车辆检测技术——电感式传感器

1、第三章 电感式传感器第一节 变磁阻式传感器电感式传感器是利用电磁感应原理将被测非电量如位移、压力、流量、振动等转换成 线圈自感量 L 或互感量 M 的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出的一种传 感器。由铁心和线圈构成的将直线或角位移的变化转换为线圈电感量变化的传感器， 又称电 感式位移传感器。 这种传感器的线圈匝数和材料导磁系数都是一定的， 其电感量的变化是由 于位移输入量导致线圈磁路的几何尺寸变化而引起的。 当把线圈接入测量电路并接通激励电 源时，就可获得正比于位移输入量的电压或电流输出。根据工作原理的不同，电感式传感器可分为变磁阻式传感器、变压器式传感器和电涡 流式传感器等种类

2、。电感式传感器有以下特点：1 工作可靠，寿命长；2灵敏度高，分辨率高（位移变化0.01 m，角度变化0.1''）;3 测量精度高，线性好 （非线性误差可达 0.05%-0.1%）；4 性能稳定，重复性好。电感式传感器的主要缺点是灵敏度、线性度和测量范围相互制约,存在交流零位信号，传感器自身频率响应低， 不适用于高频动态测量。 电感式传感器主要用于位移测量和可以转 换成位移变化的机械量（如力、张力、压力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液 位、比重、转矩等）的测量。这种传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制，在 工业自动控制系统中被广泛采用。 在实际应用中， 这三种

3、传感器多制成差动式， 以便提高线 性度和减小电磁吸力所造成的附加误差。带有模拟输出的电感式接近传感器是一种测量式控制位置偏差的电子信号发生器，其用途非常广泛。 例如：可测量弯曲和偏移； 可测量振荡的振幅高度； 可控制尺寸的稳定性； 可控制定位； 可控制对中心率或偏心率。 当金属物体接近模拟传感器的感应面时使模拟 传感器 LC 振荡量衰减，利用这一点的变化量，转换为电流输出量，输出电流的大小直 接和金属物体与模拟传感器感应面之间距离远近成正比例关系。电感传感器还可用作磁敏速度开关、齿轮齿条测速等，该类传感器广泛应用于纺织、 化纤、机床、机械、冶金、机车汽车等行业的链轮齿轮速度检测，链输送带的速度

4、和距离检 测，齿轮齿条计数转速表及车辆防护系统的控制等。 另外该类传感器还可用在给料管理系统 中小物体检测、物体喷出控制、断线监测、小零件区分、厚度检测和位置控制等。变磁阻式传感器是将位移、转速、加速度等非电物理量转换为磁阻变化的传感器。工作原理变磁阻式传感器的原理结构如图3-1所示。它由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成，在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为3,传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度3发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。世苦*铁芯” 3恢

5、74;Ml - 1恋盛瞅诧传昭4W图3-1变磁阻式传感器1线圈2铁心（定铁心）3 衔铁（动铁心）根据电感定义，线圈中电感量可由下式确定(3-1)式中：线圈总磁链；I通过线圈的电流； N线圈的匝数； 一穿过线圈的磁通。由磁路欧姆定律，得IN(3-2)Rm(3-3)式中：Rm磁路总磁阻。对于变隙式传感器，因为气隙很小，所以可以认为气隙中的磁场是 均匀的。若忽略磁路磁损，则磁路总磁阻为：式中：口 1 铁芯材料的导磁率;口 2 衔铁材料的导磁率；L1 磁通通过铁芯的长度;L2磁通通过衔铁的长度；S1铁心的截面积；S2衔铁的截面积；口 0空气的导磁率；So气隙的截面积；3 气隙的厚度；L11S1L22S

