机械工程测试技术基础 第六讲电感式传感器(1).

1、湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院第六讲第六讲 电感传感器电感传感器 本章学习要求：本章学习要求：1.1.掌握电感式传感器的工作原理掌握电感式传感器的工作原理2.2.了解电感式传感器的结构、分类了解电感式传感器的结构、分类3.3.了解电感传感器的测量电路了解电感传感器的测量电路4.4.了解电感传感器的应用了解电感传感器的应用湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院BI穿过线圈自身总的磁通量与电流穿过线圈自身总的磁通量与电流 I 成正比成正比线圈电流变化线圈电流变化穿过自身磁通变化穿过自身磁通变化 电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电

2、感量的一种装置。测量转化为电感量的一种装置。LIL:自感系数自感系数 如果回路周围不存在铁磁质，自感如果回路周围不存在铁磁质，自感L是一个与电流是一个与电流I无关，无关，仅由回路的匝数、几何形状和大小以及周围介质的磁导率决仅由回路的匝数、几何形状和大小以及周围介质的磁导率决定的物理量定的物理量 在线圈中产生感应电动势在线圈中产生感应电动势自感现象自感现象湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院2B1I2I1B1c2c12互感现象互感现象当某一线圈中的电流发生变化时，它所产生的变化磁场当某一线圈中的电流发生变化时，它所产生的变化磁场将使位于它附近的另一线圈中产生感应电动势。这种电磁感将使位于它附

3、近的另一线圈中产生感应电动势。这种电磁感应现象称为互感现象。应现象称为互感现象。12121IM21212IMM:互感系数互感系数理论和实验证明：理论和实验证明：MMM1212湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院第六讲、传感器原理第六讲、传感器原理(3)分类分类: :电感式传感器电感式传感器自感型自感型可变磁阻型可变磁阻型涡流式涡流式互感型互感型湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院电感式传感器电感式传感器1 1 自感型自感型-可变磁阻式可变磁阻式2022WSWLR一、工作原理一、工作原理: :电磁感应电磁感应mWiLmmfWiWiRRR121 12 2fllRss02Rs磁路欧姆定律湖北

4、工业大学机械学院湖北工业大学机械学院变隙式变隙式 变截面式变截面式 螺线管式螺线管式 湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院2022WSWLR2022WSLS 湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院220012()21WSWSLL 231.LL 湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院 气隙变化量越小，非线性失真越小；气隙o越小，灵敏度越高。 实际应用中常用差动变隙式自感传感器。LL 2022NSLLK湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院122LLLL 灵敏度提高一倍灵敏度提高一倍 大大改善了非线性大大改善了非线性 实现了某些补偿实现了某些补偿差动自感传感器差动自感传感器湖北工业大学机

5、械学院湖北工业大学机械学院 差动式电感传感器对外界影响，如温度的变化、电差动式电感传感器对外界影响，如温度的变化、电源频率的变化等基本上可以互相抵消，衔铁承受的电磁源频率的变化等基本上可以互相抵消，衔铁承受的电磁吸力也较小，从而减小了测量误差吸力也较小，从而减小了测量误差;差动式电感传感器差动式电感传感器的线性较好，且输出曲线较陡，灵敏度约为非差动式电的线性较好，且输出曲线较陡，灵敏度约为非差动式电感传感器的两倍。感传感器的两倍。 湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院自感线圈的等效电路自感线圈的等效电路 假设自感线圈为一理想纯电感，但实际传感器中包括：线圈的铜损电阻线圈的铜损电阻（Rc）、

6、铁芯的涡流损耗电阻铁芯的涡流损耗电阻（Re）和线圈线圈的寄生电容的寄生电容（C）。因此，自感传感器的等效电路如下: CLRcRe湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院二、二、 测量电路测量电路1.交流电桥式测量电路把传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂Z1和Z2,另外二个相邻的桥臂用纯电阻代替，ZLR1R2Z2Z1L1L2RS1RS2交流电桥原理图USCU电桥平衡条件：设Z1=Z2=Z=RS+jL；R1=R2=R RS1=RS2=RS； L1=L2=LU为桥路电源，ZL是负载阻抗。工作时，Z1=Z+Z和Z2=Z-Z2121RRZZ湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院1100222ACACA

