位移检测传感器之电感式

1、第二章电感式位移传感器第二章电感式位移传感器电感式位移传感器：是将被测物理电感式位移传感器：是将被测物理量的位移转化为自感量的位移转化为自感L L，互感，互感M M的变的变化，并通过测量电感量的变化确定化，并通过测量电感量的变化确定位移量。位移量。电感式位移传感器的主要类型：电感式位移传感器的主要类型：输出功率大、灵敏度高、稳定性好输出功率大、灵敏度高、稳定性好电感式位移传感器的特点：电感式位移传感器的特点：电感式位移传感器的主要类型有：电感式位移传感器的主要类型有：自感式、互感式、涡流式和压磁式自感式、互感式、涡流式和压磁式等等n电感式传感器的工作基础：电感式传感器的工作基础：电磁感应电磁感

2、应n即利用线圈电感或互感的改变来实现非电即利用线圈电感或互感的改变来实现非电量测量量测量（一）自感式电感位移传感器（一）自感式电感位移传感器1. 工作原理与结构工作原理与结构自感式位移传感器由自感式位移传感器由线圈、铁芯和衔铁线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料制成。衔铁由导磁材料制成。自感式传感器是把被测量变化转换成自感自感式传感器是把被测量变化转换成自感L的变化，通过一定的变化，通过一定的转换电路转换成电压或电流输出。的转换电路转换成电压或电流输出。在缠绕在铁心上的线圈中通以交变电流在缠绕在铁心上的线圈中通以交变电流i，产生磁通，产生磁通m,m,形成形成磁通回

3、路。磁通回路。1. 工作原理与结构工作原理与结构磁通与电流之间的关系磁通与电流之间的关系LiNm)(;HLN自感线圈的匝数根据磁路欧姆定律mmRNi)(1HRm磁阻1. 工作原理与结构工作原理与结构mRNL2则002SSlRm);m/);)m/);2002mSHmmSHml气隙的导磁横截面积（真空磁导率（气隙厚度（积（铁心与衔铁中的导磁面，铁心与衔铁的磁导率（度（铁心与衔铁中的导磁长磁阻磁阻Rm在本例中包括三部分，铁芯、衔铁和气隙中在本例中包括三部分，铁芯、衔铁和气隙中的磁阻。的磁阻。1. 工作原理与结构工作原理与结构通常气隙的磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻 SlS002002sRm则20022s

4、NRNLm1. 工作原理与结构工作原理与结构20022sNRNLm1. 工作原理与结构工作原理与结构n当铁芯的结构和材料确定后，自感当铁芯的结构和材料确定后，自感L是气隙厚度是气隙厚度 和气隙磁和气隙磁通截面积通截面积S的函数。的函数。n因此自感式位移传感器可分为变气隙型、变面积型和螺管型。因此自感式位移传感器可分为变气隙型、变面积型和螺管型。1. 工作原理与结构工作原理与结构变气隙型自感传感器变气隙型自感传感器如果如果S保持不变，则保持不变，则L为为 的单值函数，可构成变气隙型自感传的单值函数，可构成变气隙型自感传感器感器1. 工作原理与结构工作原理与结构 变面积型自感传感器变面积型自感传感

5、器如果保持如果保持 不变，不变，使使S随位移而变，则可构成变面积型自感传随位移而变，则可构成变面积型自感传感器；感器；1. 工作原理与结构工作原理与结构 螺线管型自感传感器螺线管型自感传感器如果在线圈中放入圆柱形衔铁，当如果在线圈中放入圆柱形衔铁，当衔铁上下移动时，自感量将相应变化，就构成了螺线管型自衔铁上下移动时，自感量将相应变化，就构成了螺线管型自感传感器。感传感器。输出特性：输出特性：L与之间是非线性关系， 特性曲线如下图20022ANRNLm变气隙式电压传感器的L-特性变气隙型自感传感器变气隙型自感传感器(略）略）分析：分析：当衔铁处于初始位置时，初始电感量为 020002NSL 当衔

