第5章 电感传感器

1、第第5章电感式传感器章电感式传感器 v5.1自感式电感传感器及其应用自感式电感传感器及其应用 v5.2 差动变压器及其应用差动变压器及其应用 v5.3 电感式传感器及其应用电感式传感器及其应用 v小小 结结 5.1 自感式电感传感器及其应用自感式电感传感器及其应用 v5.1.1 自感式传感器工作原理自感式传感器工作原理 v5.1.2 自感式电感传感器的测量电路自感式电感传感器的测量电路 v5.1.3 自感式电感传感器的应用自感式电感传感器的应用 第一节第一节 自感传感器自感传感器 电感传感器种类很多，可分为自感式和互感电感传感器种类很多，可分为自感式和互感 量式两大类。人们习惯上讲量式两大类。

2、人们习惯上讲电感传感器电感传感器通常通常是是 指自感传感器指自感传感器。 为了观察铁心气隙与电感的关系，我们先来做为了观察铁心气隙与电感的关系，我们先来做 一个实验。将一只一个实验。将一只380V交流接触器线圈与交流毫交流接触器线圈与交流毫 安表串联后，接到机床用控制变压器的安表串联后，接到机床用控制变压器的36V交流电交流电 压源上，如图所示。这时毫安表的示值约为几十压源上，如图所示。这时毫安表的示值约为几十 毫安。用手慢慢将接触器的活动铁心（称为衔铁）毫安。用手慢慢将接触器的活动铁心（称为衔铁） 往下按，将会发现毫安表的读数逐渐减小。当衔往下按，将会发现毫安表的读数逐渐减小。当衔 铁与固定

3、铁心之间的气隙等于零时，毫安表的读铁与固定铁心之间的气隙等于零时，毫安表的读 数只剩下十几毫安。数只剩下十几毫安。 小小 实实 验验 电感传感器的基本工作电感传感器的基本工作原理演示原理演示 F F 220V 准备工作准备工作 电感传感器的基本工作电感传感器的基本工作原理演示原理演示 气隙变小，电感变大，电流变小气隙变小，电感变大，电流变小 F F 由电工知识可知，当铁心的气隙较大时，由电工知识可知，当铁心的气隙较大时， 磁路的磁阻磁路的磁阻R Rm m较大，线圈的电感量较大，线圈的电感量L L和感抗和感抗 X XL L就较小，所以电流就较小，所以电流I I较大。较大。 当铁心闭合时，磁阻变小

4、、电感变大，当铁心闭合时，磁阻变小、电感变大， 电流减小。我们可以利用上述实验中自感量电流减小。我们可以利用上述实验中自感量 随气隙而改变的原理来制作测量位移的自感随气隙而改变的原理来制作测量位移的自感 传感器传感器 。 回顾与总结回顾与总结 (3 1) 2 L UUU I ZXfL 5.1.1 自感式传感器工作原理自感式传感器工作原理 v自感式电感传感器的结构示意图如图3.1所示， 它主要由线圈、铁心和衔铁三部分组成。 自感式电感传感器常见的形式自感式电感传感器常见的形式 变隙式变隙式 变截面式变截面式 螺线管式螺线管式 1线圈 2铁心 3衔铁 4测杆 5导轨 6工件 7旋转轴 10 RRR

5、Rm21 11 1 1 A l R 22 2 2 A l R A R 0 02 RRR21 0 2 0 2 2 AW R W L L 0 mR W L 2 0 2 0 2 2 AW R W L 11 0 2 0 0 2 AW L 0, 0 2 0 0 2 0 011 2)(2 AWAW LLL 1 )(2 2 20 0 0 2 0 AW 0 0L )( 1 1 0 0 00 1 L L L L L 0 12 0 0 1 L L 0 0 LL S . 3 0 2 000 1 L L 时，当1 0 0, 0 2 0 0 2 0 022 2)(2 AWAW LLL 0 0 L . 3 0 2 000