7、CmoUUUZjLLSCzRj LLU对于高品质Q值(Q=L/R)的差动式电感传感器，其输出电压: ZRZZZZUULLSC2其输出电压幅值 LjRLjRUZZUUSSSC22当ZL时ULRLULRRLUSSSSC222222222湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院桥路输出电压Usc包含与电源U同相和正交两个分量。在实际测量中，只希望有同相分量，如能使 或Q值比较大，均能达到此目的。但在实际工作时，RS/RS一般很小，所以要求线圈有高的品质因数。当Q值很高时，Usc ； SSRRLLLLU 2当Q值很低时，自感线圈的电感远小于电阻，电感线圈相当于纯电阻(ZRs)，交流电桥即为电阻电桥。例

8、如，应变测量仪就是如此，此时输出电压Usc= 。 该电桥结构简单，其电阻R1、R2可用两个电阻和一个电位器组成，调零方便。 SSRRU 2湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院2.变压器式交流电桥 电桥两臂Z1、Z2为传感器线圈阻抗，另外两桥臂为交流变压器次级线圈的1/2阻抗。当负载阻抗为无穷大时，桥路输出电压：UUZZZUZZUZ)(-212)(0211211 当传感器的衔铁处于中间位置时，即Z1=Z2=Z，此时有Uo=0，电桥平衡。 当传感器的衔铁上移时，即Z1=Z-Z，Z2=Z+Z，此时：LLUZZU-U220=湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院 当传感器的衔铁下移时，则Z1=Z

9、+Z，Z2=Z-Z，此时： LLUZZUU220= 衔铁上下移动相同距离时，输出电压的大小相等，但方向相反， 由于Uo是交流电压，输出指示无法判断位移方向， 必须配合相敏检波电路来解决。 湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院 测量转换电路的作用是将电感量的变化转换成电压或电测量转换电路的作用是将电感量的变化转换成电压或电流的变化，以便用仪表指示出来。但若仅采用电桥电路和流的变化，以便用仪表指示出来。但若仅采用电桥电路和普通的检波电路，则只能判别位移的大小，却无法判别输普通的检波电路，则只能判别位移的大小，却无法判别输出的相位和位移的方向。在输出电压送到指示仪前，经过出的相位和位移的方向。在

10、输出电压送到指示仪前，经过一个能判别相位的检波电路，则不但可以反映位移的大小一个能判别相位的检波电路，则不但可以反映位移的大小（的幅值），还可以反映位移的方向（的相位）。这种检（的幅值），还可以反映位移的方向（的相位）。这种检波电路称为相敏检波电路。波电路称为相敏检波电路。湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院22000rNSNLCSlllSS 可变导磁面积型可变导磁面积型自感L与S0 呈线性关系。这种传感器灵敏度较低。湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院 单螺管线圈型，当铁芯在线圈中运动时，将改变磁阻，使线圈自感发生变化。这种传感器结构简单、制造容易，但灵敏度低，适用于较大位移(数毫米

11、)测量。 rx螺旋管铁心单线圈螺管型传感器结构图l湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院双螺管线圈差动型，较之单螺管线圈型有较高灵敏度及线性，被用于电感测微计上，其测量范围为0300m，最小分辨力为0.5m。22201 (1)ccrrNrlLlrl湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院ULRLUSC22)(2湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院2lclc2l线圈线圈r0.80.60.40.20.20.40.60.8-0.80.80.41.2-1.2-0.4xH（ ）INl差动螺旋管式自感传感器(a)结构示意图 (b)磁场分布曲线x(l) 综上所述，螺管式自感传感器的特点： 结构简单，制

