第四章 电感式传感器2

1、 主要内容：主要内容： 4.14.1变磁阻式电感传感器变磁阻式电感传感器 4.24.2差动变压器式电感传感器差动变压器式电感传感器 4.34.3电涡流式传感器电涡流式传感器 各种电感式传感器各种电感式传感器接近式传接近式传器器电感式传感器电感式传感器 v 只要改变气隙厚只要改变气隙厚 度或气隙截面积度或气隙截面积 就可以改变电感。就可以改变电感。wLII2mmIwwLRR 根据电感的定义：根据电感的定义：121122002mllRAAA002mRu A100112lu Au A200222lu Au A22002mwAwLR22002mwAwLR衔铁位移衔铁位移引起的电感变化为：引起的电感变化

2、为：电感初始气隙电感初始气隙0 0处初始电感量为处初始电感量为L L0 0 200002WAL20020000000022()(1)1WAWALLLL 20020000000022()(1)(1)wAwALLLL /小于小于1 1时，时，用泰勒级数展开用泰勒级数展开 2300000001()()1LLLLL 23000001()()LL 衔铁衔铁上移时上移时 （增加增加）衔铁衔铁下移时（减小下移时（减小） 23000001()()LL对上式作线性处理忽略高次项时对上式作线性处理忽略高次项时: :00LL000011LLku 定义灵敏度定义灵敏度 衔铁衔铁下移时（减小下移时（减小） 223000

3、00001()()()LL22300000001()()()LL衔铁衔铁上移时上移时 （增加（增加）2000() 100%100%Lr0001LLk0LL0L0+L0L0L02002wAL 对上式进行线性处理并忽略高次项：对上式进行线性处理并忽略高次项： v 差动式灵敏度为：差动式灵敏度为： 002LL0000212LLK2412000021()()LLLL 电感的变化为：电感的变化为：差动式的两个电感结构差动式的两个电感结构两个桥臂由相同线圈组成，另外两个为平衡电阻两个桥臂由相同线圈组成，另外两个为平衡电阻 等效电路等效电路1ZZZ因因000222ACACACUUUZRjLLUZRj LL

4、输出电压为输出电压为： 可见电桥输出电压可见电桥输出电压U U0 0与气隙变量与气隙变量有关有关 002LL00()ACUU代入代入 电桥输出为：电桥输出为：2ZZZ34ZZR142301234()()ACZ ZZ ZUUZZZZ 电桥的两臂是传感器线圈电桥的两臂是传感器线圈阻抗臂、另外两个臂是交流阻抗臂、另外两个臂是交流变压器次级线圈各占变压器次级线圈各占1212，交流供电。交流供电。 桥路输出电压为：桥路输出电压为：1201121222ZZUUUUZZZZZu衔铁上下移动相同距离时，输出电压大小相等方衔铁上下移动相同距离时，输出电压大小相等方 向相差向相差180，要判断衔铁方向就是判断信号

5、相位。，要判断衔铁方向就是判断信号相位。 当衔铁在中间位置当衔铁在中间位置 Z1=Z2=Z U0=0 022UZULUZL当衔铁偏移时输出电压当衔铁偏移时输出电压02ULUL 当衔铁偏向另一方向当衔铁偏向另一方向1201121222ZZUUUUZZZZZ 特点：此电路灵敏度很高， 但线性差，适用于线性度要求不高的场合。 位移测量位移测量自感式传感器有如下几个特点：自感式传感器有如下几个特点： 灵敏度比较好，目前可测灵敏度比较好，目前可测0.1m0.1m的直线位移，输的直线位移，输出出 信号比较大、信噪比较好；信号比较大、信噪比较好； 测量范围比较小，适用于测量较小位移；测量范围比较小，适用于测

6、量较小位移； 存在非线性；存在非线性； 消耗功率较大，尤其是单极式电感传感器，这是消耗功率较大，尤其是单极式电感传感器，这是由于它有较大的电磁吸力的缘故；由于它有较大的电磁吸力的缘故； 工艺要求不高，加工容易。工艺要求不高，加工容易。传感器测量电桥放大器相敏检波滤波器振荡器输出v 把被测的非电量变化转换成为把被测的非电量变化转换成为 线圈互感量的变化的传感器称为线圈互感量的变化的传感器称为互感式传感器。互感式传感器。 这种传感器根据变压器的基本这种传感器根据变压器的基本 原理制成，并将次级线圈绕组用原理制成，并将次级线圈绕组用 差动形式连接。差动形式连接。 差动变压器的结构形式较多，差动变压器

7、的结构形式较多， 应用最多的是螺线管式差动变压应用最多的是螺线管式差动变压 器。它可测量器。它可测量1 1100mm100mm范围内的范围内的 机械位移。机械位移。次次 级级次次 级级骨架骨架初初 级级衔衔 铁铁次次 级级次次 级级初初 级级 等效电路：等效电路： 两个次级线圈必须反相串联接，保证差动形式。两个次级线圈必须反相串联接，保证差动形式。 如果线圈完全对称并且衔铁处于中间位置时两线圈如果线圈完全对称并且衔铁处于中间位置时两线圈 互感系数相等互感系数相等 电动势相等电动势相等 12MM22abEE0220abUEE差动输出电压为零：差动输出电压为零：当衔铁上下移动时，输出电压随衔铁位移

