传感器原理及检测技术_第3章_电感式传感器B部分

1、1 第第3 3章章 电感式传感器（电感式传感器（B B部分）部分）23.1.3 自感式传感器应用 自感式电感传感器可以用于多种物理量的测量；自感式电感传感器可以用于多种物理量的测量； 诸如测量振动、应变、厚度、压力、流量、液位等非电量。诸如测量振动、应变、厚度、压力、流量、液位等非电量。 2021-7-103例1自感式测厚仪 采用差动结构，其测量电路采用差动结构，其测量电路为带相敏整流的交流电桥。为带相敏整流的交流电桥。当被测物体的厚度发生变化当被测物体的厚度发生变化时，引起测杆上下移动，带时，引起测杆上下移动，带动可动铁芯产生位移，从而动可动铁芯产生位移，从而改变了气隙的厚度，使线圈改变了气

2、隙的厚度，使线圈的电感量发生相应的变化。的电感量发生相应的变化。此电感变化量经过带相敏整此电感变化量经过带相敏整流的交流电桥测量后，送测流的交流电桥测量后，送测量仪表显示，其大小与被测量仪表显示，其大小与被测物的厚度成正比。物的厚度成正比。 1可动铁芯 2测杆 3被测物体4例2位移测量 测量时测头的测端与被测量时测头的测端与被测件接触，被测件的微测件接触，被测件的微小位移使衔铁在差动线小位移使衔铁在差动线圈中移动，线圈的电感圈中移动，线圈的电感值将产生变化，这一变值将产生变化，这一变化量通过引线接到交流化量通过引线接到交流电桥，电桥的输出电压电桥，电桥的输出电压就反映被测件的位移变就反映被测件

3、的位移变化量。化量。 1引线 2线圈 3衔铁 4测力弹簧 5导杆 6密封罩 7测头5例3. 一种滚珠直径分选装置（工作原理分析）63.2 差动变压器式传感器 把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器称为把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器称为互互感式传感器感式传感器。因这种传感器是根据变压器的基本原理制成。因这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且其二次绕组都用差动形式连接，所以又叫差动变的，并且其二次绕组都用差动形式连接，所以又叫差动变压器式传感器，简称压器式传感器，简称差动变压器差动变压器。 差动变压器有变气隙式、变面积式和螺线管式等差动变压器有变气隙式、变面积式和螺线管式

4、等 在非电量测量中，应用最多的是螺线管式的差动变压器，在非电量测量中，应用最多的是螺线管式的差动变压器，它可以测量它可以测量1 1100mm100mm范围内的机械位移，并具有测量精度范围内的机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点。高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点。 2021-7-1073.2.1 差动变压器结构与基本工作原理 变气隙式差动变压器原理图螺线管式差动变压器原理图2021-7-1083.2.1 差动变压器结构与基本工作原理 P66: 式3-9，式3-10，次级线圈感应电动势表达式；P67:图3-10，差动变压器等效电路；P68：式3-11，差动电压表达式

5、；9差动变压器传感器的输出特性 当铁芯位于中心位置，输出当铁芯位于中心位置，输出电压电压U U2 2并不等于零，这个电并不等于零，这个电压称为零点压称为零点残余电压残余电压 。它的。它的存在使传感器的输出特性曲存在使传感器的输出特性曲线不经过零点，造成实际特线不经过零点，造成实际特性和理论特性不完全一致。性和理论特性不完全一致。零点残余电压使得传感器的零点残余电压使得传感器的输出特性在零点附近不灵敏，输出特性在零点附近不灵敏，给测量带来误差，它的大小给测量带来误差，它的大小是衡量差动变压器性能好坏是衡量差动变压器性能好坏的重要指标。的重要指标。图图3-11输出特性曲线输出特性曲线2021-7-

