传感器课件 第三章

1、1 电感式传感器是基于电磁感应原理，利用线圈自感或互感的变化来实现非电量测量的一种装置。 被测非电量被测非电量自感系数自感系数L互感系数互感系数MU、I、f2 优点：优点：（1）结构简单，无活动电触点，工作可靠，寿命长，稳定性也较好；（2）灵敏度和分辨率高，能测出0.01m的位移变化；（3）零点稳定，漂移最小可达0.1m；（4）测量精度高，线性度和重复性都比较好；（5）输出阻抗小，抗干扰能力强，输出功率大，一般也有0.15V/mm的输出值，能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制。 缺点：缺点：频率响应较低，不宜快速动态测控，存在交流零位信号等。3.1 电感式传感器（自感）电感式传感器（自感）

2、 3.2 差动变压器式传感器差动变压器式传感器（互感）（互感） 电感式传感器种类很多，根据转换原理的不同可分为自感式和互感式（差动变压器、电涡流）（差动变压器、电涡流）两种，根据结构型式的不同，可分为气隙型和螺管型两种。33.1 电感式传感器 通常所说的电感传感器是自感传感器，而自感的变化又以磁阻变化为主，本节主要讲自感式变磁阻传感器。一、气隙型电感传感器结构和工作原理一、气隙型电感传感器结构和工作原理 二、等效电路二、等效电路 三、变气隙厚度式电感传感器三、变气隙厚度式电感传感器 四、变气隙面积式电感传感器四、变气隙面积式电感传感器 五、螺管插铁型电感传感器五、螺管插铁型电感传感器 六、差动

3、自感传感器六、差动自感传感器七、七、电感式传感器的应用电感式传感器的应用4一、结构和工作原理 F气隙气隙 基本工作原理演示 结构：最基本的闭磁路闭磁路气隙型气隙型自感式自感式变磁阻变磁阻电感传感器，由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁都由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成。电感电感感抗感抗电流电流5由磁路基本知识，线圈的电感值 m2RWL W线圈匝数；Rm磁路的总磁阻 一般空气气隙厚度很小（0.11mm），可以认为气隙磁场是均匀的，空气气隙磁阻 SR02222111FSlSlR导磁体总磁阻第一项为铁芯磁阻，第二项为衔铁磁阻；SSSSlSlRRR00222111Fm22若不考虑磁路的铁损，磁路总

4、磁阻可写为 6ll 磁通通过铁芯的长度(m)；Sl 铁芯横截面积(m2)；1 铁芯材料的导磁率(Hm)l2 磁通通过衔铁的长度(m)；S2 衔铁横截面积(m2)；2 衔铁材料的导磁率(Hm) 气隙厚度(m)；S 气隙横截面积(m2)；0 空气的导磁率(410-7Hm)。SSSSlSlRRR00222111Fm22由于RF R，（ 1、2 0 ），常常忽略RF ，因此，可得线圈电感为 7222002SWSWL （此外，L 还与铁芯导磁率 有关。某些铁磁材料在受到外力作用时，在其内部就产生应力，从而引起导磁率发生变化，这就叫压磁效应。这种传感器叫压磁式传感器。） 工作原理：在铁芯和活动衔铁之间有气

5、隙，气隙厚度为 ， 气隙横截面积为 S。传感器的运动部分与衔铁相连，当衔铁移动时，气隙厚度（或气隙横截面积 S）发生变化，从而使磁路中磁阻变化，导致电感线圈的电感值变化，这样可以籍以判别被测量的位移位移大小。 LRxmLRSxm 当线圈匝数 W 确定后，改变 和S 均可导致电感的变化，因此变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度和变气隙面积两种。8二、等效电路 实际上铁芯线圈不可能呈现为纯电感， L 还包含了线圈的铜损耗电阻 Rc ，铁芯涡流损耗电阻 Re和磁滞损耗电阻Rh ；还存在线圈固有电容和电缆的分布电容，用集中参数 C 表示。电感式传感器可用等效电路表示，它可以用一个复阻抗 Z 来等效。 9三

