第5章：电感式传感器

1、学学 习习 要要 求求1 1、掌握三种不同类型的电感传感器的工作原理和特点；、掌握三种不同类型的电感传感器的工作原理和特点；3 3、掌握电感传感器的典型应用和创新应用。、掌握电感传感器的典型应用和创新应用。2 2、熟悉电感传感器的基本检测电路的原理；、熟悉电感传感器的基本检测电路的原理；磁通链磁通链mRnI0002RRssRFeiiim1.1 1.1 闭磁路式自感传感器闭磁路式自感传感器磁路总磁阻磁路总磁阻: :InIL安匝安匝导磁体磁阻导磁体磁阻气隙磁阻气隙磁阻I I 0 0 i i磁导率磁导率 FeFe 0 0RRFe0忽略忽略R Rfefe，得：，得：I nS/200第一节第一节 自感式

2、传感器原理及应用自感式传感器原理及应用I nS/200由由知知, , 0 0在外界位移下改变在外界位移下改变 随随 0 0变化变化则：则：LnSK200021L L 0 0LnS 200202传感器的灵敏度为：传感器的灵敏度为：KLnSS 020022 显然，根据其特性曲线，要使传感器工作在线性区，显然，根据其特性曲线，要使传感器工作在线性区，只能在只能在a a段或段或b b段小范围内，而且，段小范围内，而且，a a段的灵敏度要远远段的灵敏度要远远大于大于b b段。这种传感器用于检测很小的位移，段。这种传感器用于检测很小的位移，10106 6米级。米级。a ab b例如原始气隙例如原始气隙 0

3、 00.10.10.5mm0.5mm， 0 0的最大值的最大值 0 0/5/5。1.2 1.2 螺管型自感传感器螺管型自感传感器要测量较大的位移，可以采用螺管结构的电感传感器。要测量较大的位移，可以采用螺管结构的电感传感器。线圈线圈衔铁衔铁l lr rl lrarLnrlllrrrra2022211 式中：式中： 0 0真空导磁率真空导磁率 r r 铁芯相对导磁率铁芯相对导磁率灵敏度为：灵敏度为：KnrlSar20221 ()螺管型自感传感器的衔铁移动范围大，但灵敏度较低。螺管型自感传感器的衔铁移动范围大，但灵敏度较低。1.3 1.3 空气隙差动式自感传感器空气隙差动式自感传感器x x 1 1

4、 2 2LnS12012LnS22022LLL12当衔铁处于中间位置当衔铁处于中间位置, ,有有: :LLL120LLL120当衔铁偏离中间位置当衔铁偏离中间位置, ,有有: :10 20 则则, ,LnS12002LnS22002LLLnSL 122002200221()其中其中0灵敏度灵敏度KL 211002约提高一倍约提高一倍, ,非线性减小。非线性减小。1.4 1.4 差动自感传感器测量电路差动自感传感器测量电路 1 1 2 2u uSCSCu uz z3 3z z4 4u uu uSCSCz z3 3z z4 4z z1 1z z2 2等效电路等效电路设设Z Z3 3Z Z4 4Z

5、Z0 0Z Z1 1Z Z0 0 Z Z1 1 ， Z Z2 2Z Z0 0 Z Z2 2 则，电桥电路输出为：则，电桥电路输出为：UUzzzzzSC2212012在理想情况下，有在理想情况下，有 Z Z1 1= = Z Z2 2 且且 Z Z与与L L成正比，成正比，L L又与又与 成正比，成正比，UUSC20所以：所以：灵敏度：灵敏度：KUUSC210u uSCSCu uz z3 3z z4 41.51.5其它测量电路其它测量电路(a)(a)调频检测电路调频检测电路 自感线圈作为振荡器谐振回路的一部分，当电感随被自感线圈作为振荡器谐振回路的一部分，当电感随被测量变化时，振荡频率发生相应的变

6、化，经鉴频器把频率测量变化时，振荡频率发生相应的变化，经鉴频器把频率变化转换成电压的变化，得到检测输出信号。变化转换成电压的变化，得到检测输出信号。调频振荡调频振荡放大限幅放大限幅鉴频器鉴频器放大器放大器输出输出(b)(b)调幅检测电路调幅检测电路 自感自感L L为谐振回路的一部分，由稳频限幅的高频振荡器为谐振回路的一部分，由稳频限幅的高频振荡器供电，调整电容供电，调整电容C C，使回路工作在谐振频率附近。检测时，使回路工作在谐振频率附近。检测时L L变化，输出电压幅度在变化，输出电压幅度在U UM M附近变化，经放大整流得到信号附近变化，经放大整流得到信号. .L LU/UU/U0 0振振荡

