检测技术与海洋智能仪器：电感式传感器

1、电感式传感器电感式传感器 电感式传感器是利用电磁感应原理，将被测量的变化转换为线圈的自感或互感变化的装置。常用来检测位移、压力、振动、应变、流量和比重等参数。电感式传感器种类较多，根据转换原理的不同，可分为自感式、互感式、电涡流式等。按照结构形式不同，自感式传感器有变气隙式、变截面积式和螺管式；互感式传感器有变气隙式和螺管式；电涡流传感器有高频反射式和低频透射式电感式传感器主要特征：具有线圈绕组。 优点：结构简单，工作可靠、灵敏度高，分辨率高；测量精度高，线性好，性能稳定，输出阻抗小，输出功率大；抗干扰能力强，适合在恶劣的环境下工作。 缺点：频率响应低，不易用于快速动态测量；存在交流零位信号，

2、传感器的灵敏度、分辨率、线性度和测量范围相互制约，测量范围越大，灵敏度、分辨率越低。 自感式传感器 互感式传感器 压磁式传感器 电涡流式传感器分 类自感式传感器结构：原理：铁心上绕有线圈，并加交流激励。当衔铁随被测量变化而移动时，铁心与衔铁之间的气隙磁阻随之变化，引起线圈的自感发生变化。因此，自感式传感器实质上是一个具有可变气隙的铁心线圈。自感式传感器分类 常用的自感式传感器按磁路几何参数变化形式的不同，有变气隙式 ，变面积式 和 螺管式 三种；按铁心的结构形式分，有型、E型或罐型等等；按组成方式分，有单一式与差动式两种变气隙式自感传感器铁芯线圈衔铁1、单一式变气隙型自感传感器单一式自感传感器

3、的基本结构如图。由电工学知，线圈自感为：N 线圈的匝数Rm 磁路的总磁阻Rmi 第i段磁路的磁阻 li 第i段磁路的平均长度i 第i段磁路的导磁率 Ai 第i段磁路的横截面积其中：总磁阻及电感计算铁芯线圈衔铁对图所示的自感传感器，整个磁路分为铁心、衔铁和空气隙3段，磁路总磁阻为：假设：铁心与衔铁采用同样材料，且截面相同，即A1=A2=Ar， 1 2 0 r ，令ll1+l2 对于变气隙型自感传感器，因很小，可以认为气隙截面积与铁心及衔铁截面积相等，即Ar=A，于是，总磁阻又化简为：得铁心、衔铁总磁阻空气隙的总磁阻得线圈自感：自感变化量若设初始气隙为0，则初始电感为：电感变化量为：若衔铁向下移动

4、灵敏度分析 变气隙电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度是相互矛盾的。为了提高灵敏度，实际中常采用差动式变气隙传感器。差动式变气隙式型自感传感器 差动自感传感器是由两只完全对称的单一式自感传感器公用一个活动衔铁而构成的自感传感器。差动式变气隙式型自感传感器由得：1、差动式为简单式电感传感器灵敏度的2倍；2、非线性减小，简单式电感传感器非线性误差为/，而差动式的非线性误差为(/)2；3、克服温度等外界共模信号干扰。变面积型自感传感器 变面积型自感传感器只是改变气隙截面积A，而并不改变铁心截面积Ar，为使问题简化，我们可忽略公式：中的RF,因为一般R RF于是，将Rm 代入公式：得 由于自感与气隙截

5、面积A成正比，因此，变面积型自感传感器的输出输入关系恒为线性！螺管型自感传感器螺管式自感传感器由螺管线圈、衔铁和磁性套筒组成，磁性套筒构成线圈中的外部磁路，并作为传感器的磁屏蔽。随着衔铁插入深度的不同将引起线圈泄漏磁通路径中磁阻变化，从而使线圈的自感发生变化。自感式传感器总结变气隙式、变面积式和螺管式三种类型自感传感器相比较，变气隙式灵敏度最高，螺管式灵敏度最低。变气隙式的主要缺点是：非线性严重，为了限制非线性误差，示值范围只能较小；它的自由行程受铁心限制，制造装配困难。变面积式和螺管式的优点是具有较好的线性，因而示值范围可取大些，自由行程可以按需要安排，制造装配也较方便。此外，螺管式与变面积

6、式相比，批量生产中的互换性好。由于具备上述优点，而灵敏度低的问题可在放大电路方面加以解决，因此：目前螺管型自感传感器的应用越来越多！电感式测量电路-变压器电桥电路初始平衡状态下：Z1=Z2=Z, u0=0设衔铁偏离中间零点时，设变化Z, 即Z1=Z+Z，Z2=Z-Z，或反之。得：由于输出为交流电压，所以电路只能确定衔铁位移大小，不能判断位移的方向。电感式测量电路-带相敏检波的电桥电路U0的大小反映位移的大小，U0的极性反映位移的方向如果设衔铁下移，使：Z1=Z+ZZ2=Z- Z那么，U电压变化时，U0的极性是否变化呢？先假设A电压大于B电压再假设B电压大于A电压电感式测量电路-调频电路 传感器