6、、变气隙厚度式电感传感器 220SWL 当电感传感器线圈匝数 W 和气隙面积 S 一定时，电感量 L 与气隙厚度 成反比，是非线性关系。 设初始气隙为0，初始电感量为 L0 ，衔铁位移引起的气隙变化量为，那么初始电感量为 02002SWL 当衔铁下移时，传感器气隙增大， =0+ ，则电感量减少，0001LLLL电感变化量)(2020SWL10电感量的相对变化为 0000111LL当 1时（很小位移），可将上式展开成级数形式为 3020001LL 当衔铁上移 时，气隙减小，即=0，电感量增大，0000211LL0忽略掉二次项以上的高次项，001LLL1与成线性关系。电感的相对变化量为10002L

7、LLLL11 忽略掉二次项以上的高次项， L2与成线性关系。 由此可见，高次项是造成非线性的主要原因，且L1 和L2 是不相等的。当/0 越小时，则高次项迅速减小，非线性得到改善。这说明了输出特性和测量范围之间存在矛盾，所以，变气隙厚度式电感传感器用于测量微小位移量是比较精确的（测量范围：0.0011mm）。一般实际应用中，取/00.1。 由于0 很小，所以 KL 很大。但非线性误差大，为了减小非线性误差，增加灵敏度，实际测量中广泛采用差动式电感传感器。 3020002LL当 1时，同样展开成级数为 002LL000LLLLK忽略二次以上项后，传感器灵敏度为012四、变气隙面积式电感传感器 气

8、隙厚度保持不变，而改变铁芯与衔铁之间的相对遮盖面积（即气隙磁路截面积）。 02002SWL 设初始时铁芯与衔铁之间的相对遮盖面积（即铁芯横截面积）Sab，a 为截面长度，b 为截面宽度。衔铁的位移量为 x 。则由于衔铁位移而产生的线圈电感变化量为 axLbxWbWxaabWLLL02020200222其电感的相对变化量 axaxLL0（线性）13 变气隙面积式电感传感器的电感变化量（或相对变化量）与输入位移量有线性关系。如图所示是一条直线。实际上，这条直线是有范围的，一旦当 x a 时就不再存在直线关系了。 同时由于漏磁阻的影响，其线性范围也是有限的。 aLxLK0L灵敏度14五、螺管插铁型电

9、感传感器 结构：结构：一个螺管线圈内套入一个活动的柱型衔铁，就构成了螺管型电感传感器。（开磁路） 工作原理：工作原理：螺管型电感传感器是基于线圈激励的磁通路径因活动的柱型衔铁的插入深度不同，其磁阻发生变化，从而使线圈电感量产生了改变。在一定范围内，线圈电感量与衔铁位移量（衔铁插入深度）有对应关系。 与闭磁路相同，都因衔铁位置改变，而使磁阻改变，从而使线圈电感量改变，所以都属自感型。 是开磁路开磁路自感式自感式变磁阻变磁阻电感传感器。 15当 r l 时，可认为螺管内磁场强度是均匀的，线圈总电感为2cr220rrlWL若铁芯长度lc l，则线圈总电感为2ccr2220rllrlWL当铁芯长度lc

10、增加lc （x）时，线圈电感增加Lc2cr220lrlWLr2cccc11rrllllLL电感相对变化量为l 线圈长度r 线圈平均半径W 线圈匝数rc 铁芯半径0 r铁芯磁导率lc铁芯长度16 注意：注意：由于螺管内磁场强度沿轴向并非均匀，因而实际上螺管插铁型传感器的输出特性并非线性。v 变气隙厚度式电感传感器的灵敏度很高，但非线性误差大，量程小，制作难度比较大。常用于微小位移量精密测量。v 变气隙面积式电感传感器的线性度好，其量程较大，但灵敏度较低。常用于角度测量。v 螺管插铁型电感传感器结构简单、便于制作、量程大，但灵敏度低。 crL,rWK其电感灵敏度为2cr220cLrlWlLK 当螺