7、荡器器整流整流放大放大L LC C1.1 1.1 工作原理工作原理W Wp pW WS SUpIpUps 根据电磁感应原理根据电磁感应原理, ,当初级线圈当初级线圈W Wp p通入激励通入激励电流电流I Ip p时时, ,次级线圈次级线圈W WS S将将产生感应电势产生感应电势: :UMd Id tp sp 式中式中M M是初次级线圈间的互感，其大小与两线圈的相对是初次级线圈间的互感，其大小与两线圈的相对位置，周围介质的导磁性等因素有关。位置，周围介质的导磁性等因素有关。 互感传感器实质上是一个变压器，它利用互感互感传感器实质上是一个变压器，它利用互感M M变化变化引起输出电压的变化来检测有关

8、的物理量。引起输出电压的变化来检测有关的物理量。 实际的互感传感器的次级线圈一般有两个，可接成差动实际的互感传感器的次级线圈一般有两个，可接成差动形式，故互感传感器又称为形式，故互感传感器又称为“差动变压器差动变压器”。第二节第二节 互感传感器原理及应用互感传感器原理及应用1.2 1.2 螺管型互感传感器螺管型互感传感器S1次级线圈S2次级线圈P初级线圈铁芯r rp pL Lp pLs1Ls2rs1rs2RL等效等效电路电路dIdtj Ipp 则，则，设设I Ip p=I=Ipmpme e-j-j t tU Us1s1=-j=-j M M1 1I Ip pU Us2s2=-j=-j M M2

9、2I Ip pU U0 0=U=Upsps=U=Us1s1-U-Us2s2 =-j =-j (M1-M2)I(M1-M2)Ip pUpIpUs2Us1U0IL又又IUrjLppp所以，输出有效值为：所以，输出有效值为：UMMrLUopp()()2122差动变压器的输出电压有效值与衔铁之间的关系如图。差动变压器的输出电压有效值与衔铁之间的关系如图。 当差动变压器接入负载当差动变压器接入负载R RL L后，负载电流会影响初后，负载电流会影响初级回路。但采用输入电阻级回路。但采用输入电阻较高的放大器，则可以忽较高的放大器，则可以忽略其影响，得到负载上的略其影响，得到负载上的输出电压为：输出电压为：U

10、RZRULLoLo其中，差动变压器的输出阻抗为：其中，差动变压器的输出阻抗为：Zrrj Lj Lrj Lssssss01212最后得到负载电压的有效值：最后得到负载电压的有效值：URrRLMMrLULLsLsppP()()()()222122U0US1US20 x残余电压电感传感器系列电感传感器系列涡流涡流块状金属在变化磁场中运动时产生的电流块状金属在变化磁场中运动时产生的电流. .第三节第三节 电涡流式传感器原理及应用电涡流式传感器原理及应用电涡流的应用电涡流的应用在我们日常生活中经常可以遇到在我们日常生活中经常可以遇到干净、高效的干净、高效的电磁炉电磁炉电磁炉内部的励磁线圈电磁炉内部的励磁

11、线圈电磁炉的工作原理电磁炉的工作原理 高频电高频电流通过励磁流通过励磁线圈，产生线圈，产生交变磁场，交变磁场，在铁质锅底在铁质锅底会产生无数会产生无数的电涡流，的电涡流，使锅底自行使锅底自行发热，烧开发热，烧开锅锅 内内 的的 食食 物。物。涡流传感器原理涡流传感器原理: : 涡流大小与金属板的磁导率涡流大小与金属板的磁导率 ，电阻率，电阻率 ，厚度，厚度 以以及激磁线圈与金属板的的距离、激磁电流的频率及激磁线圈与金属板的的距离、激磁电流的频率 等参等参数有关，固定其中一些参数，就能根据涡流的大小测出数有关，固定其中一些参数，就能根据涡流的大小测出另外的参数。另外的参数。 涡流传感器在金属体上

12、生产的涡流，由于涡流涡流传感器在金属体上生产的涡流，由于涡流的集肤效应，其渗透深度的集肤效应，其渗透深度h h与传感器的激磁电流的与传感器的激磁电流的频率频率f f有关，它们的关系是：有关，它们的关系是：hf5 0 3. 因为涡流的大小与渗透深度均与激磁电流频率因为涡流的大小与渗透深度均与激磁电流频率密切相关，所以根据激磁电流的频率进行分类，涡密切相关，所以根据激磁电流的频率进行分类，涡流传感器可分为高频反射式和低频透射式两种。流传感器可分为高频反射式和低频透射式两种。1.11.1高频反射涡流传感器高频反射涡流传感器工作原理工作原理：线圈通以高频交流电流：线圈通以高频交流电流I I1 1，线圈

