第3章_电感式传感器

1、第第3 3章章 电感式传感器电感式传感器 3.1 3.1 自感式传感器自感式传感器 3.2 3.2 变压器式传感器变压器式传感器 3.3 3.3 涡流式传感器涡流式传感器 本章要点本章要点下页下页返回返回 电感式传感器是利用线圈自感或互感的变化来实现测量电感式传感器是利用线圈自感或互感的变化来实现测量的一种装置。可以用来测量位移、振动、压力、流量、重量、的一种装置。可以用来测量位移、振动、压力、流量、重量、力矩、应变等多种物理量。力矩、应变等多种物理量。 电感式传感器的核心部分是可变自感或可变互感，在被电感式传感器的核心部分是可变自感或可变互感，在被测量转换成线圈自感或互感的变化时。一般要利用

2、磁场作为测量转换成线圈自感或互感的变化时。一般要利用磁场作为媒介或利用铁磁体的某些现象。这类传感器的主要特征是具媒介或利用铁磁体的某些现象。这类传感器的主要特征是具有线圈绕组。有线圈绕组。3.1 3.1 自感式传感器自感式传感器 |3.1.1 3.1.1 自感式传感器的工作原理自感式传感器的工作原理|3.1.2 3.1.2 自感计算及特性分析自感计算及特性分析|3.1.3 3.1.3 等效电路等效电路|3.1.4 3.1.4 转换电路转换电路|3.1.5 3.1.5 零点残余电压零点残余电压|3.1.6 3.1.6 自感式传感器的特点及应用自感式传感器的特点及应用 下页下页上页上页返回返回3.

3、1.1 3.1.1 自感式传感器的工作原理自感式传感器的工作原理下页下页上页上页返回返回0002000122lSWLSlSlRRIWIWILiiinimm电感值表达式为：电感值表达式为：下页下页下页下页所以：所以： 气隙型：利用长度气隙型：利用长度l0作为传感器的输入量作为传感器的输入量面积面积S 不改变不改变气隙气隙l改变改变 截面型：利用长度截面型：利用长度S0作为传感器的输入量作为传感器的输入量面积面积S改变改变气隙气隙l不改变不改变 螺线管型螺线管型下页下页上页上页返回返回下页下页下页下页3.1.1 3.1.1 自感式传感器的工作原理自感式传感器的工作原理传感器也可以做成差分式的传感器

4、也可以做成差分式的3.1.2 3.1.2 灵敏度及非线性灵敏度及非线性下页下页上页上页返回返回改变空气隙等效截面积的传感器的转换关系是线性的，而改变空气隙等效截面积的传感器的转换关系是线性的，而改变空气隙长度的传感器的转换关系是非线性的改变空气隙长度的传感器的转换关系是非线性的 .12)(2WL-LL20000000200020lLlLlLlLSlSWllS 从提高灵敏度的角度看，初始空气隙距离应尽量小，其结果从提高灵敏度的角度看，初始空气隙距离应尽量小，其结果是被测量的范围也变小。同时，灵敏度的非线性增加。是被测量的范围也变小。同时，灵敏度的非线性增加。 20002lSWL下页下页下页下页气

5、隙型灵敏度为：气隙型灵敏度为：下页下页上页上页返回返回对于差分自感式传感器，其灵敏度为：对于差分自感式传感器，其灵敏度为：其灵敏度提高了一倍，非线性大大减小。其灵敏度提高了一倍，非线性大大减小。下页下页下页下页3.1.2 灵敏度及非线性灵敏度及非线性 .122000lLlLlLS3.1.3 3.1.3 等效电路等效电路 自感式传感器从电路角度来看并非纯电感，它既自感式传感器从电路角度来看并非纯电感，它既有线圈的铜耗，又有铁芯的涡流及磁滞损耗，这可有线圈的铜耗，又有铁芯的涡流及磁滞损耗，这可用折合的有功电阻抗用折合的有功电阻抗RqRq表示。此外，无功阻抗除电表示。此外，无功阻抗除电感之外还包括绕

6、组间分布电容。这部分电容用集总感之外还包括绕组间分布电容。这部分电容用集总参数参数C C表示，一个电感线圈的完整等效电路可用图表示，一个电感线圈的完整等效电路可用图3-3-4 4表示。表示。 图图3-4 3-4 电感线圈等效电路电感线圈等效电路 式中式中 R Rm m-磁路总磁阻；磁路总磁阻； Za-Za-铁芯部分的磁阻抗；铁芯部分的磁阻抗； Z Z0 0-空气隙的磁阻抗。空气隙的磁阻抗。 上页上页返回返回022zzWRmWLm 下页下页下页下页3.1.4 3.1.4 转换电路转换电路上页上页返回返回 转换电路的作用转换电路的作用 把传感器采集的信号转换成所需的电压、电流或其它电信把传感器采集