11、管结构确定后，r，W，l，rc及r 均为定值，而且 lc 实际上为衔铁的位移输入量（x）。可见，螺管插铁型电感传感器的电感量 L 与位移量 x（ lc）成线性关系。17六、差动自感传感器 上述三种单一式的传感器，由于线圈电流的存在，它们的衔铁都受单向电磁力作用，而且易受电源电压和频率的波动及温度变化等外界干扰的影响，因此不适合精密测量。在不少场合，它们的非线性（即使是变面积式传感器，由于磁通边缘效应，实际上也存在非线性）限制了使用。因此绝大多数自感式传感器都采用差动式结构。 利用两只完全对称的单个电感传感器合用一个活动衔铁，这样可构成差动式电感传感器。其结构特点是上、下两个磁体的几何尺寸、材料

12、、电气参数均完全一致。传感器的两只电感线圈接成交流电桥的相邻桥臂，另外两只桥臂由电阻组成，它们构成四臂交流电桥，供桥电源为交流，桥路输出为交流电压。 1. 结构和工作原理结构和工作原理 2. 输出特性输出特性 3. 测量电路测量电路 181.结构和工作原理 以变气隙厚度式差动电感传感器为例： 初始状态时，衔铁位于中间位置，两边空隙相等。因此，两只电感线圈的电感量相等，电桥输出为0，即电桥处于平衡状态。 当衔铁偏离中间位置向上或向下移动时，造成两边气隙不一样，使两只电感线圈的电感量一增一减（变化量相等），电桥不平衡。电桥输出电压的大小与衔铁移动的大小成比例，其相位则与衔铁移动量的方向有关。向下、

13、向上移动同样位移，输出电压幅值相等相位相差180。因此，只要能测量出输出电压的大小和相位，就可以决定衔铁位移的大小和方向。变气隙厚度式差动结构变气隙厚度式差动结构变面积式差动结构变面积式差动结构螺管式差动结构螺管式差动结构192. 输出特性 503000122LLLL02012SWL02022SWL L0为衔铁在中间位置时，单个线圈的电感量。20 差动式电感传感器的非线性在工作范围内要比单个电感传感器小很多，电桥的输出电压大小和衔铁的位移量有关，它的相位则与衔铁移动方向有关。相位相差180。 忽略高次项后得灵敏度00L2LK 比单个线圈的传感器提高一倍。 213. 测量电路 电感传感器的测量电

14、路有交流电桥式、谐振式和调频等几种。电桥式应用最普遍。 (1)交流电桥式测量电路 把差动传感器的两个线圈作电桥的两个桥臂 Zl 和 Z2 ，另外两个相邻的桥臂用纯电阻（Z3R，Z4=R）代替。对于高 Q（品质因数）值（Q=L/R）的差动式线圈传感器，其输出电压 0AC00AC1ACo2jj22LLULLRUZZUUL0衔铁在中间位置时，单个线圈的电感，R0为其损耗； L两线圈电感的变化量。 0ACoUU 电桥输出电压与位移有关，越大，幅值越大；衔铁移动方向相反，相位相差180 。 22当衔铁处于中间位置时，即Z1Z2Z，此时 ，电桥平衡。当衔铁下移时， Z 1ZZ，Z2ZZ桥路输出电压 当衔铁

15、上移同样大小的距离时， Z1ZZ ，Z2ZZ(2)变压器式交流电桥 电桥两臂Z1和Z2为传感器线圈阻抗，另外两臂为交流变压器次级线圈的1/2阻抗（两个次级线圈的阻抗）。 设负载阻抗为无穷大，0oU 衔铁上、下移动同样位移时，输出电压大小相等，但方向相反，（也就是说幅值相等，相位相差180）。ZZEU2oZZEU2o23 由于 是交流电压，所以输出电压在输入到指示器前必须先进行整流、滤波。 当使用无相位鉴别的整流器时，输出电压无法辨别位移方向（如图a） ，且存在零点残余电压。 若采用相敏检波器就可鉴别出输出电压的极性随位移方向变化而变化（也就是说可以鉴别位移方向），同时还可消除残余电压（如图b）

16、。 E 残余电压是由两线圈损耗电阻不平衡所引起的。24七、电感式传感器的应用（差动） 电感式传感器一般用于接触式位移测量，可精密测量内径、外径、不平行度、粗糙度、不垂直度、振摆、偏心和圆度等；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；也可以用于振动、压力、荷重、流量、液位等参数测量。旋转盘测量头1. 电感式圆度仪 （不圆度仪） 25 传感器3与精密主轴2一起回转，主轴2精度很高，在理想情况下可认为它回转运动的轨迹是“真圆”。当被测件有圆度误差时，必定相对“真圆”产生径向偏差，该偏差值被传感器感受并转换成电信号。 载有被测件半径偏差信息的电信号，经放大、相敏检波、滤

