《傳感器技術(shù)及應(yīng)用》課件第3章 電感式傳感器

第3章電感式傳感器本章內(nèi)容

3.1自感式傳感器

3.2差動(dòng)變壓器式傳感器

3.3電渦流式傳感器

學(xué)習(xí)目標(biāo)

了解三種電感式傳感器（自感式傳感器、差動(dòng)變壓器、電渦流傳感器）的結(jié)構(gòu)、工作原理和測(cè)量電路。掌握三類電感式傳感器的各自特點(diǎn)、應(yīng)用范圍和典型應(yīng)用。3.1自感式傳感器

3.1.1工作原理

自感式傳感器由線圈、鐵芯和銜鐵3部分組成。在鐵芯和銜鐵之間有氣隙，氣隙厚度為

，傳感器的運(yùn)動(dòng)部分與銜鐵相連。當(dāng)銜鐵移動(dòng)時(shí)，氣隙厚度

發(fā)生改變，導(dǎo)致電感線圈的電感值變化，只要能測(cè)出這種電感量的變化，就能確定銜鐵位移量的大小和方向。

圖3-1變磁阻式傳感器1—線圈；2—鐵芯（定鐵芯）；3—銜鐵（動(dòng)鐵芯）

線圈中電感量為:式中：ψ——線圈總磁鏈；I——通過線圈的電流；W——線圈的匝數(shù)；

——穿過線圈的磁通。

通常氣隙磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻，即

因此，線圈的電感值可近似地表示為當(dāng)線圈匝數(shù)為常數(shù)時(shí)，只要改變

或S0均可導(dǎo)致電感變化，因此變磁阻式傳感器又可分為變氣隙型電感式傳感器和變面積型電感式傳感器。

在實(shí)際使用中，常采用兩個(gè)相同的傳感器線圈共用一個(gè)銜鐵，構(gòu)成差動(dòng)式電感傳感器。測(cè)量時(shí)，銜鐵通過導(dǎo)桿與被測(cè)位移量相連，當(dāng)被測(cè)體移動(dòng)時(shí)，導(dǎo)桿帶動(dòng)銜鐵也以相同的位移上下移動(dòng)，使兩個(gè)磁回路中磁阻發(fā)生大小相等，方向相反的變化，導(dǎo)致一個(gè)線圈的電感量增加，另一個(gè)線圈的電感量減小，形成差動(dòng)形式。差動(dòng)式結(jié)構(gòu)除了可以改善線性、提高靈敏度外，對(duì)溫度變化、電源頻率變化等影響也可以進(jìn)行補(bǔ)償，從而減少了外界影響造成的誤差。（a）（b）（c）圖3-4差動(dòng)式電感傳感器（a）變氣隙型；（b）變面積型；（c）螺管型1—線圈；2—鐵芯；3—銜鐵；4—導(dǎo)桿

3.1.2測(cè)量電路變磁阻式傳感器的測(cè)量電路有交流電橋式、交流變壓器式以及諧振式等幾種形式。1．交流電橋式測(cè)量電路把傳感器的兩個(gè)線圈作為電橋的兩個(gè)橋臂Z1和Z2，另外兩個(gè)相鄰的橋臂用純電阻代替，設(shè)Z1=Z+ΔZ1，Z2=Z－ΔZ2，Z是銜鐵在中間位置時(shí)單個(gè)線圈的復(fù)阻抗，ΔZ1，ΔZ2分別是銜鐵偏離中心位置時(shí)兩線圈阻抗的變化量。

圖3-5交流電橋式測(cè)量電路 圖3-6變壓器式交流電橋

其輸出電壓為:

式中：L0——銜鐵在中間位置時(shí)單個(gè)線圈的電感；

ΔL——單線圈電感的變化量。

2．變壓器式交流電橋電橋兩臂Z1、Z2為傳感器線圈阻抗，另外兩橋臂為交流變壓器次級(jí)線圈的1/2阻抗。當(dāng)負(fù)載阻抗為無窮大時(shí)，橋路輸出電壓為

當(dāng)傳感器的銜鐵處于中間位置，即Z1=Z2=Z時(shí)，有U0=0，電橋平衡。當(dāng)傳感器銜鐵上移時(shí)，即Z1=Z+ΔZ，Z2=Z?ΔZ，此時(shí)

當(dāng)傳感器銜鐵下移時(shí)，則Z1=Z?ΔZ，Z2=Z+ΔZ，此時(shí)

3.1.3自感式傳感器的應(yīng)用1、變隙電感式壓力傳感器它由膜盒、鐵芯、銜鐵及線圈等組成，銜鐵與膜盒的上端連在一起。當(dāng)壓力進(jìn)入膜盒時(shí)，膜盒的頂端在壓力P的作用下產(chǎn)生與壓力P大小成正比的位移。于是銜鐵也發(fā)生移動(dòng)，從而使氣隙發(fā)生變化，流過線圈的電流也發(fā)生相應(yīng)的變化，電流表指示值就反映了被測(cè)壓力的大小。

