被測量的運動方向。322.相敏檢波電路實質(zhì)上是電壓幅值隨被測位移變化而變化的調(diào)幅信號。是辨別差動變壓器輸出電壓極性的標準信號。33346.4電渦流傳感器電渦流傳感器屬于電感式傳感器的一種，工作原理基于電渦流效應(yīng)。6.4.1電渦流效應(yīng)

金屬導(dǎo)體置于變化的磁場中或在磁場中進行切割磁力線運動時，根據(jù)電磁感應(yīng)定律可知，在金屬導(dǎo)體中將產(chǎn)生感應(yīng)電流，由于感應(yīng)電流呈閉合的漩渦狀，所以稱為電渦流，此種現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。電渦流效應(yīng)產(chǎn)生過程示意圖

35勵磁線圈中通以交變電流i1i1產(chǎn)生交變磁場，對應(yīng)磁通Φ1金屬導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電渦流i2電渦流i2產(chǎn)生反向的電磁場，對應(yīng)磁通Φ2此磁場會反作用于原磁場，導(dǎo)致勵磁線圈的電感、品質(zhì)因數(shù)、阻抗等參數(shù)發(fā)生變化。Φ1Φ236電渦流效應(yīng)等效電路圖對勵磁電流回路和電渦流回路，應(yīng)用基爾霍夫電壓定律列寫回路電壓方程式：37產(chǎn)生電渦流效應(yīng)后勵磁電流回路對應(yīng)的等效電阻產(chǎn)生電渦流效應(yīng)后勵磁電流回路對應(yīng)的等效電感結(jié)論：在產(chǎn)生電渦流效應(yīng)后，勵磁線圈阻抗的等效電阻分量增大，等效電感分量減小，并且都是互感量M的函數(shù)。

當被測量變化時，只讓其中的一個參量隨之變化，其它參量保持不變，就可以得到有關(guān)電感線圈阻抗值與此參量之間對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系式。386.4.2集膚效應(yīng)趨膚效應(yīng)

指通交流電的導(dǎo)體或?qū)?dǎo)體置于交變磁場中，在導(dǎo)體橫截面上電流分布不均勻的一種現(xiàn)象，即內(nèi)部電流不是沿著整個導(dǎo)線橫截面?zhèn)魉?，而是趨向沿?dǎo)線表面?zhèn)魉汀３尸F(xiàn)出導(dǎo)體邊緣部分電流密度大，導(dǎo)體中心部分電流密度小的現(xiàn)象。1.集膚效應(yīng)現(xiàn)象39集膚效應(yīng)形成原理示意圖

集膚效應(yīng)產(chǎn)生的本質(zhì)原因：

導(dǎo)體內(nèi)部傳輸?shù)慕蛔冸娏鳟a(chǎn)生了交變磁場，感應(yīng)生成電渦流，電渦流在靠近導(dǎo)體橫截面表層的區(qū)域流向與主電流方向一致，而在靠近導(dǎo)體橫截面中心的區(qū)域流向與主電流的方向相反，這就造成導(dǎo)體橫截面的邊緣部分電流密度大，導(dǎo)體橫截面中心部分電流密度小。40集膚深度（電渦流滲透深度）勵磁線圈的電阻率磁導(dǎo)率勵磁電流的頻率結(jié)論：對于同樣的金屬導(dǎo)體，勵磁電流頻率越高，集膚深度越淺，集膚效應(yīng)越顯著；反之，集膚效應(yīng)不顯著，甚至能夠透射金屬導(dǎo)體，在金屬導(dǎo)體的背面也能夠感應(yīng)出較強的電渦流。416.4.3電渦流傳感器的類型與應(yīng)用1.高頻反射式電渦流傳感器高頻反射式電渦流傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

高頻反射式電渦流傳感器可以實現(xiàn)對板材間距、厚度、相對位移，以及板材表面粗糙度、裂紋或板材內(nèi)部缺陷的無損探傷檢測。具體的檢測參量與勵磁線圈阻抗之間的函數(shù)關(guān)系，