第五课电感式传感器

1、第一节 自感式电感传感器第二节 差动变压器第三节 电涡流式传感器第五章 电感式传感器1 电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化，从而导致线圈电感量改变这一物理现象来实现测量的。因此根据转换原理，电感式传感器可以分为自感式和互感式两大类。2 自感式电感传感器可分为变间隙型、变面积型和螺管型三种类型。 一、自感式电感传感器的工作原理 （一）变间隙型电感传感器 变间隙型电感传感器的结构示意图如图5-1所示。 第一节 自感式电感传感器3图5 1 变间隙式电感传感器 4 传感器由线圈、铁心和衔铁组成。工作时衔铁与被测物体连接，被测物体的位移将引起空气隙的长度发生变化。由于气隙磁阻的变

2、化，导致了线圈电感量的变化。 线圈的电感可用下式表示： 式中，N为线圈匝数；Rm为磁路总磁阻。(5-1)5 对于变间隙式电感传感器，如果忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为 式中，l1为铁心磁路长；l2为衔铁磁路长；S为截面积；1为铁心磁导率；2为衔铁磁导率；0为空气磁导率；为空气隙厚度。因此有：(5-2)(5-3)6 一般情况下，导磁体的磁阻与空气隙磁阻相比是很小的，因此线圈的电感值可近似地表示为： (5-4) 由上式可以看出传感器的电感值随气隙的增大而减小。为了避免非线性，气隙的相对变化量要很小，但过小又将影响测量范围，所以要兼顾考虑两个方面。 7（二）变面积型电感传感器 由变气隙型电感传感器可知

3、，气隙长度不变，铁心与衔铁之间相对而言覆盖面积随被测量的变化面改变，从而导致线圈的电感量发生变化，这种形式称之为变面积型电感传感器，其结构示意图见下图。8 通过对式（5-4）的分析可知，线圈电感量L与气隙厚度是非线性的，但与磁通截面积A却是成正比，是一种线性关系。特性曲线参见图5-3。 9 （三）螺管型电感式传感器 下图为螺管型电感式传感器的结构图。螺管型电感传感器的衔铁随被测对象移动，线圈磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈电感量也因此而变化。线圈电感量的大小与衔铁插入线圈的深度有关。 10 设线圈长度为l、线圈的平均半径为r、线圈的匝数为N、衔铁进入线圈的长度la、衔铁的半径为ra、铁心的有效

4、磁导率为m，则线圈的电感量L与衔铁进入线圈的长度la的关系可表示为(5-5)11 以上三种形式的电感式传感器有如下特点： 变间隙型灵敏度较高,但非线性误差较大,且制作装配比较困难. 变面积型灵敏度较前者小,但线性较好,量程较大,使用比较广泛. 螺管型灵敏度较低,但量程大且结构简单易于制作和批量生产,是使用最广泛的一种电感式传感器.12 (四)差动电感传感器 在实际使用中，常采用两个相同的传感线圈共用一个衔铁，构成差动式电感传感器，这样可以提高传感器的灵敏度，减小测量误差。 图5-5是变间隙型、变面积型及螺管型三种类型的差动式电感传感器。 1314 差动式电感传感器的结构要求两个导磁体的几何尺寸

5、及材料完全相同，两个线圈的电气参数和几何尺寸完全相同。 差动式结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对温度变化、电源频率变化等影响，也可以进行补偿，从而减少了外界影响造成的误差。15二、自感式电感传感器的测量电路 交流电桥是电感式传感器的主要测量电路，它的作用是将线圈电感的变化转换成电桥电路的电压或电流输出。 前面已提到差动式结构可以提高灵敏度，改善线性，所以交流电桥也多采用双臂工作形式。通常将传感器作为电桥的两个工作臂，电桥的平衡臂可以是纯电阻，也可以是变压器的二次侧绕组或紧耦合电感线圈。图5-6是交流电桥的常用形式。16（一）电阻平衡臂电桥电阻平衡臂电桥如图5-6所示。Z1、Z2为传感器阻抗