6、1010如何消除零点电势（残余电压） 零点残余电动势使得传感器在零点附近的输出特性不灵敏，零点残余电动势使得传感器在零点附近的输出特性不灵敏，为测量带来误差。为了减小零点残余电动势，可采用以下为测量带来误差。为了减小零点残余电动势，可采用以下方法。方法。 （1 1）尽可能保证传感器尺寸、线圈电气参数和磁路对称。）尽可能保证传感器尺寸、线圈电气参数和磁路对称。 （2 2）选用合适的测量电路。）选用合适的测量电路。 （3 3）采用补偿线路减小零点残余电动势。）采用补偿线路减小零点残余电动势。 参考图参考图3-163-16的具体电路举例。的具体电路举例。2021-7-1011差动变压器的测量电路 差

7、动变压器输出的是交流电压，若用交流电压表测量，只差动变压器输出的是交流电压，若用交流电压表测量，只能反映衔铁位移的大小，而不能反映移动方向；能反映衔铁位移的大小，而不能反映移动方向； 另外，其测量值中将包含零点残余电压；另外，其测量值中将包含零点残余电压； 为了达到能辨别移动方向及消除零点残余电动势目的，实为了达到能辨别移动方向及消除零点残余电动势目的，实际测量时，常常采用际测量时，常常采用差动整流电路差动整流电路和和相敏检波电路相敏检波电路。 2021-7-10123.2.2 差动整流电路 把差动变压器的两个次级输出电压分别整流，然后将整流把差动变压器的两个次级输出电压分别整流，然后将整流的

8、电压或电流的差值作为输出，这样二次电压的相位和零的电压或电流的差值作为输出，这样二次电压的相位和零点残余电压都不必考虑。点残余电压都不必考虑。 差动整流电路同样具有相敏检波作用，图中的两组（或两差动整流电路同样具有相敏检波作用，图中的两组（或两个）整流二极管分别将二次线圈中的交流电压转换为直流个）整流二极管分别将二次线圈中的交流电压转换为直流电，然后相加。由于这种测量电路结构简单，不需要考虑电，然后相加。由于这种测量电路结构简单，不需要考虑相位调整和零点残余电压的影响，且具有分布电容小和便相位调整和零点残余电压的影响，且具有分布电容小和便于远距离传输等优点，因而获得广泛的应用。但是，二极于远距

9、离传输等优点，因而获得广泛的应用。但是，二极管的非线性影响比较严重，而且二极管的正向饱和压降和管的非线性影响比较严重，而且二极管的正向饱和压降和反向漏电流对性能也会产生不利影响，只能在要求不高的反向漏电流对性能也会产生不利影响，只能在要求不高的场合下使用。场合下使用。 一般经相敏检波和差动整流后的输出信号还必须经过低通一般经相敏检波和差动整流后的输出信号还必须经过低通滤波器，把调制的高频信号衰减掉，只允许衔铁运动产生滤波器，把调制的高频信号衰减掉，只允许衔铁运动产生的有用信号通过。的有用信号通过。13典型差动整流电路构型差动整流电路 14相敏检波电路原理与波形2021-7-10153.2.3

10、差动变压器式传感器的应用 差动变压器不仅可以直接用于位移测量，而且还可以测量差动变压器不仅可以直接用于位移测量，而且还可以测量与位移有关的任何机械量，如振动、加速度、应变、压力、与位移有关的任何机械量，如振动、加速度、应变、压力、张力、比重和厚度等。张力、比重和厚度等。16差动变压器式传感器的应用加速度传感器差动变压器式加速差动变压器式加速度传感器是由悬臂度传感器是由悬臂梁和差动变压器构梁和差动变压器构成，其结构如图所成，其结构如图所示。示。 加速度（振动）传感器及其测量电路1弹性支撑 2差动变压器17差动变压器式传感器的应用差压计 力平衡式差压计力平衡式差压计18差动变压器式传感器的应用力传