6、 2 L L 时，当1 0 0 0 2 L L .1 1 1 32 xxx x时，当1x 13 .1 3 0 2 00 01 LL .1 3 0 2 00 02 LL )(20 2 0 1 AW L )(20 2 0 2 AW L 0 02 L S .2 5 0 3 00 012 LLLL 当衔铁偏离中间位当衔铁偏离中间位 置时，两个线圈的电感置时，两个线圈的电感 量一个量一个增加增加，一个，一个减小减小， 形成差动形式。形成差动形式。 差动电感传感器的特点差动电感传感器的特点 1-1-差动线圈差动线圈 2-2-铁心铁心 3-3-衔铁衔铁 4-4-测杆测杆 5-5-工件工件 差动式电感传感器差

7、动式电感传感器 对外界影响，如温度的对外界影响，如温度的 变化、电源频率的变化变化、电源频率的变化 等基本上可以互相抵消，等基本上可以互相抵消， 衔铁承受的电磁吸力也衔铁承受的电磁吸力也 较小，从而减小了测量较小，从而减小了测量 误差。误差。 差动电感传感器的特性差动电感传感器的特性 曲线曲线1、2为为L1、L2 的特性，的特性，3为差动特性为差动特性 请分析：请分析： 从曲线图可以看出，从曲线图可以看出， 与与非差动非差动电感传感器相电感传感器相 比较，差动式电感传感比较，差动式电感传感 器的器的灵敏度、线性度灵敏度、线性度有有 何变化？何变化？ 16 l )(10 4 7 2 H l AW

8、 L 5.1.2 自感式电感传感器的测量电路自感式电感传感器的测量电路 v自感式电感传感器的测量转换电路通常采用电桥电 路，其作用是把电感量的变化转换为电压或电流信 号，以便送入后续放大电路进行放大，然后由仪器 指示或记录。 18 Z ZU U AC 2 0 00022L LU LjR LjUACAC 0 0 ACUU 0 02 LL 19 221 2AC ACBAAB U U ZZ Z UUU 21 12 2ZZ ZZUAC ZZZ210ABU ZZZ2ZZZ1 )()( )()( 2ZZZZ ZZZZU U AC AB 000222L LU LjR LjU Z ZUACACAC C D A

9、 B 2 ACU 2 ACU 20 ZZZ1ZZZ2 022L LU Z ZU U ACAC AB 02L LU U AC AB 02L LU U AC AB 5.1.3 自感式电感传感器的应用自感式电感传感器的应用 v自感式电感传感器的应用很广泛，它不仅可直接用 于测量位移，还可以用于测量振动、应变、厚度、 压力、流量、液位等非电量。下面是自感式传感器 应用的一些实例。 v1. 压力测量 v2. 位移测量 v3. 自感式测厚仪 v4. 电感传感器在仿形机床中的应用 v5. 电感式接近开关 第三节第三节 电感式传感器的应用电感式传感器的应用 一、位移测量位移测量 轴向式轴向式 电感测微电感测微

10、 器的外形器的外形 航空插头航空插头红宝石测头红宝石测头 其他电感测微头其他电感测微头 模拟式及数字式模拟式及数字式 电感测微仪电感测微仪 轴向式电感测微器的内部结构轴向式电感测微器的内部结构 1 1引线电缆引线电缆 2 2固定磁筒固定磁筒 3 3衔铁衔铁 4 4线圈线圈 5 5测力弹簧测力弹簧 6 6防转销防转销 7 7钢球导轨（直线轴承）钢球导轨（直线轴承） 8 8测杆测杆 9 9密封套密封套 1010测端测端 1111被测工件被测工件 1212基准面基准面 探头探头 测量测量 电桥电桥 交流交流 放大放大 相敏相敏 检波检波 指示器指示器 振荡器振荡器 电感式滚柱直径分选装置电感式滚柱直

