检测与传感技术：第03章 电感式传感器

1、 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感量（自感或互感）的一种装置。 可用来测位移、压力、振动等多种非电量，既可用于静态测量，又可用于动态测量。分类:电感式传感器自感型可变磁阻型涡流式互感型第三章 电感式传感器3.1 自感式传感器3.2 变压器式传感器3.3 电感式传感器的应用3.4 电涡流式传感器第3章 电感传感器a) 可变导磁面积型b）差动型c）单螺管线圈型d）双螺管线圈差动第三章 电感式传感器3-1 自感式传感器a) 气隙型 b) 截面型 c) 螺管型原理结构形式变间隙式、变面积式和螺管式。第三章 电感式传感器 三种类型一、自感式传感器的工作原理第三章 电感式传感器螺管式

2、电感传感器建立在磁路磁阻随着衔铁进入深度不同而变化的基础上。变气隙型传感器变截面型传感器 第三章 电感式传感器 铁心的结构和材料确定后，自感是气隙厚度和气隙截面积的函数。第三章 电感式传感器1. 变气隙式自感传感器 气隙的磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻 L与之间是非线性关系 磁路总的磁阻为 线圈的电感为 第三章 电感式传感器变间隙式电感传感器L-特性第三章 电感式传感器第三章 电感式传感器 （1）当衔铁上移时, 传感器气隙减小, 即=0, 则此时输出电感为L = L0+L, 当/0 1时, 可将上式用泰勒级数展开第三章 电感式传感器 （2）当衔铁下移时, 传感器气隙增大, 即=0, 则此时输出电感

3、为L = L0L。第三章 电感式传感器 差动变隙式电感传感器 1-铁芯；2-线圈；3-衔铁当衔铁向上移动时，两个线圈的电感变化量L1、L2 第三章 电感式传感器第三章 电感式传感器结论：差动式为简单式电感传感器灵敏度的2倍；非线性减小。简单式电感传感器非线性误差克服温度等外界共模信号干扰。，差动电感传感器非线性误差为 ；第三章 电感式传感器2. 变面积式自感传感器 灵敏度输入与输出呈线性关系，得到较大的线性范围。特点第三章 电感式传感器第三章 电感式传感器3. 螺线管式自感传感器1-螺线管线圈；2-螺线管线圈；3-骨架；4-活动铁芯 L10，L20分别为线圈、的初始电感值差动螺线管式电感传感器

4、结构原理图第三章 电感式传感器第三章 电感式传感器当铁芯右移后，使右边电感值增加，左边电感值减小 每只线圈的灵敏度为两只线圈的灵敏度大小相等，符号相反，具有差动特征。 第三章 电感式传感器第三章 电感式传感器二、自感线圈的等效电路 自感线圈不是一个纯电感，除了电感量L之外，还存在线圈的铜耗、铁心的涡流及磁滞损耗。ReRhCLIoRc自感线圈等效电路Rc 铜损电阻；Re 铁心涡流损耗；Rh 铁心的磁滞损耗；C 分布等效电容（线圈 绕组间）。第三章 电感式传感器三、自感传感器特点总结1、闭磁路电感传感器特点(气隙和截面型)（1）灵敏度高。目前可测0.1m的直线位移，输出信号比 较大，信噪比较好。（

5、2）全量程范围小，只适于测量较小位移。（3）存在非线性。（4）消耗功率大（有较大的电磁吸力的缘故）。（5）工艺要求不高，加工容易。2、开磁路电感传感器特点（螺线管中间插入可动铁心）（1）灵敏度比闭磁路电感传感器低，易受干扰。（2）全量程范围较大，达200300mm。（3）线性差，低于1%，必须做成差动形式。第三章 电感式传感器第三章 电感式传感器四、自感传感器配用电路被测量xL(M)转换电路及信号调节电量传感器转换电路类型：*调幅式：xA， 用的较多 调频式： xf（） 调相式： x(1) 变压器电路输出空载电压 衔铁偏离中间零点时 u0z2z1u/2u/2初始平衡状态，Z1=Z2=Z, u0

6、=0图 变压器电桥1、调幅电路第三章 电感式传感器传感器衔铁移动方向相反时 空载输出电压 只能确定衔铁位移的大小，不能判断位移的方向。为了判断位移的方向，要在后续电路中配置相敏检波器。 第三章 电感式传感器(2) 相敏检波电路电路作用：辨别衔铁位移方向。 U0的大小反映位移的大小，U0的极性反映位移的方向。消除零点残余电压。使x=0时，U0=0。图 相敏检波电路ABCD第三章 电感式传感器（3）谐振式调幅电路电路的灵敏度很高，但是线性差，适用于线性要求不高的场合。图 谐振式调幅电路第三章 电感式传感器谐振点的自感值传感器自感变化将引起输出电压频率的变化。 GCLf图 调频电路Lf02. 调频电