6、。R1=R2=R;L1=L2=L;则有Z1=Z2=Z=R+jwL,另有R1=R2=R。由于电桥工作臂是差动形式，则在工作时，Z1=Z+Z和Z2=Z-Z，当ZL时，电桥的输出电压为 17 当LR时，上式可近似为： （5-7） 由上式可以看出：交流电桥的输出电压与传感器线圈电感的相对变化量是成正比的。（5-6） 18 一、差动变压器的工作原理 差动变压器的工作原理类似变压器的作用原理。这种类型的传感器主要包括有衔铁、一次绕组和二次绕组等。一、二次绕组间的耦合能随衔铁的移动而变化，即绕组间的互感随被测位移改变而变化。由于在使用时采用两个二次绕组反向串接，以差动方式输出，所以把这种传感器称为差动变压器

7、式电感传感器，通常简称差动变压器。第二节 差动变压器19 差动变压器工作在理想情况下（忽略涡流损耗、磁滞损耗和分布电容等影响），它的等效电路如图5-8所示。图U1为一次绕组激励电压；M1、M2分别为一次绕组与两个二次绕组间的互感：L1、R1分别为一次绕组的电感和有效电阻；L21、L22分别为两个二次绕组的电感；R21、R22分别为两个二次绕组的有效电阻。 20 对于差动变压器，当衔铁处于中间位置时，两个二次绕组互相相同，因而由一次激励引起的感应电动势相同。由于两个二次绕组反向串接，所以差动输出电动势为零。当衔铁移向二次绕组L21一边，这时互感M1大，M2小，因而二次绕组L21内感应电动势大于二

8、次绕组L22内感应电动势，这时差动输出电动势不为零。在传感器的量程内，衔铁移动越大，差动输出电动势就越大。 同样道理，当衔铁向二次绕组L22一边移动，差动输出电动势仍不为零，但由于移动方向改变，所以输出电动势反相。 因此通过差动变压器输出电动势的大小和相位可以知道衔铁位移量的大小和方向。 21由图5-8可以看出一次绕组的电流为： (5-8)二次绕组的感应动势为： (5-9)由于二次绕组反向串接，所以输出总电动势为： 其有效值 （5-10） （5-11）22 差动变压器的输出特性曲线如图5-9所示.图中E21、E22分别为两个二次绕组的输出感应电动势，E2为差动输出电动势，x表示衔铁偏离中心位置

9、的距离。其中E2的实线表示理想的输出特性，而虚线部分表示实际的输出特性。E0为零点残余电动势，这是由于差动变压器制作上的不对称以及铁心位置等因素所造成的。 零点残余电动势的存在，使得传感器的输出特性在零点附近不灵敏，给测量带来误差，此值的大小是衡量差动变压器性能好坏的重要指标。23 1）尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数磁路的对称。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。 2）选用合适的测量电路，如采用交流电桥电路。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。 二、差动变压器设计要点：24 3）采用补偿线路减小零点残余电动势。图5-10是几种减小零点残余电动

10、势的补偿电路。在差动变压器二侧串、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。 25 三、电感式传感器的应用 电感式传感器主要用于测量微位移，凡是能转换成位移量变化的参数，如压力、力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位等都可以用电感式传感器来进行测量。 26 图5-11是induNCDT系列位移传感器的外形图，它主要用于位移，振动，转速测量。传感器的前置放大器被集成安装在传感器壳体里，其输出信号与测量位移成正比。在传感器测量量程内线性精度优于2%。表5-1是induNCDT系列位移传感器的主要技术参数。 图5-11 induNCDT系列位移传感器的外形图27型