12、造装配容易； 由于空气间隙大，磁路的磁阻高，因此灵敏度低，但线性范围大； 由于磁路大部分为空气，易受外部磁场干扰； 由于磁阻高，为了达到某一自感量，需要的线圈匝数多，因而线圈分布电容大； 要求线圈框架尺寸和形状必须稳定，否则影响其线性和稳定性。 湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院 通过以上三种形式的电感式传感器的分析通过以上三种形式的电感式传感器的分析,可以得出以下几点结论可以得出以下几点结论: 1. 变间隙型灵敏度较高变间隙型灵敏度较高,但非线性误差较大但非线性误差较大,且制作装配比较困难。且制作装配比较困难。 2. 变面积型灵敏度较前者小变面积型灵敏度较前者小,但线性较好但线性较好,

13、量量程较大程较大,使用比较广泛。使用比较广泛。 3.螺管型灵敏度较低螺管型灵敏度较低,但量程大且结构简单但量程大且结构简单易于制作和批量生产易于制作和批量生产,是使用最广泛的一种是使用最广泛的一种电感式传感器。电感式传感器。湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院电感式接近传感器（金属）电感式接近传感器（金属）电感式传感器电感式传感器湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院教学用低成本四线制无二次仪表传感器教学用低成本四线制无二次仪表传感器电感式传感器电感式传感器湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院 自感传感器的自感传感器的灵敏度灵敏度是指传感器结构是指传感器结构(测头测头)和转换电路综合

14、和转换电路综合在一起的总灵敏度。在一起的总灵敏度。传感器的灵敏度传感器的灵敏度(单位：单位：mV/（ m V）) 传感器结构灵敏度传感器结构灵敏度kt定义为自感值相对变化与引起这一变定义为自感值相对变化与引起这一变化的衔铁位移之比，即化的衔铁位移之比，即 转换电路的灵敏度转换电路的灵敏度kc定义为空载输出电压定义为空载输出电压uo与自感相对变化之与自感相对变化之比，即比，即可得可得总灵敏度总灵敏度为为 xLLkt/ )/()/(oLLukcxukkkctZ/o湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院零点残余电压零点残余电压 衔铁位移衔铁位移x与电桥输出电压与电桥输出电压Uo有有效值的关系曲线，

15、如右图所示。效值的关系曲线，如右图所示。 虚线为理想特性曲线，实线为实虚线为理想特性曲线，实线为实际特性曲线，在零点总有一个最小的际特性曲线，在零点总有一个最小的输出电压。一般把这个最小的输出电输出电压。一般把这个最小的输出电压称为压称为零点残余电压零点残余电压，并用，并用e0表示。表示。 零残电压过大带来的影响：零残电压过大带来的影响：灵敏度下降、非线性误差增大灵敏度下降、非线性误差增大测量有用的信号被淹没，不再反映被测量变化造成放大电路后测量有用的信号被淹没，不再反映被测量变化造成放大电路后级饱和，仪器不能正常工作。级饱和，仪器不能正常工作。产生的原因产生的原因：两电感线圈的等效参数不对称

16、：两电感线圈的等效参数不对称湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院减小零点残余电压方法：减小零点残余电压方法： 1.1. 尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数玫磁路的对称。磁性材料尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数玫磁路的对称。磁性材料要经过处理，消除内部的残余应力，使其性能均匀稳定。要经过处理，消除内部的残余应力，使其性能均匀稳定。 2.2. 选用合适的测量电路，如采用相敏整流电路。选用合适的测量电路，如采用相敏整流电路。既可判别衔铁移动方向又可改善输出特性，既可判别衔铁移动方向又可改善输出特性，减小零点残余电动势。减小零点残余电动势。 3. 3. 采用补偿线路减小零点残余电动势。下