6、220S02o SoLii Si2oSo;L22S2则式(3-3)可近似为：联立式(3-1)，式(3-2)及式(3-4)，可得：Km2oSo(3-4)LN2N2oSoRm2(3-5)上式表明，当线圈匝数为常数时，电感L仅仅是磁路中磁阻 Rm的函数，只要改变3或So均可导致电感变化，因此变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度3的传感器和变气隙面积S o的传感器。使用最广泛的是变气隙厚度3式电感传感器。输出特性设电感传感器初始气隙为3 o,初始电感量为Lo,衔铁位移引起的气隙变化量为厶3 ,从式(3-5)可知，L与3之间是非线性关系，特性曲线如图 (3-2)表示.图3-2变隙式电感传感器的 L 3特性初

7、始电感量为：Lo0S0N(3-6)=3 o-A3，则此时输出电感为L=Lo+当衔铁上移A3时，传感器气隙减小A3,即3 L,代入式(3-5)并整理，得：L L0N2L2( 00 S0r 1Lo(3-7)(3-8)由上式可求得电感增量厶L和相对增量 L/ Lo的表达式,即:L L0-1 () ()20 0 0(3-9)L L00()20(3-10)当衔铁上移A3时，传感器气隙减小A3, L,代入式(36)式并整理，得：=3 0- 则此时输出电感为L=L 0+L01 ()()20()30(3-11)LL0-10()20()30(3-12)对式(3-10)、(3-12)作线性处理，忽略高次项,可得:

8、L L00当逹o<<1时，可将上式用泰勒级数展开成级数形式为:L L0 LL°1( )()2()30 0 0_LK。“0(3-13)灵敏度:所以变隙式电实际测量中广泛采用由此可见，变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾, 感式传感器用于测量微小位移时是比较精确的。 为了减小非线性误差, 差动变隙式电感传感器。11 铁 芯2 线圈3 衔铁图3-3差动变隙式电感传感器的结构原理1-铁芯，2-线圈，3-衔铁图3-3所示为差动变隙式电感传感器的原理结构图。由图可知，差动变隙式电感传感器由两个相同的电感线圈i、n和磁路组成，测量时，衔铁通过导杆与被测位移量相连，当被测体

9、上下移动时，导杆带动衔铁也以相同的位移上下移动，使两个磁回路中磁阻发生大小相等，方向相反的变化，导致一个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减小，形成差动形 式。当衔铁往上移动时，两个线圈的电感变化量L1.A L2分别由式（3 9）及式（311）表示，按差动使用时，两个电感线圈接成交流电桥的相邻桥臂，另两个桥臂由电阻组 成，电桥输出电压与A L有关，其具体表达式为：Ll_11_221_0 12() ()00 0对上式进行线性处理，忽略高次项得：L2L0 0(3-14)比较单线圈和差动两种变间隙式电感传感器的特性，可以得到如下结论差动式比单线圈式的灵敏度高一倍。差动式的非线性项等于单线圈非线性项

10、乘以（AS逹0）因子，因为(AS / S 0)<<1 ,所以差动式的线性度得到明显改善。为了使输出特性能得到有效改善，构成差动的两个变隙式电感传感器在结构尺寸、材料、电气参数等方面均应完全一致。三变磁阻式传感器的应用图3-4所示是变隙电感式压力传感器的结构图。它由膜盒、铁芯、衔铁及线圈等组成, 衔铁与膜盒的上端连在一起。S13 £3亜讪 邑赢攻伟!或岀古杓EB图3-4变隙电感式传感器结构图当压力进入膜盒时，膜盒的顶端在压力 于是衔铁也发生移动， 从而使气隙发生变化， 示值就反映了被测压力的大小。图3-5所示为变隙式差动电感压力传感器, 组成。P的作用下产生与压力 P大小成

11、正比的位移。 流过线圈的电流也发生相应的变化，电流表指它主要由C形弹簧管、衔铁、铁芯和线圈等图 9变顒式羞动电感压力传感希图3-5变隙式差动电感压力传感器当被测压力进入 C形弹簧管时，C形弹簧管产生变形，其自由端发生位移带动与自由端连接成一体的衔铁运动，使线圈1和线圈2中的电感发生大小相等、 符号相反的变化，即一个电感量增大，另一个电感量减小。 电感的这种变化通过电桥电路转换成电压输出。由于输出电压与被测压力之间成比例关系，所以只要用检测仪表测量出输出电压，即可得知被测压力的大小。第二节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量变化的传感器称为互感式传感器。这种传感器是根据变压器的基