11、径分选装置 滚柱直径分选装置图滚柱直径分选装置图 1 1气缸气缸 2 2活塞活塞 3 3推杆推杆 4 4被测滚柱被测滚柱 5 5落料管落料管 6 6电感测微器电感测微器 7 7钨钢测头钨钢测头 8 8限位挡板限位挡板 9 9电磁翻板电磁翻板 1010容器（料斗）容器（料斗） 电感式滚柱直径分选装置电感式滚柱直径分选装置 测微仪测微仪 圆柱滚子圆柱滚子 电感式滚柱直径分选装置电感式滚柱直径分选装置（外形）（外形） 滑道滑道 分选分选 仓位仓位 轴承滚子外形轴承滚子外形 （参考中原量仪股份有限公司资料）（参考中原量仪股份有限公司资料） 电感式滚柱直径分电感式滚柱直径分 选装置选装置外形外形 落料振

12、动台落料振动台 滑道滑道 11个分选仓位个分选仓位 （参考无锡市通达滚（参考无锡市通达滚 子有限公司资料）子有限公司资料） 废料仓废料仓 电感式滚柱直径分选装置（电感式滚柱直径分选装置（机械结构放大）机械结构放大） 汽缸汽缸 控制键盘控制键盘 直径测微装置直径测微装置 长度测微装置长度测微装置 滑道滑道 机械及气动元件机械及气动元件 电感测微器电感测微器 汽缸汽缸 气水分离器气水分离器 （供气三联件）（供气三联件） 储气罐储气罐 导气管导气管 气压表气压表 （0.4MPa左右）左右） 电感式滚柱直径分选界面电感式滚柱直径分选界面 分选分选 结果基本结果基本 符合符合 正态分布正态分布 差动变压

13、器式厚度测量原理差动变压器式厚度测量原理 电感式不圆度计原理电感式不圆度计原理 该圆度计采用该圆度计采用旁向式电感测微头旁向式电感测微头 电感式不圆度测试系统电感式不圆度测试系统 旁向式电感测微头旁向式电感测微头 电感式不圆度测量系统外形电感式不圆度测量系统外形 （参考（参考洛阳汇智测控技术有限公司资料）洛阳汇智测控技术有限公司资料） 旋转盘旋转盘 测量头测量头 不圆度测量打印不圆度测量打印 电感式轮廓仪电感式轮廓仪 旁向式旁向式 电感电感 测微头测微头 压力测量压力测量 1压力输入接压力输入接 头头 2波纹膜盒波纹膜盒 3电缆电缆 4印制线路板印制线路板 5差动线圈差动线圈 6衔铁衔铁 7电

14、源变压器电源变压器 8罩壳罩壳 9指示灯指示灯 10密封隔板密封隔板 11安装底座安装底座 2ZRjfL 2 2 223 2402400 30 1085.4ARfL 2 2 12 285.4RRRfL 22 1104 0.234V 22 85.4 2(2 ) o ZZU UU Z Rfl 答：(1) 阻抗的幅值为 使4臂阻抗相有： (2)差动 5.2 差动变压器及其应用差动变压器及其应用 v5.2.1 差动变压器的工作原理和结构形式差动变压器的工作原理和结构形式 v5.2.2 差动变压器的测量电路差动变压器的测量电路 v5.2.3 差动变压器的应用差动变压器的应用 5.2.1 差动变压器的工作

15、原理和结构差动变压器的工作原理和结构 形式形式 v工作原理 v互感式电感传感器本身相当于一个变压器，当一次 线圈接入电源后，二次线圈就将产生感应电动势， 当互感变化时，感应电动势也相应变化。差动变压 器像自感传感器一样，也有变气隙式、变面积式和 螺管式三种类型，目前应用最广泛的是螺管式差动 变压器。 差动变压器的工作原理差动变压器的工作原理 差动变压器是把差动变压器是把被测位移量被测位移量转换为一次线转换为一次线 圈与二次线圈间的圈与二次线圈间的互感量互感量M的变化的变化的装置。由的装置。由 于两个二次线圈采用差动接法，故称为差动变于两个二次线圈采用差动接法，故称为差动变 压器。目前应用最广泛