17、图是几种减小零点残余电动势采用补偿线路减小零点残余电动势。下图是几种减小零点残余电动势的补偿电路。在差动变压器二次侧串、并联适当数值的电阻电容元件，当的补偿电路。在差动变压器二次侧串、并联适当数值的电阻电容元件，当调整这些元件时，可使零点残余电动势减小。调整这些元件时，可使零点残余电动势减小。 UUR0a)UUR0b)UUR0c)C0C图4.2.4 减小零点电路e2+x-x210相敏检波后的输出特性湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院应用举例应用举例下图所示是一个测量尺寸用的轴向自感式传感器下图所示是一个测量尺寸用的轴向自感式传感器 测头测头测杆测杆电感电感线圈线圈磁芯磁芯湖北工业大学机械

18、学院湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院气体压力传感器和加速度计用传感器的结构原理图气体压力传感器和加速度计用传感器的结构原理图 气体压力传感器气体压力传感器加速度计用传感器加速度计用传感器湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院电感传感器在仿形机床中的应用电感传感器在仿形机床中的应用 1 1标准靠模样板标准靠模样板 2 2测端（靠模轮）测端（靠模轮） 3 3电感测微器电感测微器 4 4铣刀龙门框架铣刀龙门框架 5 5立柱立柱 6 6伺服电动机伺服电动机 7 7铣刀铣刀 8 8毛坯毛坯 仿形头仿形头湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院旁向式差动电感式传感器旁向式差动

19、电感式传感器总行程：总行程： 1.5mm 测量力：测量力：0.40.7N示值变动性：示值变动性：0.2m轴向式差动电感式传感器轴向式差动电感式传感器总行程：总行程： 3mm 测量力：测量力：0.450.65N示值变动性：示值变动性：0.03m总行程：总行程：1.5mm 测量力：测量力：0.120.18N示值变动性：示值变动性：0.05m湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院电感式不圆度计原理电感式不圆度计原理 该圆度计采用该圆度计采用旁向式电感测微头旁向式电感测微头湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院旋转盘旋转盘测量头测量头湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院特点：不仅可以测量微米级

20、直径，而且通过其在孔内旋转和平移可以测量其椭圆度和圆柱度被测孔内径范围:25120mm 测量力：1.30.3N示值变动性：1m特点：特点：不仅可以测量微米级直径，还可以测量轴的椭圆度和圆柱度被测轴直径范围:25:25120mm 120mm 测量力：4 41.5N1.5N示值变动性：1 1m m电子卡规、塞规湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院2 2 互感型互感型-差动变压器差动变压器WW1W2Esx-x工作原理工作原理: :互感现象互感现象.EwEout电感式传感器电感式传感器湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院1 初级线圈;2.3次级线圈;4衔铁1243123(a)气隙型(b)螺管型

21、 基本元件有衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈框架等。 初级线圈作为差动变压器激励用，相当于变压器的原边，而次级线圈由结构尺寸和参数相同的两个线圈反相串接而成，相当于变压器的副边。湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院 当初级线圈有交变电流时,次级线圈产生的感应电势分别为:1121IMjE1222IMjE1111LjREI 当负载开路时,输出电势为:1112112122212)()(LjREMMjIMMjEEEe2R21R22e21e22e1R1M1M2L21L22L1 I1湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院1212212)()(1ELRMME输出电势的有效值为:e2R21R22e21e2

22、2e1R1M1M2L21L22L1 e1初级线圈激励电压L1,R1初级线圈电感和电阻M1,M1分别为初级与次级线圈1,2间的互感L21,L22两个次级线圈的电感R21,R22两个次级线圈的电阻I1湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院互感型传感器采用两个次级线圈组成差动式，故又称差动变压器式传感器。 湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院 差动变压器式传感器输出的电压是交流量，如用交流电压表指示，则输出值只能反应铁芯位移的大小，而不能反应移动的极性；同时，交流电压输出存在一定的零点残余电压，使活动衔铁位于中间位置时，输出也不为零。因此，差动变压器式传感器的后接电路应采用既能反应铁芯位移极性