17、波、AD转换送入计算机处理，最后用数字显示出圆度误差，或用记录器记录下被测件的轮廓图形（径向偏差）。 1被测工件；被测工件；2 精密主轴；精密主轴；3 传感器；传感器；4 工作台工作台 262. 磨床磨加工连续表面主动测量仪 上、下测量杠杆3和8上的两个量端2和1在弹簧4作用下同时在工件孔的直径方向上进行测量，将测得的尺寸变化传递给传感器6，油缸5通过活塞顶动支块7使两量端2和1产生收拢和张开动作，防止测量装置在进出测位时量端与工件相碰。 在实际的测量仪中，测量杠杆3、8之间的距离是可调的，从而适应不同尺寸的测量。 配以前面所讲的测量电路，就可以得到相应位移所对应的电压，从而驱动显示仪表。再配

18、以后处理电路，可以发出粗磨、精磨、光磨和尺寸到四个控制信号，从而对内圆或外圆连续表面磨加工进行主动测量和自动控制，适应于大批量生产。1、2量端；量端；3、8 测量杠杆；测量杠杆；4-弹簧弹簧 5油缸；油缸；6差动电感传感器；差动电感传感器；7 工作台工作台 273. 直线度及平面度测量系统 传感器固定在数控铣床的主轴上，测量直线度时，使数控铣床沿被测直线运动，定距离地对直线上的点进行采样，从而计算出直线的直线度；测量平面度时，使数控铣床沿一定的网格进行运动，并在网格点上进行采样，通过计算可得被测平面的平面度。 直线度及平整度测量电路方块图直线度及平整度测量电路方块图直线度及平整度测量示意图直线

19、度及平整度测量示意图284.电感式滚柱直径分选装置 轴向式电感测微器轴向式电感测微器轴承圆柱滚子轴承圆柱滚子11引线电缆引线电缆22固定磁固定磁33衔铁衔铁44线圈线圈55测力弹簧测力弹簧66防转销防转销77钢球导轨（直线轴承）钢球导轨（直线轴承）88测杆测杆99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 2911气缸气缸 22活塞活塞 33推杆推杆 44被测滚柱被测滚柱 55落料管落料管 66电感测微器电感测微器77钨钢测头钨钢测头 88限位挡板限位挡板 99电磁翻板电磁翻板 1010容器（料斗）容器（料斗） 30落料振动台落料振动台滑道滑道1111个分选仓位个

20、分选仓位废料仓废料仓3111标准靠模样板标准靠模样板 22测端（靠模轮）测端（靠模轮） 33电感测微器电感测微器 44铣刀龙门框架铣刀龙门框架 55立柱立柱 66伺服电动机伺服电动机 77铣刀铣刀 88毛坯毛坯仿形头仿形头主主轴轴仿形铣床仿形铣床5.电感传感器在仿形机床中的应用 323.2 差动变压器式传感器差动变压器式传感器图片差动变压器式传感器图片一、结构与工作原理一、结构与工作原理 二、等效电路二、等效电路三、测量电路三、测量电路四、差动变压器的应用四、差动变压器的应用 前面介绍的电感式传感器是基于将电感线圈的自感自感变化代替被测量的变化，本节及下节介绍的差动变压器式传感器和电涡流传感器

21、则是把被测量的变化转换为互感互感的变化，是互感式传感器。 差动变压器式传感器初级线圈输入交流电压，次级线圈则互感应出电势。因其原理类似于变压器，所以称为变压器式传感器，也分为闭磁闭磁路路和开磁路开磁路两种。 由于变压器的次级线圈常接成差动形式，故这类传感器常称为差动变压器式传感器。（一般称为差动变压器差动变压器） 33差动变压器式位移传感器差动变压器式位移传感器 旋转差动变压器传感器旋转差动变压器传感器 34一、结构与工作原理 差动变压器也有变气隙厚度变气隙厚度式、变气隙面积变气隙面积式与螺管式螺管式三种类型。图（a）、（b）、（c）为变气隙厚度式，灵敏度较高，但测量范围小，一般用于测量几到几