6、铁上移时，传感器气隙减小，即=0， 则此时输出电感为00000201)(2LSNLLL变气隙型自感传感器变气隙型自感传感器当/01时： 30200001LLLL可求得电感增量L和相对增量L/L0的表达式，即 200002000011LLLL变气隙型自感传感器变气隙型自感传感器对上式作线性处理，即忽略高次项后，可得 00LL灵敏度为 00LLK可见：可见：变间隙式电感传感器的线性度差，示值范围窄（测量变间隙式电感传感器的线性度差，示值范围窄（测量范围），自由行程小，但在小位移下灵敏度高，范围），自由行程小，但在小位移下灵敏度高，因此变隙，因此变隙式电感式传感器式电感式传感器适用于测量微小位移适用

7、于测量微小位移的场合。的场合。 为了减小非线形误差，实际中广泛采用差动变隙式电感传感器差动变隙式电感传感器差动变隙式电感传感器 1-铁芯；2-线圈；3-衔铁当衔铁向上移动时，两个线圈的电感变化量L1、L2 灵敏度k为002LLk（1）差动变间隙式自感传感器的灵敏度是单线圈式传感器的两倍。 因此差动式自感式传感器，提高了精度、灵敏度，明显改善了线性度。差动变隙式电感传感器差动变隙式电感传感器 （1）损耗问题）损耗问题2. 在改善电感位移传感器性能要考虑的因素在改善电感位移传感器性能要考虑的因素电感线圈、衔铁系统在高频电流激励下工作必然存在功率损电感线圈、衔铁系统在高频电流激励下工作必然存在功率损

8、耗。主要损耗有线圈和铁心。耗。主要损耗有线圈和铁心。（2）气隙边缘效应的影响）气隙边缘效应的影响（3）温度误差）温度误差（4）差动式电感位移传感器的零点剩余电压问题）差动式电感位移传感器的零点剩余电压问题 课堂练习课堂练习16、自感式位移传感器可分为变气隙型、变面积型和、自感式位移传感器可分为变气隙型、变面积型和（ ）（测一）。）（测一）。16、自感式位移传感器可分为变气隙型、变面积型和、自感式位移传感器可分为变气隙型、变面积型和（螺管型）。（螺管型）。27、改善电感式位移传感器的性能时需要考虑哪些因、改善电感式位移传感器的性能时需要考虑哪些因素？（测一）素？（测一）（1）损耗问题）损耗问题2

9、. 在改善电感位移传感器性能要考虑的因素在改善电感位移传感器性能要考虑的因素电感线圈、衔铁系统在高频电流激励下工作必然存在功率损电感线圈、衔铁系统在高频电流激励下工作必然存在功率损耗。主要损耗有线圈和铁心。耗。主要损耗有线圈和铁心。（2）气隙边缘效应的影响）气隙边缘效应的影响（3）温度误差）温度误差（4）差动式电感位移传感器的零点剩余电压问题）差动式电感位移传感器的零点剩余电压问题 互感式位移传感器是利用电磁原理，将被互感式位移传感器是利用电磁原理，将被测位移量的变化转换为测位移量的变化转换为线圈互感系数的变化，线圈互感系数的变化，这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，这种传感器是根据变压器

10、的基本原理制成的，故又称变压器式位移传感器。故又称变压器式位移传感器。（二）互感式位移传感器（二）互感式位移传感器差动变压器差动变压器（二）互感式位移传感器（二）互感式位移传感器差动变压器差动变压器感应电动势：感应电动势： dtdiME1式中式中M互感系数（互感系数（H)M的大小与两线圈之间相对位置以及周围介质的大小与两线圈之间相对位置以及周围介质的导磁能力等因素有关。的导磁能力等因素有关。 表明：表明：两线圈之间的耦合程度；两线圈之间的耦合程度；工作原理工作原理线圈线圈1为一次侧线圈，线圈为一次侧线圈，线圈2为二次侧线圈，当一次侧通过交流为二次侧线圈，当一次侧通过交流电流时，在二次侧上将产生