圖3-7變隙電感式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖 圖3-8變隙式差動(dòng)電感壓力傳感器

1—銜鐵；2—鐵芯；3—線圈；4—膜盒 1—C型彈簧管；2—鐵芯；3—線圈1；

4—銜鐵；3—線圈2；4—調(diào)機(jī)械零點(diǎn)螺釘

2、變隙式差動(dòng)電感壓力傳感器它主要由C形彈簧管、銜鐵、鐵芯和線圈等組成。當(dāng)被測(cè)壓力進(jìn)入C形彈簧管時(shí)，C形彈簧管產(chǎn)生變形，其自由端發(fā)生位移，帶動(dòng)與自由端連接成一體的銜鐵運(yùn)動(dòng)，使線圈1和線圈2中的電感發(fā)生大小相等、符號(hào)相反的變化，即一個(gè)電感量增大，另一個(gè)電感量減小。電感的這種變化通過電橋電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。由于輸出電壓與被測(cè)壓力之間成比例關(guān)系，所以只要用檢測(cè)儀表測(cè)量出輸出電壓，即可得知被測(cè)壓力的大小。

3.2差動(dòng)變壓器式傳感器

3.2.1差動(dòng)變壓器式傳感器的工作原理差動(dòng)變壓器是把被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換成繞組互感量的變化。差動(dòng)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，應(yīng)用最多的是螺線管式差動(dòng)變壓器，它可以測(cè)量1～100mm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、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。圖3-9螺線管式差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)1—鐵芯；2—導(dǎo)磁外殼；3—骨架；5—初級(jí)繞組；4、6—次級(jí)繞組

圖3-10螺線管式差動(dòng)變壓器的等效電路 圖3-11差動(dòng)變壓器輸出電壓特性曲線

1—實(shí)際特性曲線；2—理論特性曲線

差動(dòng)變壓器傳感器中的兩個(gè)次級(jí)繞組反相串聯(lián)，當(dāng)初級(jí)繞組加以激勵(lì)電壓U時(shí)，在兩個(gè)次級(jí)繞組W2a和W2b中便會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)e2a和e2b。當(dāng)活動(dòng)銜鐵處于初始平衡位置時(shí)，必然會(huì)使兩互感系數(shù)M1=M2，將有e2a=e2b，因而有Uo=e2a?e2b=0，即差動(dòng)變壓器輸出電壓為零。

當(dāng)活動(dòng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí)，由于磁阻的影響，W2a中磁通將大于W2b，使M1>M2，因而e2a增加，而e2b減小。反之，e2b增加，e2a減小。因?yàn)閁o=e2a?e2b，所以當(dāng)e2a、e2b

隨著銜鐵位移x變化時(shí)，Uo也必將隨x而變化。

3.2.2差動(dòng)變壓器式傳感器的測(cè)量電

1．差動(dòng)整流電路

差動(dòng)整流電路還可以接成全波電壓輸出和全波電流輸出的形式。差動(dòng)整流電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，根據(jù)差動(dòng)輸出電壓的大小和方向就可以判斷出被測(cè)量（如位移）的大小和方向，不需要考慮相位調(diào)整和零點(diǎn)殘余電壓的影響，分布電容影響小，便于遠(yuǎn)距離傳輸，因而獲得廣泛的應(yīng)用。

圖3-12差動(dòng)整流電路（a）全波電流輸出；（b）全波電壓輸出；（c）半波電流輸出；（d）半波電壓輸出2．相敏檢波電路相敏檢波電路要求比較電壓與差動(dòng)變壓器二次輸出電壓頻率相同，相位相同或相反。為了保證這一點(diǎn)，通常在電路中接入移相電路。另外，由于比較電壓在檢波電路中起開關(guān)作用，因此其幅值應(yīng)盡可能大，一般應(yīng)為信號(hào)電壓的3～5倍。圖3-13相敏檢波電路

3.2.3差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用差動(dòng)變壓器式傳感器可以直接用于位移測(cè)量，也可以測(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、比重、張力和厚度等。

差動(dòng)變壓器式加速度傳感器的原理。它由懸臂梁和差動(dòng)變壓器構(gòu)成。測(cè)量時(shí)，將懸臂梁底座及差動(dòng)變壓器的繞組骨架固定，而將銜鐵的A端與被測(cè)振動(dòng)體相連，此時(shí)傳感器作為加速度測(cè)量中的慣性元件，它的位移與被測(cè)加速度成正比，使加速度測(cè)量轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰频臏y(cè)量。當(dāng)被測(cè)體帶動(dòng)銜鐵以Δx(t)振動(dòng)時(shí)，導(dǎo)致差動(dòng)變壓器的輸出電壓也按相同規(guī)律變化。圖3-14差動(dòng)變壓器式加速度傳感器1—差動(dòng)變壓器；2—懸臂梁3.3電渦流式傳感器3.3.1電渦流式傳感器的工作原理塊狀金屬導(dǎo)體置于變化磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，金屬導(dǎo)體內(nèi)將會(huì)產(chǎn)生旋渦狀的感應(yīng)電流，該現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。