7、的信号转换成所需的电压、电流或其它电信号号 常用的电路常用的电路： 调幅：把调幅：把L信号变成电压信号变成电压/电流的幅值信号电流的幅值信号-常用的方法之常用的方法之一一 调相：把调相：把L信号变成电压信号变成电压/电流的相位信号电流的相位信号 调频：把调频：把L信号变成电压信号变成电压/电流的频率信号电流的频率信号控制显示电路处理计算机其它电流电压转换电路 Lx下页下页下页下页3.1.4 3.1.4 转换电路转换电路上页上页返回返回一、调幅电路一、调幅电路开路输出电压为开路输出电压为UZZZZZZZZU)( 4321324103241 ZZZZ当电桥平衡时有（铁芯在平衡位置）当电桥平衡时有（

8、铁芯在平衡位置）. 0 0, 0LUU则则Z 设设 Z1Z4 均为自感式传感器，当铁芯移动时，均为自感式传感器，当铁芯移动时，每个阻抗都有一个每个阻抗都有一个 变化变化下页下页下页下页3.1.4 3.1.4 转换电路转换电路上页上页返回返回空载时，电压输出特性：空载时，电压输出特性：)1)(1 ()1)(1 ( 34213322431244110ZZZZZZZZZZZZZZZZUU)1)(1 ( 4312110ZZZZZZUU)()()1)(1 ()( 21134342431211ZZZZZZZZZZZZZZZZUULLL带负载时带负载时4321 , 0 ZZZZ讨论两种特殊情况：讨论两种特殊

9、情况：（1）单臂工作）单臂工作 （即（即 ） 空载时空载时下页下页下页下页3.1.4 3.1.4 转换电路转换电路上页上页返回返回LjRZ 222)( LRLLRRZZZZZZZZZZRZZ21201043 , , , 22 1210UZZUZZZUU（2）差动双臂工作）差动双臂工作) 1 , 1( 2 )(2 220RLQRRULLLLLRRUU则则下页下页下页下页3.1.4 3.1.4 转换电路转换电路上页上页返回返回（3）变压器电桥特点特点：线性好，元件少，工作稳定。线性好，元件少，工作稳定。设：设： ZZZZZZ21 , 0 0 0 0 22 1210ZZUZZUZZZUULLfLCL

10、Cf2)(41 23LCf21 LC电路振荡频率电路振荡频率二、调频电路二、调频电路0Z0Z正向运动正向运动 ， 反向运动反向运动 。下页下页下页下页3.1.4 3.1.4 转换电路转换电路三、调相电路三、调相电路电路特点电路特点: 一臂为传感器一臂为传感器,另一臂为固定另一臂为固定电阻电阻R。工作条件工作条件:电感线圈与固定电阻上压降电感线圈与固定电阻上压降 UL与与UR互相垂直。互相垂直。L变化时变化时 输出电压输出电压U。的幅值不变而。的幅值不变而 相位角随之变化。相位角随之变化。相位角与相位角与L的关系的关系:上页上页返回返回RLarctan2下页下页下页下页LLRwLRwL2)(1)

11、(23.1.5 3.1.5 零点残余电压零点残余电压 它表现在电桥预平衡时，无法实现平衡，最后总它表现在电桥预平衡时，无法实现平衡，最后总要存在着某个输出值要存在着某个输出值UU0 0，这称为零点残余电压，这称为零点残余电压，如图所示。如图所示。上页上页返回返回 原因复阻抗不容易达到真正平衡：原因复阻抗不容易达到真正平衡： 一组两个传感器不完全对称，导致一组两个传感器不完全对称，导致存存在寄生参数；在寄生参数；磁化曲线的非线性产生高次波；磁化曲线的非线性产生高次波；共电电源好，但磁路存在非线性；共电电源好，但磁路存在非线性；工频干扰。工频干扰。下页下页下页下页3.1.5 3.1.5 零点残余电