11、感应电动势。当两者间的互感量变电流时，在二次侧上将产生感应电动势。当两者间的互感量变化时，感应电动势也相应变化。化时，感应电动势也相应变化。n互感位移传感器常采用差动形式，即两个二次互感位移传感器常采用差动形式，即两个二次线圈采用差动接法，故又称为差动变压器式位线圈采用差动接法，故又称为差动变压器式位移传感器。移传感器。差动变压器式位移传感器差动变压器式位移传感器差动变压器式位移传感器有变隙式、变面积式和差动变压器式位移传感器有变隙式、变面积式和螺管式等。螺管式等。非电量测量中，应用最多的是螺管式差动变压器，非电量测量中，应用最多的是螺管式差动变压器，它可以测量范围内的机械位移，并具有测量精度

12、高、它可以测量范围内的机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点(e)、(f) 变截面式差动变压器变截面式差动变压器 (a)、(b) 变间隙式差动变压器变间隙式差动变压器(c)、(d) 螺线管式差动变压器螺线管式差动变压器差动变压器式位移传感器之差动变压器式位移传感器之螺管式差动变压器位移传感器螺管式差动变压器位移传感器E1E2E0传感器主要由线圈、铁芯和活动衔铁三部分组传感器主要由线圈、铁芯和活动衔铁三部分组成。成。线圈包括一个初级线圈线圈包括一个初级线圈1和和2个次级线圈个次级线圈2,3组组成，成， 两个次级线圈结构参数完全相同，两个次

13、级线两个次级线圈结构参数完全相同，两个次级线圈圈2,3反极性串接。反极性串接。线圈中心插入导磁性极好的圆形铁心线圈中心插入导磁性极好的圆形铁心4.螺管式差动变压器位移传感器螺管式差动变压器位移传感器 1. 结构结构 螺管式差动变压器位移传感器螺管式差动变压器位移传感器 当初级线圈输入交流激励电当初级线圈输入交流激励电压时，两个二次侧线圈将产生感压时，两个二次侧线圈将产生感应电动势应电动势E1和和E2由于两个次级线由于两个次级线圈反接，因此传感器的输出电压圈反接，因此传感器的输出电压为两者之差。为两者之差。 2. 工作原理工作原理dtdiME111dtdiME122dtdiMMEEE121210

14、)(螺管式差动变压器位移传感器螺管式差动变压器位移传感器 2. 工作原理工作原理0,02121EEEMM，故则 当铁心处于当铁心处于零位时，即零位时，即中间对称中间对称位置时（位置时（铁心的原始平衡位置）铁心的原始平衡位置） 当铁心偏离当铁心偏离零位向上移动时由于磁阻的影响，上面线圈中零位向上移动时由于磁阻的影响，上面线圈中的磁通将大于下面线圈中的磁通，所以的磁通将大于下面线圈中的磁通，所以关系大小与铁心位移成线性同相位与输出电压，故则1002121, 0,EEEEEMMdtdiMMEEE121210)(螺管式差动变压器位移传感器螺管式差动变压器位移传感器 2. 工作原理工作原理 当铁心偏离当

15、铁心偏离零位向下移动时零位向下移动时关系大小与铁心位移成线性同相位与输出电压，故则, 0,2002121EEEEEMMdtdiMMEEE121210)(螺管式差动变压器位移传感器螺管式差动变压器位移传感器 2. 工作原理工作原理 差动变压器式传感器输出需要接相敏检波电路差动变压器式传感器输出需要接相敏检波电路当铁心偏离当铁心偏离零位上下移动时，移动的零位上下移动时，移动的距离和方向的信息，可以反映在二次侧线距离和方向的信息，可以反映在二次侧线圈输出电动势圈输出电动势E0的幅值和相位中。的幅值和相位中。差动变压器式传感器输出的电压是交流电压量，如用交流电压表测差动变压器式传感器输出的电压是交流电

16、压量，如用交流电压表测量，则输出值只能反映铁心位移的大小，而不能反映移动的方向，因此量，则输出值只能反映铁心位移的大小，而不能反映移动的方向，因此需要将需要将E0 进行放大和相敏检波才能得到被测位移进行放大和相敏检波才能得到被测位移x的大小和方向。的大小和方向。螺管式差动变压器位移传感器螺管式差动变压器位移传感器 交流电压输出存在一定的零点残余电压。交流电压输出存在一定的零点残余电压。交流电压输出存在一定的零点残余电压。交流电压输出存在一定的零点残余电压。铁心处于零位时，很难做到铁心处于零位时，很难做到E1与与E2在幅值、相位、谐波成分上完全相等，在幅值、相位、谐波成分上完全相等，实际上实际上