將一個(gè)通以正弦交變電流I1的扁平線圈置于金屬導(dǎo)體附近，則線圈周圍空間將產(chǎn)生一個(gè)正弦交變磁場(chǎng)H1，使金屬導(dǎo)體中感應(yīng)電渦流I2，I2又產(chǎn)生一個(gè)與H1方向相反的交變磁場(chǎng)H2，導(dǎo)致傳感器線圈的等效阻抗發(fā)生變化。它與被測(cè)體的電阻率

、磁導(dǎo)率

以及幾何形狀有關(guān)，還與線圈的幾何參數(shù)、線圈中激磁電流頻率f、與線圈與導(dǎo)體間的距離x有關(guān)。

圖3-15電渦流式傳感器原理圖1—金屬導(dǎo)體；2—線圈

函數(shù)關(guān)系式為：Z=F(

,

,r,f,x)

如果保持上式中其他參數(shù)不變，而只使其中一個(gè)參數(shù)發(fā)生變化，則傳感器線圈的阻抗Z就僅僅是這個(gè)參數(shù)的單值函數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)該參數(shù)的測(cè)量。

3.3.2電渦流式傳感器的結(jié)構(gòu)電渦流式傳感器的結(jié)構(gòu)主要是一個(gè)繞制在框架上的扁平繞組，繞組的導(dǎo)線應(yīng)選用電阻率小的材料，一般采用高強(qiáng)度漆包銅線，圖3-16所示為CZF1型電渦流式傳感器的結(jié)構(gòu)圖，電渦流是采用把導(dǎo)線繞制在框架上形成的，框架采用聚四氟乙烯。

這種傳感器的線圈與被測(cè)金屬之間是磁性耦合的，并利用這種耦合程度的變化作為測(cè)量值，它的尺寸和形狀都與測(cè)量裝置的特性有關(guān)。所以作為傳感器的線圈裝置僅為實(shí)際傳感器的一半，而另一半是被測(cè)體，所以，在電渦流式傳感器的設(shè)計(jì)和使用中，必須同時(shí)考慮被測(cè)物體的物理性質(zhì)和幾何形狀及尺寸。圖3-16電渦流探頭結(jié)構(gòu)1—電渦流線圈；2—探頭殼體；3—?dú)んw上的位置調(diào)節(jié)螺紋；4-印制電路板；5—夾持螺母；6—電源指示燈；7—閾值指示燈；8—輸出屏蔽電纜線；9—電纜插頭

3.3.3電渦流式傳感器的測(cè)量電路用于電渦流傳感器的測(cè)量電路主要有調(diào)頻式、調(diào)幅式電路兩種。

1．調(diào)頻式電路傳感器線圈接入LC振蕩回路，當(dāng)傳感器與被測(cè)導(dǎo)體距離x改變時(shí)，在渦流影響下，傳感器的電感變化，將導(dǎo)致振蕩頻率的變化，該變化的頻率是距離x的函數(shù)，即f

=L(x)，該頻率可由數(shù)字頻率計(jì)直接測(cè)量，或者通過f?U變換，用數(shù)字電壓表測(cè)量對(duì)應(yīng)的電壓。

振蕩頻率為：

為了避免輸出電纜的分布電容的影響，通常將L、C裝在傳感器內(nèi)。此時(shí)電纜分布電容并聯(lián)在大電容C2、C3上，因而對(duì)振蕩頻率f的影響將大大減小。（a）（b）圖3-17調(diào)頻式測(cè)量電路（a）測(cè)量電路框圖；（b）振蕩電路

2．調(diào)幅式電路由傳感器線圈L、電容器C和石英晶體組成的石英晶體振蕩電路。石英晶體振蕩器起恒流源的作用，給諧振回路提供一個(gè)頻率（f0）穩(wěn)定的激勵(lì)電流i0，LC回路輸出電壓為

U0=i0f

(Z)