12、压零点残余电压 引起的问题引起的问题: : 零点附近灵敏度下降零点附近灵敏度下降; ; 限制分辨率提高限制分辨率提高; ; 线性度变差线性度变差; ; 堵塞有用信号。堵塞有用信号。 解决的办法解决的办法: : 设计与工艺上力求磁路与线圈对称；设计与工艺上力求磁路与线圈对称； 拆线圈法来调整；拆线圈法来调整； 电路补偿电路补偿( (后面详细介绍后面详细介绍) )上页上页返回返回下页下页下页下页3.1.6 3.1.6 自感式传感器的特点以及应用自感式传感器的特点以及应用 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

13、，输出的直线位移，输出 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，这是由于消耗功率较大，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；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。 适合于几何量（机械量）的测量和可以转化为几何量适合于几何量（机械量）的测量和可以转化为几何量的非几何量的测量。如：位移，压力，加速度等。的非几何量的测量。如：位移，压力，加速度等。 图图3-11 3-11 测气体压力的电感传感器测

14、气体压力的电感传感器 下页下页上页上页返回返回下页下页3.1.6 3.1.6 自感式传感器的特点以及应用自感式传感器的特点以及应用下页下页上页上页返回返回 举例举例下页下页3.23.2变压器式传感器变压器式传感器|3.2.1 3.2.1 工作原理工作原理|3.2.2 3.2.2 特性分析特性分析|3.2.3 3.2.3 差动变压器式传感器的测量电路差动变压器式传感器的测量电路|3.2.4 3.2.4 零点残余电压的补偿零点残余电压的补偿|3.2.5 3.2.5 变压器式传感器的应用举例变压器式传感器的应用举例下页下页上页上页返回返回3.2.1 3.2.1 工作原理工作原理 变压器式传感器是将非

15、电量转换为线圈间互感变压器式传感器是将非电量转换为线圈间互感M M的的一种磁电机构，很象变压器的工作原理，因此常称一种磁电机构，很象变压器的工作原理，因此常称变压器式传感器。这种传感器多采用差动形式。变压器式传感器。这种传感器多采用差动形式。下页下页上页上页返回返回 当当C的位置改变时，此互感的的位置改变时，此互感的差值就会反应被测量的大小。差值就会反应被测量的大小。 222baEEE（2-4）图图3-13 气隙型差动变压器式传感器气隙型差动变压器式传感器E2的大小决定了被测量的大的大小决定了被测量的大小，方向决定了位移的方向。小，方向决定了位移的方向。3.2.1 3.2.1 工作原理工作原理

16、下页下页上页上页返回返回当衔铁在中央时当衔铁在中央时0MMMba当衔铁偏离中央时当衔铁偏离中央时MMMMMMMMMbaba2 , ,00由（由（2-4）得：）得：),( 2)( 11110MMLjRUjMMLjRUjUba这样这样0UMX3.2.2 3.2.2 特性分析特性分析一、线性度一、线性度 下页下页上页上页返回返回alBBB 是一次空心线圈磁场，是一次空心线圈磁场， 是铁芯磁化产生附加磁场。是铁芯磁化产生附加磁场。lBaB由电磁理论有由电磁理论有, , 1212iMiMbbaa1212 , IMjEIMjEbbaa )( )( 221220bababaMMIjEEU下页下页下页下页3.

17、2.2 3.2.2 特性分析特性分析下页下页上页上页返回返回又又n为是二次线圈单位长度的匝数，为是二次线圈单位长度的匝数，A为螺线管磁通截面积。为螺线管磁通截面积。BAndx )( nmnm0BdxBdxnAU从图上看是从图上看是l1和和l2段的曲线面积。段的曲线面积。当铁芯在中央时（当铁芯在中央时（x=0），两曲线面积相等（），两曲线面积相等（U=0）。）。下页下页下页下页3.2.2 3.2.2 特性分析特性分析下页下页上页上页返回返回当衔铁偏离中央时，当衔铁偏离中央时， 设位置为设位置为x0 x1， x， x，相应有相应有 B1， B2， B3， B4，和和 A1， A2， A3，显然，由

18、于显然，由于 的非线性的非线性 A1 A2， A2 A3， 平坦，线性好。平坦，线性好。下页下页下页下页3.2.2 3.2.2 特性分析特性分析下页下页上页上页返回返回二、灵敏度二、灵敏度定义定义：输出电压与衔铁位移之比。输出电压与衔铁位移之比。相关因素相关因素：与二次线圈匝数与二次线圈匝数N2成正比。成正比。 N2=(12)N1与激励电压幅值成正比。与激励电压幅值成正比。在低频时在低频时( L1 IFE,电流走向：电流走向：EFb c a E。下页下页下页下页3.2.3 3.2.3 差动变压器式传感器的测量电路差动变压器式传感器的测量电路下页下页上页上页返回返回在负半波时，在负半波时， ,