17、E000，此时输出电压，此时输出电压E0称为零点残余电压。零点残余电压可能造称为零点残余电压。零点残余电压可能造成误差，使后级放大电路饱和。因此应设法消除和减小零点残余电压成误差，使后级放大电路饱和。因此应设法消除和减小零点残余电压E0产生零点残余电压的原因是由于两个次级线圈的结构不对称，以及初产生零点残余电压的原因是由于两个次级线圈的结构不对称，以及初级线圈铜损电阻的存在、铁磁材质不均匀、线圈间分布电容等因素形成的，级线圈铜损电阻的存在、铁磁材质不均匀、线圈间分布电容等因素形成的，因此后接电路采用相敏检波电路。这样既能反应铁心位移极性，又能补偿因此后接电路采用相敏检波电路。这样既能反应铁心位

18、移极性，又能补偿零点残余电压的差动直流输出电路零点残余电压的差动直流输出电路差动变压器相敏检波电路差动变压器相敏检波电路 （见（见P22，图，图2-18）移相器RP 当铁心处于中间位置时，调节电阻当铁心处于中间位置时，调节电阻Rp可以使零点残余电可以使零点残余电压减小。压减小。差动变压器式电感位移传感器的优点：差动变压器式电感位移传感器的优点： 差动变压器式电感位移传感器测量精度高，差动变压器式电感位移传感器测量精度高，分辨力可达分辨力可达0.1m,线性范围大，有的能达到线性范围大，有的能达到250mm,稳定性好，使用方便。这种传感器广泛稳定性好，使用方便。这种传感器广泛用于直线位移、角位移以

19、及可转换成位移的其用于直线位移、角位移以及可转换成位移的其他机械量，如压力、重量、膨胀等。他机械量，如压力、重量、膨胀等。总结传感元件传感元件或传感器或传感器原始原始输入量输入量变换变换原理原理物理物理现象现象能量能量关系关系输出量输出量差动差动变压器式变压器式位移位移电磁电磁感应感应结构型结构型控制型控制型互感互感系数系数 课堂练习课堂练习6、利用差动变压器式位移传感器进行位移测量时，、利用差动变压器式位移传感器进行位移测量时，为辨别物体的移动方向，处理电路中必须有的为辨别物体的移动方向，处理电路中必须有的环节是（测一）环节是（测一）A.滤波滤波B.放大放大C.整流整流D.相敏检波相敏检波6

20、、利用差动变压器式位移传感器进行位移测量时，、利用差动变压器式位移传感器进行位移测量时，为辨别物体的移动方向，处理电路中必须有的为辨别物体的移动方向，处理电路中必须有的环节是环节是D.相敏检波相敏检波26、简述互感式位移传感器的优点。（模拟一）、简述互感式位移传感器的优点。（模拟一）26、简述互感式位移传感器的优点。、简述互感式位移传感器的优点。 差动变压器式电感位移传感器测量精度高，差动变压器式电感位移传感器测量精度高，分辨力可达分辨力可达0.1m,线性范围大，有的能达到线性范围大，有的能达到250mm,稳定性好，使用方便。这种传感器广泛稳定性好，使用方便。这种传感器广泛用于直线位移、角位移

21、以及可转换成位移的其用于直线位移、角位移以及可转换成位移的其他机械量，如压力、重量、膨胀等。他机械量，如压力、重量、膨胀等。电涡流式传感器的工作原理电涡流式传感器的工作原理 块状金属置于变化的磁场中或在磁场中运动时，块状金属置于变化的磁场中或在磁场中运动时，金属体内都要产生感应电流，在金属体内自己金属体内都要产生感应电流，在金属体内自己闭合，所以称之为电涡流或涡流，这种现象称闭合，所以称之为电涡流或涡流，这种现象称为涡流效应。为涡流效应。涡流式位移传感器是利用电涡流效应，将被测涡流式位移传感器是利用电涡流效应，将被测量的变化转换为传感器线圈阻抗量的变化转换为传感器线圈阻抗Z的变化的一种的变化的