13、周围产生交变磁通线圈周围产生交变磁通 1 1，它通过，它通过金属板形成闭路。金属导体便产生金属板形成闭路。金属导体便产生涡流涡流i i2 2，由于集肤效应，高频电磁，由于集肤效应，高频电磁场不能透过具有一定厚度的金属板，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，电涡流而仅作用于表面的薄层内，电涡流i i2 2除要消耗在金属板发热之外，还除要消耗在金属板发热之外，还将产生交变磁通将产生交变磁通 2 2。x xi iU Ui i 根据楞次定律，根据楞次定律， 2 2与与 1 1方向相反。由于方向相反。由于 2 2的反作用，的反作用，抵销部分抵销部分 1 1，故两个磁场叠加后，使原来的

14、电感量减小，故两个磁场叠加后，使原来的电感量减小，导致其阻抗的变化，随之线圈电流导致其阻抗的变化，随之线圈电流i i1 1的大小和相位都要发的大小和相位都要发生变化，变化的程度与生变化，变化的程度与x x有关，据此可进行测量。有关，据此可进行测量。1.2 1.2 低频透射涡流传感器低频透射涡流传感器 根据电路理论，由于集肤效应，金属导体产生的电涡根据电路理论，由于集肤效应，金属导体产生的电涡流贯穿深度与传感器线圈激磁电流的频率有关。频率越流贯穿深度与传感器线圈激磁电流的频率有关。频率越低，电涡流的贯穿深度越厚。利用此原理，制成低频透低，电涡流的贯穿深度越厚。利用此原理，制成低频透射涡流传感器，

15、适合测量金属材料的厚度。射涡流传感器，适合测量金属材料的厚度。工作原理：工作原理：图中图中L L1 1为发射线圈为发射线圈L L2 2为接收线圈，为接收线圈，L L1 1通入音频信通入音频信号后，产生交变磁场。磁力线号后，产生交变磁场。磁力线在金属板上产生涡流在金属板上产生涡流I I，涡流，涡流I I产生的磁场抵销产生的磁场抵销L L1 1的部分磁力的部分磁力线，使线，使L L2 2接收的磁力线减少，接收的磁力线减少，感应电压感应电压U U2 2减小，金属板越厚，减小，金属板越厚，涡流损耗越大，涡流损耗越大，U U2 2越小，由此越小，由此可以检测出金属板的厚度。可以检测出金属板的厚度。u2u

16、1L1L21.3 1.3 涡流传感器的应用涡流传感器的应用1 1轴向位移测定轴向位移测定2 2 轴径向振动测量轴径向振动测量3线膨胀系数测量线膨胀系数测量4 4接近检测开关接近检测开关5 5转速测量转速测量6 6零件数的检测零件数的检测7 7表面光洁度测量表面光洁度测量大直径电涡流探雷器大直径电涡流探雷器 偏心和振动检测偏心和振动检测通过测量间隙来测量径向跳动通过测量间隙来测量径向跳动测量弯曲、波动、变形测量弯曲、波动、变形 对桥梁、丝杆等机械结构的振动测对桥梁、丝杆等机械结构的振动测量，须使用多个传感器。量，须使用多个传感器。测量金属薄膜、板材厚度电涡流测厚仪测量金属薄膜、板材厚度电涡流测厚

17、仪 测量冷轧板厚度测量冷轧板厚度测量封口机工作间隙测量封口机工作间隙间隙越大，间隙越大，电涡流越小电涡流越小振动测量振动测量 汽轮机叶片测试汽轮机叶片测试 测量悬臂梁的测量悬臂梁的振幅及频率振幅及频率转速测量转速测量 若转轴上开若转轴上开z 个槽个槽(或齿或齿)，频率计的读数为，频率计的读数为f（单位为（单位为Hz），则转轴的转速），则转轴的转速n（单位为（单位为r/min）的计算公式）的计算公式为为 :60 fnz电涡流涂层厚度仪电涡流涂层厚度仪 由于存在集肤效由于存在集肤效应，镀层或箔层应，镀层或箔层越薄，电涡流越越薄，电涡流越小。测量前，可小。测量前，可先用电涡流测厚先用电涡流测厚仪对标准厚度的仪对标准厚度的镀层和铜箔作出镀层和铜箔作出“厚度厚度- -输出输出”电电压的标定曲线，压的标定曲线，以便测量时对照。以便测量时对照。安检门