19、031UUVVcadbVV 则则D1、D2导通。导通。下页下页下页下页EaU2-1U01U02FcRGIGdb3.2.3 3.2.3 差动变压器式传感器的测量电路差动变压器式传感器的测量电路下页下页上页上页返回返回分析分析: 在负半波时在负半波时, IFE=(U02-U1-2)/RG,IEF=(U01+U1-2)/RG IFE,电流走向：电流走向：E Fd a c E。故，当故，当 负载（检流计）负载（检流计）Ig的方向的方向向上。向上。 0 x下页下页下页下页3.2.3 3.2.3 差动变压器式传感器的测量电路差动变压器式传感器的测量电路下页下页上页上页返回返回()当当在正半波时在正半波时

20、0 x21UU dbVV 031UUVVca则则D3、D4 导通。导通。下页下页下页下页EaU1-2U01U02FcRGIGdb3.2.3 3.2.3 差动变压器式传感器的测量电路差动变压器式传感器的测量电路下页下页上页上页返回返回分析分析:在正半波时在正半波时 IFE=(U01+U2-1)/RG,IEF=(U02-U2-1)/RG IFE,电流走向：电流走向：F E a c d E 。下页下页下页下页3.2.3 3.2.3 差动变压器式传感器的测量电路差动变压器式传感器的测量电路下页下页上页上页返回返回在负半波时，在负半波时， ,则则D1、D2导通。导通。dbVV 下页下页下页下页EaU2-

21、1U01U02FcRGIGdb3.2.3 3.2.3 差动变压器式传感器的测量电路差动变压器式传感器的测量电路下页下页上页上页返回返回) ( 2URURUUiGGFEL分析分析:在负半波时，在负半波时， 电流走向：电流走向：F E c a b F。负载（检流计）负载（检流计）Ig的方向的方向向下。向下。IFE=(U02+U2-1)/RG,IEF=(U01-U2-1)/RG IFE,下页下页下页下页3.2.3 3.2.3 差动变压器式传感器的测量电路差动变压器式传感器的测量电路 特点：消除零点残余电压，电路简单，稳定性好。分为半特点：消除零点残余电压，电路简单，稳定性好。分为半波电压输出，半波电

22、流输出，全波电压输出和全波电流输波电压输出，半波电流输出，全波电压输出和全波电流输出等四种。出等四种。下页下页上页上页返回返回二、差动整流电路二、差动整流电路下页下页下页下页3.2.4 3.2.4 零点残余电压的补偿零点残余电压的补偿 与电感传感器相似，差分变压器也存在零点残余与电感传感器相似，差分变压器也存在零点残余电压问题。零点残余电压的存在使得传感器的特性电压问题。零点残余电压的存在使得传感器的特性曲线不通过原点，并使实际特性不同于理想特性。曲线不通过原点，并使实际特性不同于理想特性。 解决的办法与自感式相同。在设计和工艺上，力解决的办法与自感式相同。在设计和工艺上，力求做到磁路对称、线

23、圈对称。补偿电路法：求做到磁路对称、线圈对称。补偿电路法：、差动整流电路、差动整流电路、相敏检波电路、相敏检波电路、补偿电路法、补偿电路法 下页下页上页上页返回返回 加串联电阻加串联电阻 加并联电阻加并联电阻 加并联电容加并联电容 加反馈绕组加反馈绕组 加反馈电容加反馈电容加并联电容加并联电容和串联电阻和串联电阻加并联电阻加并联电阻下页下页下页下页3.2.5 3.2.5 变压器式传感器的应用举例变压器式传感器的应用举例 几何量（机械量）的测量和可以转化为几何量的非几何量（机械量）的测量和可以转化为几何量的非几何量的测量。几何量的测量。 如：位移、压力、振动、加速度、应变、比重、张如：位移、压力

24、、振动、加速度、应变、比重、张力和厚度等。力和厚度等。 下页下页上页上页返回返回差动变压器式加速差动变压器式加速度传感器原理图度传感器原理图下页下页下页下页3.2.5 3.2.5 变压器式传感器的应用举例变压器式传感器的应用举例 图图3-23 3-23 差动变压器式位移传感器差动变压器式位移传感器 图图3-24 3-24 差动变压器式压力传感器差动变压器式压力传感器 图图3-25 3-25 微压传感器微压传感器 图图3-26 3-26 加速度传感器加速度传感器 下页下页上页上页返回返回下页下页下页下页3.3 3.3 涡流式传感器涡流式传感器|3.3.1 3.3.1 工作原理工作原理|3.3.2