22、百m的位移；图（d）、（e）为变气隙面积式，除图示E型与四极型外，还常做成八极，十六极型，一般可分辨零点几角秒以下的微小角位移，线性范围达10;图（f）为螺管式。 差动变压器结构形式较多，但其工作原理基本一样。（a）（）（b）（）（c）变气隙厚度式）变气隙厚度式（d）（）（e）变气隙变面积式）变气隙变面积式 （f）螺管式）螺管式35 以螺管型差动变压器为例。它可以测量1100mm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，因此也被广泛用于非电量的测量。 由初级线圈P、两个次级线圈 Sl 、S2 和插入线圈中央的圆柱形铁芯b 组成，结构形式又有三段式和两段式等之分。 次级线

23、圈 Sl 和 S2 反极性串联反极性串联。当初级线圈P 加上某一频率的正弦交流电压 后，次级线圈产生感应电压为 和 ，它们的大小与铁芯在线圈内的位置有关。 和 反极性连接便得到输出电压 。 PE1SE2SE（a）三段式）三段式 （b）二段式）二段式电气连接线路图电气连接线路图1SE2SE2S1SSEEE36铁芯偏离中心位置时，输出电压 ，铁芯越偏离中心位置， 幅值越大；铁芯向上或向下，偏离同样位移， 幅值相等，但相位相差180。当铁芯位于线圈中心位置时， 当铁芯向上移动时，M1 增大，M2 减小；当铁芯向下移动时，M1减小，M2增大。 ,2S1SEE02S1SSEEE2S1SEE1S2SEE0

24、SESESESE37 实际上，铁芯位于中心位置，输出电压并不是零电位，而是E0， E0被称为零点残余电压。 E0产生的原因很多：差动变压器本身制作上的问题（材料、工艺差异）；导磁体靠近的安装位移；铁芯长度；激磁频率的高低等。零点残余电压的基波相位与ES差90 ，另外零点残余电压还有以二次、三次为主的谐波成分。在实际使用时，必须设法减小 E0 ，否则将会影响传感器测量结果。 38二、等效电路 如果不考虑差动变压器的涡流损耗、铁芯损耗和寄生（耦合）电容等，得出差动变压器的等效电路。 LP、RP初级线圈电感和有效电阻； 初级线圈激励电压、电流； 两个次级线圈感应电压； 输出电压； M1、M2初级线圈

25、与两次级线圈间的互感系数。 LS1、LS2两次级线圈的电感； RS1、RS2两次级线圈的损耗电阻；激励电压的频率。 当次级开路时，初级线圈的交流电流为 PpPpj LREIPPIE、SE次级线圈感应电势为 p11SjIMEp22SjIME2S1SEE、39差动变压器输出电压为 PPP212S1SSjjLREMMEEE输出电压的有效值为 下面分三种情况进行分析： 铁芯处于中间平衡位置时， M1 = M2 = M ， ES = 0； 铁芯上升时， M1=M+M，M2=MM 2P2PP21SLREMME2P2PPS2LRMEE与 同相1SEMMEMMLRMEE0S2P2PPS222P2PPS2LRM

26、EE 铁芯下降时， M1=MM，M2=M+M 输出电压还可统一写成ES0 为铁芯处于中心平衡位置时单个次级线圈的感应电压与 同相2SE40三、测量电路 差动变压器输出的是交流电压，若用交流模拟、数字电压表测量，只能反映铁芯位移的大小，不能反映移动方向。另外，其测量值必定含有零点残余电压。为了达到能辨别移动方向和消除零点残余电压的目的，实际测量时，常常采用下面介绍的两种测量电路：相敏检波电路和差动整流电路。 差动半桥交流电桥差动半桥交流电桥1. 二极管相敏检波电路41 上图为原理电路，差动变压器的两个次级线圈（或差动电感传感器的两个线圈以及差动电容等阻抗）L1和L2阻抗分别为Z1与 Z2，作为交