11、号铁磁材料IWS-4-M-CA3-U铝IWS-3-A-CA3-U测量原理电感测量范围铁磁材料0.54.5mm铝0.53.5mm起始间距0.5mm被测体直径 最小18mm线性度 2%灵敏度1V/mm静态分辨率1m信号输出铁磁材料0.54.5铝0.53.5V极限频率1KHZ工作温度0+85温度稳定性0.06 %供 电+12+18V/7mA负 载最小5K 保护等级IP65传感器电缆长3 米表5-1 induNCDT系列位移传感器的主要技术参数 28（二）JML电感式传感器(接近开关) 1适用范围：JML系列接近开关适用于交流50Hz，额定工作电压90V250V(除LM8L外)，直流额定工作电压10V

12、30V的电路中，具有短路保护电路，起反连接保护电路之用。2型号及其含义： 293正常使用条件和安装条件：(1)周围空气温度不超过+70，周围空气温度的下限为-25；(2)安装地点的海拔不超过2000m ；(3)大气相对湿度在周围空气温度为+70时不超过50%，在较低的温度下可以允许有较高的相对湿度，例如在20时达90%，对由于温度变化偶尔产生的凝露应采取特殊的措施；( 4)污染等级：3级。 4主要技术参数：见表4-2所示。表4-2 JML系列电感式传感器的主要技术参数 305安装尺寸如图5-12所示： 图5-12 JML系列电感式传感器的安装尺寸31 图5-13为测量振动与加速度的电感传感器结

13、构图。衔铁受振动和加速度的作用，使弹簧受力变形，与弹簧连接的衔铁的位移大小反映了振动的幅度和频率以及加速度的大小。（三）振动和加速度的测量32（四）液位测量 图5-14是采用了电感式传感器的沉筒式液位计。由于液位的变化，沉筒所受浮力也将产生变化，这一变化转变成衔铁的位移，从而改变了差动变压器的输出电压，这个输出值反映了液位的变化值。 33 电涡流式传感器是一种建立在涡流效应原理上的传感器。 电涡流式传感器可以实现非接触地测量物体表面为金属导体的多种物理量，如位移、振动、厚度、转速、应力、硬度等参数。这种传感器也可用于无损探伤。 电涡流式传感器结构简单、频率响应宽、灵敏度高、测量范围大、抗干扰能

14、力强，特别是有非接触测量的优点，因此在工业生产和科学技术的各个领域中得到了广泛的应用。 第三节 电涡流式传感器34一、电涡流式传感器的工作原理 当通过金属体的磁通发生变化时，就会在导体中产生感生电流，这种电流在导体中是自行闭合的，这就是所谓电涡流。电涡流的产生必然要消耗一部分能量，从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化，这一物理现象称为涡流效应。电涡流式传感器是利用涡流效应，将非电量转换为阻抗的变化而进行测量的。 35 如图5-15所示，一个扁平线圈置于金属导体附近，当线圈中通有交变电流I1时，线圈周围就产生一个交变磁场H1。置于这一磁场中的金属导体就产生电涡流I2，电涡流也将产生一个新磁场H2，H

15、2与H1方向相反，因而抵消部分原磁场，使通电线圈的有效阻抗发生变化。36 一般讲，线圈的阻抗变化与导体的电导率、磁导率、几何形状，线圈的几何参数，激励电流频率以及线圈到被测导体间的距离有关。如果控制上述参数中的一个参数改变，而其余参数恒定不变，则阻抗就成为这个变化参数的单值函数。如其他参数不变，阻抗的变化就可以反映线圈到被测金属导体间的距离大小变化。 37 我们可以把被测导体上形成的电涡流等效成一个短路环，这样就可得到如图5-16的等效电路。图中R1、L1为传感器线圈的电阻和电感。短路环可以认为是一匝短路线圈，其电阻为R2、电感为L2。线圈与导体间存在一个互感M，它随线圈与导体间距的减小而增大