7、自感变化将引起输出电压频率的变化。将传感器的电感线圈L与一个固定电容C接到一个振荡电路G中。电感式传感器应用1. 压力测量电感式传感器应用2. 差动式电感测厚仪互感式传感器互感式传感器把被测非电量转化为互感量的变化。是根据变压器原理制成的，也叫差动变压器。结构形式主要有变气隙式、变面积式和螺线管式。在非电量测量中，应用较多的是螺线管式，它可测量1100mm的位移，具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点。可测位移、压力等。螺管式差动变压器结构工作原理：初级线圈接入交流激励电压，次级线圈感应产生输出电压。被测量使衔铁移动，引起初、次级线圈间的互感变化，输出电压因而也相应变化。一般这种传

8、感器的次级线圈有两个，且按差动方式连接，故常称为差动变压器式传感器，简称差动变压器。等效电路误差分析 由于传感器的两次绕组的电气参数与几何尺寸不对称，以及磁性材料的非线性（磁饱和、磁滞）影响，当衔铁位于中心位置时，输出电压并不等于零，出现零点残余电压；进而导致两次绕组的感应电动势幅值不等、相位不同. 在实际应用中，应设法减小零点残余电压（一般小于几十毫伏）. 解决：在制作工艺上力求结构对称、磁路对称、线圈对称、铁心和线圈材料均匀；采用电阻、电容补偿电路、差动整流电路等。补偿电路测量电路（1）测量电路（2）差动变压器的输出电压是调幅波，为了判别衔铁的移动方向，需要进行解调，常用的调制电路有：差动

9、相敏检波电路和差动整流电路。1. 微压力传感器差动变压器的应用微压力传感器电路差动变压器的应用2. 加速度传感器差动变压器的应用加速度传感器电路差动变压器的应用电涡流式传感器 电涡流式传感器是基于电涡流效应而工作的传感器。其主要优点是可实现非接触式测量。 电涡流效应成块的金属置于激励线圈产生的交变磁场中，金属体内就要产生感应电流，这种电流的流线呈闭合曲线，类似水涡形状，故称为电涡流。这种现象称为电涡流效应。 基本原理：就是将传感器与被测体间的距离转换为传感器的品质因数Q值、等效阻抗Z及等效电感L 三个参数，并用相应的测量电路来测量。 电涡流式传感器 在金属导体上方放置一个线圈,当线圈中通入交变

10、电流I1时,线圈的周围就产生交变磁场H1,则金属导体中将产生感生电流I2（电涡流）。此电涡流将产生交变磁场H2，它的方向与磁场H1方向相反，由于磁场H2的反作用使导电线圈的电感量、阻抗及品质因数等发生变化，这些参数变化量的大小与金属导体的电阻率、磁导率、几何形状以及线圈与金属导体间的距离有关。 限制其它参数不变，让其中某个参数变化，就构成了测量该参数的传感器。电涡流式传感器工作原理反射式电涡流传感器透射式电涡流传感器反射式电涡流式1、结 构2、工作原理3、等效电路4、测量原理及应用结 构采用了最常用的结构形式高频反射式结构.工作原理等效电路（1） 根据基尔霍夫定律，可得电压平衡方程组： 由此解

11、出等效阻抗为：等效电路（2）线圈的品质因数由无涡流时的Q0L1 / R1 ，下降为： 由于电涡流的影响，线圈的阻抗的实数部分增大，虚数部分减小，因此线圈的品质因数下降！其中： , 测量原理及应用(1)线圈金属导体系统的阻抗Z、电感L和品质Q都是此系统互感系数M 平方的函数，而M 又是线圈与金属导体之间距离X 的非线性函数。金属导体的电阻率、磁导率以及线圈激励频率f，将影响短路环的电阻R2和电感L2及互感M。因此，反射式涡流传感器的阻抗Z、电感L和品质因数都是由、 、f、X等多参数决定的多元函数。 如果只改变其中一个参数，其余参数均保持不变，则反射式涡流传感器便成为测定这个可变参数的传感器。测量

12、原理及应用(2)反射式应用大致有四个方面：利用位移X作为变换量，可以测量位移、厚度、振动、转速等，也可以做成开关、计数器等；利用电阻率作为变换量，可以测量温度、判别材质；利用磁导率作变换量，可以测量应力、硬度等；利用变换量、X等综合影响可以做成探伤装置。 如果所测为非导电物体，只要在被测物体靠近传感器线圈一侧附贴一块面积足够大的金属片即可！或者你能想到什么好办法？ 如何测量非导电物体？透射式电涡流式 透射式涡流传感器由发射线圈L1、接收线圈L2和位于两线圈中间的被测金属板组成，如右图所示: 当在L1两端加交流激励电压U1,L2两端将产生感应电压U2.当两线圈之间无金属板时，L1的磁场就能直接贯串L2，这时U2最大；当有金属板后，其产生的涡流削弱了L1的磁场，造成U2下降。金属板厚度越大，涡流越大，U2越小。d金属板厚度h涡流贯串深度（趋肤效应）k比例常数感应电压与金属板厚度关系感应电压与厚度 如右图所示为感应电压与金属板厚度d的关系。可见，可以利用U2的大小来反应金属板的厚度。 而且，当激励频率f较