11、感器 力传感器力传感器 差动变压器式力传感器差动变压器式力传感器原理结构图如图所示。原理结构图如图所示。它是利用力作用下引起它是利用力作用下引起弹性元件形变，然后弹弹性元件形变，然后弹性元件的形变带动差动性元件的形变带动差动变压器的衔铁运动，从变压器的衔铁运动，从而产生相应地电流或电而产生相应地电流或电压输出的原理制成的。压输出的原理制成的。19差动变压器式传感器的应用测微仪 差动变压器式电感测微仪差动变压器式电感测微仪203.4 电涡流传感器 根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体置于变化的磁场根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈旋涡

12、中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈旋涡状的感应电流，此电流叫电涡流，这种现象称为电涡流效状的感应电流，此电流叫电涡流，这种现象称为电涡流效应；应； 根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。按照根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。按照电涡流在导体内的贯穿情况，电涡流在导体内的贯穿情况， 此传感器可分为高频反射式此传感器可分为高频反射式和低频透射式两类，但从基本工作原理上来说仍是相似的。和低频透射式两类，但从基本工作原理上来说仍是相似的。电涡流式传感器最大的特点是能对位移、厚度、表面温度、电涡流式传感器最大的特点是能对位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等进行非接

13、触式连续测量，另外还速度、应力、材料损伤等进行非接触式连续测量，另外还具有体积小、灵敏度高、频率响应宽等特点，应用极其广具有体积小、灵敏度高、频率响应宽等特点，应用极其广泛。泛。 213.4.1 电涡流传感器的工作原理 高频反射式传感器采用高频信号源，其原理及等效电高频反射式传感器采用高频信号源，其原理及等效电路分别如图所示。线圈置于金属导体附近，线圈中通路分别如图所示。线圈置于金属导体附近，线圈中通以高频信号以高频信号 ，则会产生正弦交变磁场，则会产生正弦交变磁场 ，产生的交变磁，产生的交变磁场作用于下方的金属块内就会产生涡流场作用于下方的金属块内就会产生涡流 ，变化的涡流，变化的涡流产生磁

14、场产生磁场 ，又反作用于线圈，改变了线圈的电感。电，又反作用于线圈，改变了线圈的电感。电感变化程度取于线圈的外形尺寸，线圈至金属板之间感变化程度取于线圈的外形尺寸，线圈至金属板之间的距离，金属板材料的电阻率和磁导率以及电源频率的距离，金属板材料的电阻率和磁导率以及电源频率等等。 22 为了充分有效地利用电涡流效应，对于平板型的被测体则为了充分有效地利用电涡流效应，对于平板型的被测体则要求被测体的半径应大于线圈半径的要求被测体的半径应大于线圈半径的1.81.8倍，否则就要降低倍，否则就要降低灵敏度。当被测物体是圆柱体时，被测导体直径必须为线灵敏度。当被测物体是圆柱体时，被测导体直径必须为线圈直径

15、的圈直径的3.53.5倍以上，灵敏度才不受影响。一般来说，被测倍以上，灵敏度才不受影响。一般来说，被测体的磁导率越高，电阻率越低，则传感器的灵敏度越高。体的磁导率越高，电阻率越低，则传感器的灵敏度越高。233.4.2 测量电路 1 1电桥电路电桥电路 在进行测量时，由于传感器线圈的阻抗发生变化，使在进行测量时，由于传感器线圈的阻抗发生变化，使电桥失去平衡，而电桥不平衡造成的输出信号被放大并检电桥失去平衡，而电桥不平衡造成的输出信号被放大并检波，就可得到与被测量成正比的输出。其电路原理图所示。波，就可得到与被测量成正比的输出。其电路原理图所示。243.4.2 测量电路 L1L1和和L2L2为传感