16、的结构型式是螺线管式压器。目前应用最广泛的结构型式是螺线管式 差动变压器。差动变压器。 在差动变压器的线框上绕有一组输入线圈在差动变压器的线框上绕有一组输入线圈 （称一次线圈）；在同一线框的上端和下端再（称一次线圈）；在同一线框的上端和下端再 绕制两组完全对称的线圈（称二次线圈），它绕制两组完全对称的线圈（称二次线圈），它 们反向串联，组成差动输出形式。图中标有黑们反向串联，组成差动输出形式。图中标有黑 点的一端称为同名端，通俗的说法是指线圈的点的一端称为同名端，通俗的说法是指线圈的 “头头”。 返 回 差动变压器差动变压器 差动变压器是把被测的非电量变化转换成线圈互感量 的变化。这种传感器是

17、根据变压器的基本原理制成的 ，并且次级绕组用差动的形式连接，故称之为差动变 压器式传感器。 变隙式 变面积式 螺线管式 下一页返 回 (a)、(b) 变隙式差动变压器； (c)、(d) 螺线管式差动变压器； (e)、(f) 变面积式差动变压器 上一页返 回下一页 5.2.1 5.2.1 差动变压器差动变压器 变隙式差动变压器 螺线管式差动变压器 差动变压器应用 上一页返 回下一页 变隙式差动变压器变隙式差动变压器 当一次侧线圈接入激励电压后，二次侧线圈将产生感应电压输出 互感变化时，输出电压将作相应变化 上一页返 回下一页 两个初级绕组的同名端顺向串联， 而两个次级绕组的同名端则反向串联。 当

18、没有位移时，衔铁C处于初始平衡位置， 它与两个铁芯的间隙为a0 =b0=0 两个次级绕组的互感电势相等，即e2a=e2b。 由于次级绕组反向串联，因此，差动变压器输出电压 当被测体有位移时，与被测体相连的衔铁的位置将发生相应的变化， 使ab 两次级绕组的互感电势e2ae2b，输出电压 电压的大小反映了被测位移的大小，通过用相敏检波等电路处理， 使最终输出电压的极性能反映位移的方向。 0 222 ba eeU 0 222 ba eeU 1. 1. 工作原理工作原理 上一页返 回下一页 . .输出特性输出特性 . 1 1 2 . 2 U W W U ab ab 上一页返 回下一页 如果被测体带动衔

19、铁移动 0 1 1 2 2 U W W U 0 1 1 22 U W WU K 图3.2.3 变隙式差动变压器输出特性 理想特性； 实际特性 上一页返 回下一页 结论：结论： （）供电电源首先要稳定，电源幅值的适当提高可以提 高灵敏度K值; （）增加W2/W1的比值和减少0都能使灵敏度K值提高; （）以上分析的结果是在忽略铁损和线圈中的分布电容 条件下得到的; （）以上结果是在假定工艺上严格对称前提下得到的， 而实际上很难做到这一点; （）上述推导是在变压器副边开路的情况下得到的。 上一页返 回下一页 螺线管式差动变压器 1. 工作原理 2. 基本特性 3. 主要性能 4. 零点残余电压及消除

20、方法 5. 转换电路 上一页返 回下一页 . 工作原理工作原理 -活动衔铁；-导磁外壳； -骨架；-匝数为W1初级绕组； -匝数为W2a的次级绕组； -匝数为W2b的次级绕组 上一页返 回下一页 图3.2.6 差动变压器输出电压特性曲线 上一页返 回下一页 . 基本特性基本特性 当次级开路时有 ,初级线圈激励电流 11 1 1 Ljr U I 根据电磁感应定律，次级绕组中感应电势的表达式为 112 IMjE a 122 IMjE b 次级两绕组反相串联，且考虑到次级开路，则 11 121 222 Ljr UMMj EEU ba 2 1 2 1 121 2 Lr UMM U 输出电压有效值 上一