16、。根据等效电路可列出电路方程组： (5-11)38通过解方程组，可得I1、I2。因此传感器线圈的复阻抗为： 线圈的等效电感为 ： （5-12）（5-13） 由式（5-12）和（5-13）可以看出，线圈与金属导体系统的阻抗、电感都是该系统互感平方的函数。而互感是随线圈与金属导体间距离的变化而改变的。 39 二、高频反射式电涡流传感器(测距离） 这种传感器的结构很简单，主要由一个固定在框架上的扁平线圈组成。线圈可以粘贴在框架的端部，也可以绕在框架端部的槽内。图5-17为某种型号的高频反射式电涡流传感器。40 三、低频透射式电涡流传感器（测厚度） 这种传感器采用低频激励，因而有较大的贯穿深度，适合于

17、测量金属材料的厚度。图5-18为这种传感器的原理图和输出特性。 41 传感器包括发射线圈和接收线圈，并分别位于被测材料上、下方。由振荡器产生的低频电压u1加到发射线圈L1两端，于是在接收线圈L2两端将产生感应电压u2，它的大小与u1的幅值、频率以及两个线圈的匝数、结构和两者的相对位置有关。若两线圈间无金属导体，则L1的磁力线能较多穿过L2，在L2上产生的感应电压u2最大。 如果在两个线圈之间设置一金属板，由于在金属板内产生电涡流，该电涡流消耗了部分能量，使到达线圈L2的磁力线减小，从而引起u2的下降。 金属板厚度越大，电涡流损耗越大，u2就越小。可见。可见u2的大小间接反映了金属板的厚度。42

18、 线圈L2的感应电压与被测厚度的增大按负幂指数的规律减小，即： （5-14） 式中，为被测金属板厚度；t为贯穿深度，它与 成正比，其中为金属板的电阻率，f为交变电磁场的频率。 为了较好地进行厚度测量，激励频率应选得较低。频率太高，贯穿深度小于被测厚度，不利于厚度测量，通常选1kHz左右。 43 一般地说，测薄金属板时，频率应略高些，测厚金属板时，频率应低些。在测量较小的材料时，应选较低的频率（如500Hz），测量较大的材料，则应选用较高的频率（如2kHz），从而保证在测量不同材料时能得到较好的线性和灵敏度。44四、测量电路 （一）电桥电路 电桥法是将传感器线圈的阻抗变化转化为电压或电流的变化。

19、传感器线圈的阻抗作为电桥的桥臂，初始状态时电桥平衡。在进行测量时，由于传感器线圈的阻抗发生变化，使电桥失去平衡，将电桥不平衡造成的输出信号进行放大并检波，就可得到与被测量成正比的输出。电桥法主要用于两个电涡流线圈组成的差动式传感器。 45四个桥臂的阻抗分别为： ， ， 和 。初始状态下电桥平衡即 。当被测物体与线圈耦合时，使 、 发生变化，由 的值可求出被测参数的变化量。46（二）谐振法。 这种方法是将传感器线圈的等效电感的变化转换为电压或电流的变化。传感器线圈与电容并联组成LC并联谐振回路。 47 并联谐振回路的谐振频率为: ；且谐振时回路的等效阻抗最大，等于 ；式中，R为回路的等效损耗电阻。 当电感L发生变化时，回路的等效阻抗和谐振频率都将随L的变化而变化，因此可以利用测量回路阻抗的方法或测量回路谐振频率的方法间接测出传感器的被测值。 谐振法主要有调幅式电路和调频式电路两种基本形式。调幅式由于采用了石英晶体振荡器，因此稳定性较高，而调频式结构简单，便于遥测和数字显示。48 由图中可以看出LC谐振回路由一个频率及幅值稳定的晶体振荡器提供一个高频信号激励谐振回路。LC回路的输出电压为： （5-14） 式中，i0为高频激励电流；Z为LC回路的阻抗。可以看出，LC回路的阻抗Z越大，回路的输出电压越大。49五、电涡流传感器的应用 （一）测量位移 电涡流传感器可以测量各种形状金属零件的动