22、一种装置。装置。（三）涡流式位移传感器（三）涡流式位移传感器涡流涡流 成块的金属物体成块的金属物体置于变化着的磁场中，置于变化着的磁场中，或者在磁场中运动时，或者在磁场中运动时，在金属导体中会感应在金属导体中会感应出一圈圈自相闭合的出一圈圈自相闭合的电流，这就是涡流。电流，这就是涡流。 涡流的大小与金属体的电阻率涡流的大小与金属体的电阻率、磁导率、磁导率、厚度厚度t t以及线圈与金属体的距离以及线圈与金属体的距离x x、线圈的激励、线圈的激励电流强度电流强度i,i,角频率角频率等有关。如果固定其中某等有关。如果固定其中某些参数，就能由电涡流的大小测量出另外一些些参数，就能由电涡流的大小测量出另

23、外一些参数。参数。 涡流位移涡流位移传感器在金属体上产生的涡流，其渗传感器在金属体上产生的涡流，其渗透深度与传感器线圈的激励电流的频率有关，透深度与传感器线圈的激励电流的频率有关，所以涡流位移传感器主要分为高频反射和低频所以涡流位移传感器主要分为高频反射和低频透射两类，前者应用较广泛。透射两类，前者应用较广泛。（三）涡流式位移传感器（三）涡流式位移传感器Z=F(x) 涡流式位移传感器就是根据上述原理制成的涡流式位移传感器就是根据上述原理制成的当电源频率当电源频率f、线圈激励电流强度、线圈激励电流强度I、线圈尺寸参数、线圈尺寸参数、金属导体的电阻率金属导体的电阻率等参数一定时，等参数一定时，Z是

24、位移是位移x的单值的单值函数。函数。一、一、高频反射式涡流传感器高频反射式涡流传感器 线圈上通交变高频电流线圈上通交变高频电流线圈产生高频交变磁场线圈产生高频交变磁场产生高频交变涡流产生高频交变涡流涡流产生反磁场涡流产生反磁场阻碍线圈电流交换作用阻碍线圈电流交换作用等效于等效于L或阻抗的改变或阻抗的改变二、低频透射式涡流传感器二、低频透射式涡流传感器 这种传感器采用低频激励，因这种传感器采用低频激励，因而有较大的贯穿深度，适合于测量而有较大的贯穿深度，适合于测量金属材料的厚度。金属材料的厚度。传感器包括发射线圈和接收线圈，传感器包括发射线圈和接收线圈，并分别位于被测材料上、下方。由振并分别位于

25、被测材料上、下方。由振荡器产生的低频电压荡器产生的低频电压u1加到发射线圈加到发射线圈L1两端，于是在接收线圈两端，于是在接收线圈L2两端将两端将产生感应电压产生感应电压u2，它的大小与，它的大小与u1的的幅值、频率以及两个线圈的匝数、结幅值、频率以及两个线圈的匝数、结构和两者的相对位置有关。构和两者的相对位置有关。若两线圈间无金属导体，则若两线圈间无金属导体，则L2的磁力能较多穿过的磁力能较多穿过L2，在，在L2上产生的上产生的感应电压感应电压u2最大。最大。若两线圈间设置一个金属板，由于在金属板内产生电涡流，该电涡流若两线圈间设置一个金属板，由于在金属板内产生电涡流，该电涡流消耗了部分能量，使到达线圈消耗了部分能量，使到达线圈L2的磁力线减小，从而引起的磁力线减小，从而引起u2的下降。的下降。 金属板厚度越大，电涡流损耗越大，金属板厚度越大，电涡流损耗越大，u2就越小。图中可见就越小。图中可见u2的大小间的大小间接反映了金属板的厚度。接反映了金属板的厚度。 涡流传感器结构简单，涡流传感器结构简单，使用方便，不受油液等介使用方便，不受油液等介质的影响；质的影响； 易于进行动态非接触测量，灵敏度高，易于进行动态非接触测量，灵敏度高，应用广泛，可测量位移、厚度、振动等应用广泛，可测量