21、页返 回下一页 基本特性分析：基本特性分析： （1）当活动衔铁处于中间位置时 M1= M2=M 则 U2=0 （2）当活动衔铁向W2a方向移动时 M1= M+M, M2= M-M 故 （3）当活动衔铁向W2b方向移动时 M1= M-M，M2= M+M 故 2 1 2 1 1 2 2 Lr MU U 2 1 2 1 1 2 2 Lr MU U 上一页返 回下一页 . 主要性能主要性能 （1）灵敏度 （2）线性度 上一页返 回下一页 （1）灵敏度）灵敏度 差动变压器在单位电压激励下，铁芯移动一个 单位距离时的输出电压，以V/mm/V表示。 理想条件下，差动变压器的灵敏度KE正比于电 源激励频率f

22、. 图3.2.7 KE与f关系曲线 上一页返 回下一页 提高输入激励电压，将使传感器灵敏度按线性增加。 除了激励频率和输入激励电压对差动变压器灵敏度有影响外， 提高线圈品质因数Q值，增大衔铁直径，选择导磁性能好， 铁损小以及涡流损耗小的导磁材料制作衔铁和导磁外壳等 可以提高灵敏度。 上一页返 回下一页 （2）线性度）线性度 传感器实际特性曲线与理论直线之间的最大 偏差除以测量范围（满量程），并用百分数来表示。 影响差动变压器线性度的因素: 骨架形状和尺寸的精确性，线圈的排列，铁芯的尺寸和 材质，激励频率和负载状态等。 改善差动变压器的线性度: 取测量范围为线圈骨架长度的1/10-1/4，激励频

23、率采用中 频，配用相敏检波式测量电路 上一页返 回下一页 4. 零点残余电压及消除方法零点残余电压及消除方法 零点残余电压危害： 使传感器输出特性在零点附近的范围内不 灵敏，限制着分辨力的提高。 零点残余电压太大，将使线性度变坏，灵 敏度下降，甚至会使放大器饱和，堵塞有用 信号通过，致使仪器不再反映被测量的变化 。 上一页返 回下一页 产生零点残余电压的原因产生零点残余电压的原因 （1）由于两个二次测量线圈的等效参数不对称，使其 输出的基波感应电动势的幅值和相位不同，调整磁 芯位置时，也不能达到幅值和相位同时相同。 （2）由于铁芯的B-H特性的非线性，产生高次谐波不 同，不能互相抵消。 上一页

24、返 回下一页 减小零点残余电压措施减小零点残余电压措施： （1）在设计和工艺上，力求做到磁路对称，线圈对称。 铁芯材料要均匀，要经过热处理去除机械应力和改善 磁性。两个二次侧线圈窗口要一致，两线圈绕制要均 匀一致。一次侧线圈绕制也要均匀。 （2）采用拆圈的实验方法来减小零点残余电压。其思路 是，由于两个二次侧线圈的等效参数不相等，用拆圈 的方法，使两者等效参数相等。 （3）在电路上进行补偿。线路补偿主要有：加串联电阻 ，加并联电容，加反馈电阻或反馈电容等。 上一页返 回下一页 补偿零点残余电压的电路补偿零点残余电压的电路 上一页返 回下一页 5.2.2 差动变压器的测量电路差动变压器的测量电路