23、，又能补偿零点残余电压的差动直流输出电路。 湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院电感式传感器电感式传感器差动变压器式传感器的优点是：测量精度高，可达0.1m；线性范围大，可到100mm；稳定性好，使用方便。因而被广泛应用于直线位移，或可能转换为位移变化的压力、重量等参数的测量。 湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院电感式传感器电感式传感器比较自感式传感器与差动变压器式传感器的异同(1)不同点： 1) 自感式传感器把被测非电量的变化转换成自感系数的变化； 2) 差动变压器式传感器把被测非电量的变化转换成互感系数的变化。 (2)相同点： 两者都属于电感式传感器，都可以分为气隙型、截面型和螺

24、管性三种类型。湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院差动变压器位移传感器差动变压器位移传感器电感式传感器电感式传感器湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院轴向式差动变压器式传感器总行程： 100mm 线性度：0.15% 总行程： 2 7mm 测量力：0.91.2N示值变动性：0.5m湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院 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

25、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。湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院 沉筒式液位计将水位变化转沉筒式液位计将水位变化转换成位移变化，再转换为电感换成位移变化，再转换为电感的变化，差动变压器的输出反的变化，差动变压器的输出反映液位高低。映液位高低。湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院 湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院案例：案例：板的厚度测量板的厚度测量 电感式传感器电感式传感器湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院案例：案例：张力测量张力测量电感式传感器电感式传感器湖北工业大

26、学机械学院湖北工业大学机械学院压磁式互感传感器压磁式互感传感器磁弹性测力传感器磁弹性测力传感器压磁效应压磁效应磁致伸缩效应磁致伸缩效应铁磁材料铁磁材料P195湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院涡流式涡流式电感式传感器电感式传感器第六讲第六讲 电感式传感器电感式传感器湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院涡流效应涡流效应湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院10 110 121R Ij L Ij MIU122220j MIR Ij L I湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院1022222122()MLRLLL22221221101022221

27、2222()()UM RM LZRjLIRLRL2221102222()MRRRRL湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院原线圈的等效阻抗原线圈的等效阻抗Z Z变化：变化：电感式传感器电感式传感器涡流式电感传感器可分为高频反射式和低频透射式两类。 湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院高频反射式涡流传感器如图所示，高频(lMHz)激励电流，产生的高频磁场作用于金属板的表面，由于集肤集肤效应效应，在金属板表面将形成涡电流。与此同时，该涡流产生的交变磁场又反作用于线圈，引起线圈自感L或阻抗ZL的变化，其变化与距离、金属板的电阻率、磁导率、激励电流i，及角

28、频率等有关，若只改变距离而保持其他系数不变，则可将位移的变化转换为线圈自感的变化，通过测量电路转换为电压输出。高频反射式涡流传感器多用于位移测量。湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院电涡流探头电涡流探头内部结构内部结构 1电涡流线圈电涡流线圈 2探头壳体探头壳体 3壳体上的位置调节螺纹壳体上的位置调节螺纹 4印制线路板印制线路板 5夹持螺母夹持螺母 6电源指示灯电源指示灯 7阈值指示灯阈值指示灯 8输出屏蔽电缆线输出屏蔽电缆线 9电缆插头电缆插头 湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院CZF-1系列传感器的性能系列传感器的性能 湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院低频透射式涡流传感器的工作原理如图所示，发射线圈1和接收线圈2分别置于被测金属板材料G的上、下方。由于低频磁场集肤效应小，渗透深，当低频(音频范围)电压e1加到线圈1的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板材料G,使线圈2产生感应电动势e2。湖北工业大学机械学院湖北工业大学机械学院 但由于涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势e2减少，当金属板材料G越厚时，损耗的能量越大，输出电动势e2越小。因此，e2的大小与G的厚度及材料的性质有关，试验表明，e2随材料