25、 3.3.2 涡流分布涡流分布|3.3.3 3.3.3 转换电路转换电路|3.3.4 3.3.4 低频透射式涡流厚度传感器低频透射式涡流厚度传感器|3.3.5 3.3.5 涡流式传感器的应用涡流式传感器的应用返回返回下页下页上页上页3.3.1 3.3.1 工作原理工作原理 金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应电流，称之为电涡流或涡流。这种现象称为涡感应电流，称之为电涡流或涡流。这种现象称为涡流效应。涡流式传感器就是在这种涡流效应的基础流效应。涡流式传感器就是在这种涡流效应的基础上建立起来的。上建立起来的。 返回返回由电路理论由电路理论解得解得

26、0IIIIII1222221111MjLjRUMjLjRLjRUZUI1下页下页上页上页3.3.1 3.3.1 工作原理工作原理返回返回影响涡流效应因素：影响涡流效应因素：相互作用距离相互作用距离 x电阻率电阻率磁导率磁导率导体厚度导体厚度电流频率电流频率所以，有所以，有),(hxfZ其中，等效电阻和等效电感其中，等效电阻和等效电感12222222211222222221 LLRMLLLRLRMRRR下页下页上页上页3.3.2 3.3.2 转换电路转换电路 由涡流式传感器的工作原理可知，被测量数变化可以由涡流式传感器的工作原理可知，被测量数变化可以转换成传感器线圈的品质因素转换成传感器线圈的品

27、质因素Q Q、等效阻抗、等效阻抗Z Z和等效电感和等效电感L L的变化。转换电路的任务是把这些种参数转换为电压的变化。转换电路的任务是把这些种参数转换为电压或电流输出。总的来说，利用或电流输出。总的来说，利用Q Q值的转换电路使用较少，值的转换电路使用较少，这里不作讨论。利用这里不作讨论。利用z z的转换电路一般用桥路，它属于的转换电路一般用桥路，它属于调幅电路。利用调幅电路。利用L L的转换电路一般用谐振电路，根据输的转换电路一般用谐振电路，根据输出是电压幅值还是电压频率，谐振电路又分为调幅和调出是电压幅值还是电压频率，谐振电路又分为调幅和调频两种。频两种。 返回返回下页下页上页上页3.3.

28、2 3.3.2 转换电路转换电路返回返回1、电桥电路、电桥电路A，B是传感器线圈，组成差动式涡流是传感器线圈，组成差动式涡流传感器。电桥的不平衡输出经线性放传感器。电桥的不平衡输出经线性放大和检波，得到与被测量成正比大和检波，得到与被测量成正比的输出。的输出。特点特点：电路简单，用于差动式涡电路简单，用于差动式涡流传感器。流传感器。下页下页上页上页3.3.2 3.3.2 转换电路转换电路返回返回2、谐振调幅电路、谐振调幅电路振荡电路是由振荡电路是由L是传感器线圈，电容是传感器线圈，电容C，和，和石英晶体组成。石英晶体组成。LC并联谐振回路谐振并联谐振回路谐振频率为频率为谐振时回路的等效阻抗最大

29、谐振时回路的等效阻抗最大R是回路的等效损耗电阻。是回路的等效损耗电阻。使使 x (或其它信号或其它信号) L Z U特点特点：用于单个涡流传感器。用于单个涡流传感器。LCf210CRLZ0下页下页上页上页3.3.2 3.3.2 转换电路转换电路返回返回电感三点式振荡器。电感三点式振荡器。L是传感器是传感器线圈，线圈，振荡频率为振荡频率为使使 x (或其它信号或其它信号) L f特点特点：用于单个涡流传感器。用于单个涡流传感器。LCf2103、谐振调频电路、谐振调频电路下页下页上页上页3.3.3 3.3.3 低频透射式涡流厚度传感器低频透射式涡流厚度传感器返回返回L1为为(上方上方)发射传感器线圈发射传感器线圈, L2为为(下方下方)接收传感器线圈。接收传感器线圈。 L2产生感应电压产生感应电压U2。有待测金属板，感应电压有待测金属板，感应电压U2下降。下降。 衰减量与厚度相关（正比）。衰减量与厚度相关（正比）。 检测范围可达检测范围可达1-100mm，分辨率为，分辨率为0.1m， 线性度为线性度为1%。由由e=f（h）曲线