25、 v差动变压器的输出电压是交流分量，若用交流电 压表测量，既不能反映衔铁移动的极性，又不能 解决零点残余电压问题，为此，常采用差动相敏 检波电路和差动整流电路。 v差动相敏检波电路 （1）差动整流电路 （2）相敏检波电路 （3）直流差动变压器电路 上一页返 回下一页 （1）差动整流电路）差动整流电路 (a)、(b)适用于高阻抗负载 (c)、(d)适用于低阻抗负载 电阻R0用于调整零点残余电压。 上一页返 回下一页 测量电路测量电路 （ 以以差动整流差动整流为为 例）例） 1、2虚焊，虚焊，Ua o、 Ub o将变成什么波形？将变成什么波形？ 图中的图中的R P起什么作用？起什么作用？ 普通的全

26、波整流电路及波形电路普通的全波整流电路及波形电路 只能得到单一方向的直流电，不能反只能得到单一方向的直流电，不能反 映输入信号的相位。映输入信号的相位。 （2）相敏检波电路）相敏检波电路 (a）被测位移变化波形图； (b)差动变压器激励电压波形； (c) 差动变压器输出电压波形； (d)相敏检波解调电压波形； (e)相敏检波输出电压波形 上一页返 回下一页 73 5.35.3电感式传感器的应用电感式传感器的应用 v1位移测量位移测量 v差动变压器测量的基本量仍然是位移。它可以作为精密差动变压器测量的基本量仍然是位移。它可以作为精密 测量仪的主要部件，对零件进行多种精密测量工作，如测量仪的主要部

27、件，对零件进行多种精密测量工作，如 内径、外径、不平行度、粗糙度、不垂直度、振摆、偏内径、外径、不平行度、粗糙度、不垂直度、振摆、偏 心和椭圆度等；作为轴承滚动自动分选机的主要测量部心和椭圆度等；作为轴承滚动自动分选机的主要测量部 件，可以分选大、小钢球、圆柱、圆锥等；用于测量各件，可以分选大、小钢球、圆柱、圆锥等；用于测量各 种零件膨胀、伸长、应变等。种零件膨胀、伸长、应变等。 v 图为图为。 当某一设定液位使铁芯处于中心位置时，当某一设定液位使铁芯处于中心位置时， 差动变压器输出信号差动变压器输出信号Uo=0；当液位上升；当液位上升 或下降时，或下降时，Uo 0，通过相应的测量电路，通过相

28、应的测量电路 便能确定液位的高低便能确定液位的高低。 浮子 铁芯 液罐 74 v2振动和加速度测量振动和加速度测量 v利用差动变压器加上悬臂梁弹性支承可构成加速度计。利用差动变压器加上悬臂梁弹性支承可构成加速度计。 为了满足测量精度，加速度计的固有频率应比被测频率为了满足测量精度，加速度计的固有频率应比被测频率 上限大上限大35倍。由于运动系统质量倍。由于运动系统质量m不可能太小，而增不可能太小，而增 加弹性片刚度加弹性片刚度k又使加速度计灵敏度受到影响，因此系又使加速度计灵敏度受到影响，因此系 统固有频率不可能很高。所以，能测量的振动频率上限统固有频率不可能很高。所以，能测量的振动频率上限

29、就受到限制，一般在就受到限制，一般在150Hz以下。高频时加速度测量用以下。高频时加速度测量用 压电式传感器。压电式传感器。 v 差动变压器加速度计结构及其测量电路框图差动变压器加速度计结构及其测量电路框图 v(a)结构；结构；(b)测量电路框图测量电路框图 v1-弹性支承；弹性支承；2-差动变压器差动变压器 输出 被测加 速度方向 振荡器 稳压 电源 检 波 器 滤 波 器 75 v3压力测量压力测量 v差动变压器和弹性敏感元件组合，可以组成开环压力传差动变压器和弹性敏感元件组合，可以组成开环压力传 感器。由于差动变压器输出是标准信号，常称为变送器。感器。由于差动变压器输出是标准信号，常称为变送器。 v (a)微压变送器；微压变送器； (b)测量电路框图测量电路框图 v 1-接头；接头