16、器两线圈，分别与为传感器两线圈，分别与选频电容选频电容C1C1和和C2C2并联组成两桥臂，并联组成两桥臂，电阻电阻R1R1和和R2R2组成另外两桥臂。静组成另外两桥臂。静态时，电桥平衡，桥路输出电压态时，电桥平衡，桥路输出电压为为0 0。工作时，传感器接近被测。工作时，传感器接近被测体，由于电涡流效应引起传感器体，由于电涡流效应引起传感器线圈电感变化，电桥失去平衡，线圈电感变化，电桥失去平衡，有电压输出。经放大后送至检波有电压输出。经放大后送至检波器检波，输出直流电压器检波，输出直流电压U0U0，U0U0的大小正比于传感器的移动量，的大小正比于传感器的移动量，以实现对位移量的测量。以实现对位移

17、量的测量。253.4.2 测量电路 把传感器线圈与电容并联组成把传感器线圈与电容并联组成LCLC并联谐振电路。当传感器接近被测金属并联谐振电路。当传感器接近被测金属导体时，线圈电感发生变化，导体时，线圈电感发生变化，LCLC回路的阻抗和谐振频率将随着回路的阻抗和谐振频率将随着L L的变化而的变化而变化，因此可以利用测量回路阻抗或谐振频率的方法间接反映出传感器的变化，因此可以利用测量回路阻抗或谐振频率的方法间接反映出传感器的被测量，相对应的就是被测量，相对应的就是调幅法调幅法和和调频法调频法。调幅式电路调幅式电路调频式电路调频式电路26调幅式 石英振荡器产生稳频、稳幅高频振荡电压（石英振荡器产生

18、稳频、稳幅高频振荡电压（100kHz100kHz1MHz1MHz）用于）用于激励电涡流线圈。金属材料在高频磁场中产生电涡流，引起电涡激励电涡流线圈。金属材料在高频磁场中产生电涡流，引起电涡流线圈端电压的衰减，再经高放、检波、低放电路，最终输出的流线圈端电压的衰减，再经高放、检波、低放电路，最终输出的直流电压直流电压U Uo o反映了金属体对电涡流线圈的影响）。反映了金属体对电涡流线圈的影响）。输出输出P73：式：式3-23273调频（FM）式电路（100kHz1MHz） 当电涡流线圈与被测体的距离当电涡流线圈与被测体的距离x x 改变时，电涡流线圈的电感改变时，电涡流线圈的电感量量L L也随之

19、改变，引起也随之改变，引起LCLC振荡器的输出频率变化，此频率振荡器的输出频率变化，此频率可直接用计算机测量。如果要用模拟仪表进行显示或记录可直接用计算机测量。如果要用模拟仪表进行显示或记录时，必须使用鉴频器，将时，必须使用鉴频器，将 f f转换为电压转换为电压 U Uo o。 284.3.3 电涡流传感器的应用 电涡流传感器是以电涡流效应为原理的非接触式位移、振电涡流传感器是以电涡流效应为原理的非接触式位移、振动传感器；动传感器； 可对进入其测量范围内的金属物体的运动参数进行精密非可对进入其测量范围内的金属物体的运动参数进行精密非接触测量；接触测量； 可用于机械中的振动和位移、转子与机壳的热

20、膨胀量的长可用于机械中的振动和位移、转子与机壳的热膨胀量的长期监测；期监测； 生产线的在线自动监测和自动控制；生产线的在线自动监测和自动控制； 科研中的多种微小距离和微小运动的测量等。总之，电涡科研中的多种微小距离和微小运动的测量等。总之，电涡流传感器目前已被广泛应用于能源、化工、医学、汽车、流传感器目前已被广泛应用于能源、化工、医学、汽车、冶金、冶金、 机器制造、军工、科研教学等诸多领域，并且还在机器制造、军工、科研教学等诸多领域，并且还在不断的扩展。不断的扩展。29例1电涡流式转速传感器 电涡流式转速传感器工作原理如图所示。在软磁材料制成的输电涡流式转速传感器工作原理如图所示。在软磁材料制成的输入