8、变化。当衔铁上下移动时，输出电压随衔铁位移变化。12MM 若衔铁上移若衔铁上移 21MM 若衔铁下移若衔铁下移 022abUEE差动变压器等效电路如图所示差动变压器等效电路如图所示：R1 L1：初级线圈的电感和有效电阻：初级线圈的电感和有效电阻M1 M2：初级线圈与两次级线圈的互感系数：初级线圈与两次级线圈的互感系数U I1：初级线圈激励电压和电流：初级线圈激励电压和电流U0：输出电压：输出电压初级线圈的交流电流初级线圈的交流电流：111UIrjL由此得到输出电压有效值为由此得到输出电压有效值为 ：12022221111()2()()U MMUMUrLrL v 可见输出电压与互感的差值有关可见

9、输出电压与互感的差值有关21 1aEj M I 22 1bEj M I 根据电磁感应定律，次级感应电动势分别为根据电磁感应定律，次级感应电动势分别为0221 11 11211()abUEEj M Ij M IjMMUrj L 111UIrj L02211122()MUMUUrrL 02211122()MUMUULrLv 由于两个次级线圈绕组电由于两个次级线圈绕组电气系数气系数 （M M互感互感 L L电感电感 R R内内阻）不同，几何尺寸工艺上阻）不同，几何尺寸工艺上很难保证完全相同。实际的很难保证完全相同。实际的特性曲线，在零点上总有一特性曲线，在零点上总有一个最小的输出电压，这个铁个最小的

10、输出电压，这个铁芯处于中间位置时最小不为芯处于中间位置时最小不为零的电压称为零点残余电压零的电压称为零点残余电压。 差动变压器输出电压和差动变压器输出电压和位移的关系位移的关系 相敏检测电路相敏检测电路 差动整流电路差动整流电路(a)、 (b)适用于交流高阻抗负载(c)、(d)适用于低阻抗负载电阻R0用于调整零点残余电压。 差动变压器输出交流信号。为正确反映衔铁位移差动变压器输出交流信号。为正确反映衔铁位移 大小和方向，常采用差动整流电路和相敏检波电路。大小和方向，常采用差动整流电路和相敏检波电路。 （1 1）差动整流电路）差动整流电路 ，输入一交流信号时输入一交流信号时U0222012220

11、1(2)2(2)2LLLLLLLLR UR UuRn RRRR UR UuRn RRR a)相敏检波电路原理图；b)us、u2为正半周时等 效电路；c) us、u2为负半周时等 效电路 (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v 输出正负电压的结果由相敏检波后反行程旋转输出正负电压的结果由相敏检波后反行程旋转 由由，工作曲线为过零点的直线。，工作曲线为过零点的直线。 相敏检波前后输出特性相敏检波前后输出特性传感器辨向解调放大器滤波器振荡器输出差动变压器结构形式差动变压器结构形式 差动变压器传感

12、器的应用差动变压器传感器的应用 差动变压器式传感器可直接用于位移测量，差动变压器式传感器可直接用于位移测量， 也可以用来测量与位移有关的任何机械量，也可以用来测量与位移有关的任何机械量， 如振动，加速度，应变等等。如振动，加速度，应变等等。 （1）压差计）压差计 当压差变化时，腔内当压差变化时，腔内 膜片位移使差动变压器次膜片位移使差动变压器次 级电压发生变化，输出与级电压发生变化，输出与 位移成正比，与压差成正位移成正比，与压差成正 比。比。 沉筒式液位计将水沉筒式液位计将水位位变化转换成位移变化，再转变化转换成位移变化，再转换为电感的变化，差动变压换为电感的变化，差动变压器的输出反映液位高

13、低。器的输出反映液位高低。高频反射式涡流传感器：高频反射式涡流传感器：当高频信号施加于电感线圈上时，由于趋肤效应，高当高频信号施加于电感线圈上时，由于趋肤效应，高频电磁场不能透过具有一定厚度的金属板，而仅作用频电磁场不能透过具有一定厚度的金属板，而仅作用于表面的薄层内于表面的薄层内。hfhf1 11 121R Ij L Ij MIU122220j MIR Ij L I112222121222222222()()UIMMRRjLLRLRL2222112122 222 212222eqeqUMMZRRjLRj LIRLRL22212222()eqM LLLRL22212222()eqM RRRRL

14、222212022221211eqeqLMLLZQQRMRRZ22222()ZRL2222112122222212222UMMZRRjLIRLRL( , ,)Zfd 检测深度的控制：检测深度的控制：由于存在集肤效应，电涡流只能检测导由于存在集肤效应，电涡流只能检测导体表面的各种物理参数。改变激励源频率体表面的各种物理参数。改变激励源频率 ，可控制检测深度。，可控制检测深度。 间距间距x的测量：的测量：如果固定其他因素不变，仅改变间距如果固定其他因素不变，仅改变间距x，电电涡流线圈的阻抗涡流线圈的阻抗Z就成为间距就成为间距x的单值函数，可用于非接触测量的单值函数，可用于非接触测量距离或位移。距离或位移。 多种用途：多种用途：可以用来检测与表面电导率可以用来检测与表面电导率 有关的表面温度、表有关的表面温度、表面裂纹等参数，或者用来检测与材料磁导率面裂纹等参数，或者用来检测与材料磁导率 有关的材料型号、有关的材料型号、表面硬度等参数。表面硬度等参数。 金属金属扁平线圈扁平线圈涡流区涡流区r/ras1h