12、本原理制成的， 并且次级绕组都用差动形式连接， 故称差动变压器式传感 器。差动变压器结构形式较多，有变隙式、变面积式和螺线管式等，但其工作原理基本一样。非电量测量中，应用最多的是螺线管式差动变压器，它可以测量1100mm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。工作原理螺线管式差动变压器结构如图3-6所示，它由初级线圈，两个次级线圈和插入线圈中央的圆柱形铁芯等组成。111 r 1r L.Q因11区1 «£廿碎夕卜九 3 廿畑！I 4EE4匝数为Ni的初誓TK? ，的初辍统SH4 SEE败曲 f 的枚细統 图3-6螺线管式差动变压器结构圍活动衔铁

13、；2导磁外壳；3 骨架;级线圈；5匝数为N2a的次级线圈;6匝数为N2b的次级线圈螺线管式差动变压器按线圈绕组排列的方式不同可分为一节、二节、三节、四节和五节式等类型，如图3-7所示。一节式灵敏度高，三节式零点残余电压较小，通常采用的是二节 式和三节式两类。XXXX1 1Xxxxx乂女IX丈K谢4-1：规區楼列方式O）-咄式I （b）二书弍F ®芭节氏|血 旧曲式I W五节式图3-7线圈排列方式（a） 节式 （b）二节式 （C）三节式（d）四节式（e）五节式差动变压器式传感器中两个次级线圈反向串联，并且在忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下，其等效电路如图3-8所示。当初级

14、绕组 Ni加以激励电压Ui时，根据变压器的工作原理，在两个次级绕组N2a和N2b中便会产生感应电势E2a和E2b。如果工艺上保证变压器结构完全对称，则当活动衔铁处于初始平衡位置时，必然会使两互感系数Mi=M2。根据电磁感应原理，将有E2a=E2b。由于变压器两次级绕组反向串联，因而U2 = E2a-E2b=0，即差动变压器输出电压为零。4 - 12 塗勒3EEE將鲂效L包路图3-8差动变压器等效电路活动衔铁向上移动时，由于磁阻的影响，N2a中磁通将大于 N2b中磁通，使M1>M2，因而E2a增加，而 E2b减小。反之， E2b增加，E2a减小。因为 U2=E2a-E2b=0，所以当 E2

15、a、E2b 随着衔铁位移x变化时，U2也必将随x变化。图3-9给出了变压器输出电压U2与活动衔铁位移x的关系曲线。实际上，当衔铁位于中心位置时，差动变压器输出电压并不等于零，我 们把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压，记作Ux。它的存在使传感器的输出特性不过零点，造成实际特性与理论特性不完全一致。13 卷勖盘綽的輪出电出待性屮I绒零点残余电压主要是由传感器的两次级绕组的电气参数与几何尺寸不对称，以及磁性 材料的非线性等问题引起的。零点残余电压的波形十分复杂，主要由基波和高次谐波组成。 基波产生的主要原因是： 传感器的两次级绕组的电气参数和几何尺寸不对称，导致它们产生的感应电势的幅值不等、 相位不同，因此不论怎样调整衔铁位置，两线圈中感应电势都不能完全抵消。高次谐波中起主要作用的是三次谐波，产生的原因是由于磁性材料磁化曲线的非线性（磁饱和、磁滞）。零点残余电压一般在几十毫伏以下，在实际使用时，应设法减小Ux,否则将会影响传感器的测量结果。基本特性差动变压器等效电路如图3-8所示。当次级开路时有IlUirij Li(3-15)Ii初级线圈激励电流;式中：3激励电压 Ui的角频率；U1初级线圈激励电压;ri、Li初级线圈直流电阻和电感。根据电磁感应定律，次级绕组中感应电势的表达式分别为：E2aj Mill.E2bj M 2 I 1由于次级