27、流电桥相邻的两个桥臂；两个阻抗相同的Z3与Z4（也可为纯电阻）作为交流电桥的另外两个桥臀； D1、D2、D3、D4四只型号特性相同的二极管构成相敏整流器，插入电桥中间；输入电压加在A、B 两点；输出电压从C、D 两点输出；指示仪表为零刻度居中的直流电压表或直流数字电压表。 42 右图为实际电路。在实际电路中，L1 与L2 间串接电位器 RP1 以作调节零位用；二极管中串联四个线绕电阻R1、R2 、R3、R4以减少温度变化引起相敏整流器特性变化而造成的误差；C3为滤波电容；RP2是平衡电位器；电桥输入电压由变压器次级供给；初级采用磁饱和稳压器R5 和C4 ；SD为电源指示灯。 开始时，当衔铁处于

28、中间位置，即传感器未作测量前，Z1 = Z2 = Z，电桥理论上处于平衡，D点电位等于点电位等于C点电位点电位，即Uo = UCD = 0。43C 点电位由于Z1 的增大而比平衡时降低；在AFDB 支路中，D点的电位由于Z2 的减小而比平衡时增高，所以得到D点的电位高于点的电位高于C点的电位点的电位。设这时直流电压表指针向左（正向）偏转。衔铁向上位移越大，D、C 两点电位差越大电压表指针向左（正向）偏转越大。 当衔铁向上位移向上位移，使两个线圈的阻抗发生变化，Z1ZZ，Z2 ZZ。v 输入交流电压为正半周正半周时，A点电位高，B点电位低，二极管D1、D4导通，D2 、D3 截止。在AECB支路

29、中，v 输入交流电压为负半周负半周时，A点电位低，B点电位高，二极管D2、D3 导通，D1、D4截止。在BCFA支路中，C点的电位由于 Z2 的减小而比平衡时降低；而BDEA支路中，D点的相位由于Z1 的增加而比平衡时增高。所以仍然是D点的电位高于点的电位高于C点的电位点的电位，直流电压表指针仍然向左（正向）偏转。衔铁向上位移越大，D、C 两点电位差越大电压表指针向左（正向）偏转越大。44 这就是说，只要是衔铁向上位移，不论输入电压是正半周还是负半周，D点的电位总是高于C点的电位，直流电压表总是正向偏转，设此时输出电压为正。 从上述分析可知，这种桥式电路中二极管D1、D4和D2、D3的导通和截

30、止是由输入电压（即A、B两点的电位）所决定的。输入电压为正半周时D1、D4导通，D2、D3截止；输入电压为负半周时Dl 、D4截止，D2、D3导通。这就是相敏整流，即四只整流二极管的导通和截止是受输入电压的极性（相位）来控制的。由D1、D2、D3、D4四只二极管组成的全波整流电路即为相敏整流器。 同理可以分析得出：当衔铁向下位移向下位移时，不论输入电压是正半周还是负半周，C点的电位总是高于点的电位总是高于D点的电位点的电位，直流电压表总是向右（反向）偏转，输出电压总是负的。衔铁向下位移越大，C、D两点电位差越大，电压表指针向右（反向）偏转越大。45 由此可见，采用带相敏整流器的交流电桥，所得到

31、的输出信号既能反映位移大小(电压数值)，也能反映位移的方向(电压的极性)，因此可得如右图所示的输出特性。 并且还可以看到，带相敏整流器的交流电桥能更好地消除零点残余电压(因为，输出信号从负到正总要通过零点)。 46v 集成化的相敏检波电路 随着集成电路技术的发展，相继出现各种性能的集成电路的相敏检波器，例如LZXl 单片相敏检波电路，为全波相敏检波放大器，它与差动变压器的连接如图所示。相敏检波电路要求参考电压和差动变压器次级输出电压同频率，相位相同或相反，因此，需要在线路中接入移相电路。如果位移量很小，差动变压器输出端还要接入放大器，将放大后的信号输入到LZXl 的输入端。 通过LZXl全波相敏检波输出的信号，还须经过低通滤波器，滤去调制时引入的高频信号，只让与 x 位移信号对应的直流电压信号通过。472. 差动整流电路 这种电路是把差动变压器的两个次级电压分别整流，然后将它们整流的电压或