式中：Z——LC回路的阻抗。當(dāng)金屬導(dǎo)體遠(yuǎn)離或去掉時(shí)，LC并聯(lián)諧振回路諧振頻率即為石英振蕩頻率f0，回路呈現(xiàn)的阻抗最大，諧振回路上的輸出電壓也最大；當(dāng)金屬導(dǎo)體靠近傳感器線圈時(shí)，線圈的等效電感L發(fā)生變化，導(dǎo)致回路失諧，從而使輸出電壓降低，L的數(shù)值隨距離x的變化而變化。圖3-18調(diào)幅式測(cè)量電路示意圖3.3.4電渦流式傳感器的應(yīng)用1．低頻透射式電渦流厚度傳感器在被測(cè)金屬板的上方設(shè)有發(fā)射傳感器線圈L1，在被測(cè)金屬板下方設(shè)有接收傳感器線圈L2。當(dāng)在L1上加低頻電壓U1時(shí)，L1上產(chǎn)生交變磁通

1，若兩線圈間無金屬板，則交變磁通直接耦合至L2中，L2產(chǎn)生感應(yīng)電壓U2。

如果將被測(cè)金屬板放入兩線圈之間，則L1線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)將導(dǎo)致在金屬板中產(chǎn)生電渦流，并將貫穿金屬板，此時(shí)磁場(chǎng)能量受到損耗，使到達(dá)L2的磁通將減弱為

1

，從而使L2產(chǎn)生的感應(yīng)電壓U2下降。金屬板越厚，渦流損失就越大，電壓U2就越小。因此，可根據(jù)U2電壓的大小得知被測(cè)金屬板的厚度。透射式渦流厚度傳感器的檢測(cè)范圍可達(dá)1～100mm，分辨率為0.1

m，線性度為1%。

圖3-19透射式渦流厚度傳感器原理圖 圖3-20電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器原理圖

2．電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器在軟磁材料制成的輸入軸上加工一鍵槽，在距輸入表面d0處設(shè)置電渦流傳感器，輸入軸與被測(cè)旋轉(zhuǎn)軸相連。

當(dāng)被測(cè)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電渦流傳感器與輸出軸的距離變?yōu)閐0+Δd。由于電渦流效應(yīng)，使傳感器線圈阻抗隨Δd的變化而變化，導(dǎo)致振蕩器的電壓幅值和振蕩頻率發(fā)生變化。因此，隨著輸入軸的旋轉(zhuǎn)，從振蕩器輸出的信號(hào)中包含有與轉(zhuǎn)速成正比的脈沖頻率信號(hào)。

該信號(hào)由檢波器檢出電壓幅值的變化量，然后經(jīng)整形電路輸出頻率為fn的脈沖信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)電路處理便可得到被測(cè)轉(zhuǎn)速。這種轉(zhuǎn)速傳感器可實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量，抗污染能力很強(qiáng)，可安裝在旋轉(zhuǎn)軸近旁長(zhǎng)期對(duì)被測(cè)轉(zhuǎn)速進(jìn)行監(jiān)視。最高測(cè)量轉(zhuǎn)速可達(dá)600

000r/min。

3．高頻反射式電渦流厚度傳感器為了克服帶材不夠平整或運(yùn)行過程中上、下波動(dòng)的影響，在帶材的上、下兩側(cè)對(duì)稱地設(shè)置了兩個(gè)特性完全相同的渦流傳感器S1和S2。S1和S2與被測(cè)帶材表面之間的距離分別為x1和x2。若帶材厚度不變，則被測(cè)帶材上、下表面之間的距離總有“x1+x2=常數(shù)”的關(guān)系存在。兩傳感器的輸出電壓之和為2Uo，數(shù)值不變。

圖3-21高頻反射式渦流測(cè)厚儀測(cè)試系統(tǒng)框圖

如果被測(cè)帶材厚度改變量為Δ

，則兩傳感器與帶材之間的距離也改變一個(gè)Δ

，兩傳感器輸出電壓此時(shí)為2Uo±ΔU，ΔU經(jīng)放大器放大后，通過指示儀表即可指示出帶材的厚度變化值。帶材厚度給定值與偏差指示值的代數(shù)和就是被測(cè)帶材的厚度。

4．高頻反射式電渦流位移傳感器電渦流位移計(jì)是根據(jù)高頻反射式渦流傳感器的基本原理制作的。電渦流位移計(jì)可以用來測(cè)量各種形狀試件的位移量。電渦流位移計(jì)測(cè)量位移的范圍可以從0～1mm至0～30mm，個(gè)別產(chǎn)品已達(dá)80mm。一般的分辨率為滿量程的0.1%，也有達(dá)到0.5

m的（其全量程為0～5

m）。

（a）（b）（c）圖3-22電渦流位移計(jì)測(cè)量位移舉例（a）汽輪機(jī)主軸的軸向位移；（b）磨床換向閥、先導(dǎo)閥的位移；（c）金屬試件的熱膨脹系數(shù)

例如：CZFI-1000型傳感器與BZF-1、ZZF-5310型配套時(shí)，有0～1mm、0～3mm、0～5mm等幾種主要類型傳感器，其分辨率為0.1%。另外，凡是可