7、路第三章 电感式传感器 f 较大时有较高的精度。传感器电感变化将引起输出电压相位变化 3.调相电路图 调相电路第三章 电感式传感器第三章 电感式传感器自感传感器的灵敏度：（传感器测头+转换电路）总灵敏度传感器结构（测头）灵敏度：转换电路灵敏度：总灵敏度：传感器灵敏度单位：mV/（m V）五、传感器的灵敏度当电源电压为1V，衔铁偏移1 m 时，输出电压为多少mV。在调幅式电路中，当u0=0时，应有Z1=Z2=Z，而Z包含两部分R和L，只有两部分分别相等时（即R1=R2，L1=L2），才能保证u0=0。但在实际中很难达到，实际的u0 x曲线如图，x=0时， u0=e0，称为零点残余电压。第三章 电

8、感式传感器六、零点残余电压u0z2z1u/2u/2减小的措施：设计上：使上、下磁路对称，尽量减小铜损电阻Rc，增大铁心的涡流损Re及磁滞损Rh以提高线圈的品质因数；制造上：使上、下磁性材料一致。零部件配套挑选，线圈排列均匀、一致。调整方法：串（并）接电阻、并联电容方法。电路上：利用相敏检波可以减小零残。第三章 电感式传感器RcuLuRuZReh电感的等效电路零残电压过大带来的影响：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，造成放大电路后级饱和，仪器不能正常工作。重要指标，不能过大Rc是铜损电阻，Reh是Re与Rh并联的等效值，分别为铁芯涡流损耗和磁滞损耗。C为线圈自身

9、电容第三章 电感式传感器R1：调整，使得零点残余基波信号消失；R2：消除二次谐波和三次谐波，并联R2，使高次谐波减到最小；C：两个二次电压不同相，引起零点残余误差，调整C，使零点误差最小。第三章 电感式传感器3-2 变压器式传感器一、工作原理 变压器式传感器是将非电量转换为线圈间互感M的磁电机构，很象变压器的工作原理，称为变压器式传感器，多采用差动结构。第三章 电感式传感器abABCW2aW2bW1aW1b A、B为两个山字形固定铁心，在其窗中各绕有两个线圈，W1a及W1b为1次绕组，W2a及W2b为2次绕组，C为衔铁。 当没有非电量输入时， ，绕组W1a和W2a间的互感Ma与绕组W1b和W2

10、b间的互感Mb相等。 当衔铁位置改变 时 ，则 ，此互感的差值即可反映被测量的大小。第三章 电感式传感器 为反映差值互感，将两个一次绕组的同名端顺向串联，并施加交流电压Ua，而两个二次绕组的同名端反向串联，同时测量串联后的合成电势E2。*W1a*W1bW2aW2bUaE2 E2值的大小决定于被测位移的大小，E2的方向决定于位移的方向。 二次绕组W2a的互感电势； 二次绕组W2b的互感电势。二、结论1、供电电源必须是稳幅和稳频的；2、N1/N2比值越大，灵敏度越高；3、0初始空气隙不宜过大，否则灵敏度会下降；4、电源幅值应适当提高，但应以铁心不饱和为限。第三章 电感式传感器第三章 电感式传感器电

11、感式传感器一般用于接触测量，它主要用于位移测量，也可以用于振动、压力、流量、液位等参数测量。3-3 电感式传感器的应用厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,压缩,垂直度;压力,流量,液位;张力,重力,负荷量;扭矩,应力,动力;气压,温度;振动,速度,加速度;等.可测量的物理量包括第三章 电感式传感器 板的厚度测量 张力测量第三章 电感式传感器测头测杆电感线圈磁芯旁向式差动电感式传感器总行程： 1.5mm 测量力：0.40.7N示值变动性：0.2m轴向式差动电感式传感器总行程： 3mm 测量力：0.450.65N示值变动性：0.03m总行程：1.5mm 测量力：0.120.18N示值变动性：0.05m第

12、三章 电感式传感器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第三章 电感式传感器特点：可单传感器测量，也可两个传感器进行和差演算测量 档 位测量范围分辨率示值误差第一档100.010.05第二档1000.10.5第三档1000110指标电感测微仪电感测微仪是一种能够测量微小尺寸变化的精密测量仪器，它由主体和测头两部分组成，配上相应的测量装置（例如测量台架等），能够完成各种精密测量。例如，检查工件的厚度、内径、外径、椭圆度、平行度、直线度、径向跳动等，被广泛应用于精密机械制造业、晶体管和集成电路制造业以及国防

13、、科研、计量部门的精密长度测量。目前，国内常用的电感测微仪有指针式和数字式两种 。第三章 电感式传感器轮廓仪轮廓仪：测量工件表面轮廓状况的仪器 按起伏节距的大小分为：微观不平度、波度、宏观几何形状误差微观不平度：表面粗糙度，其粗高与粗距都很小。波 度：是一种周期性的起伏，其波距比波高大得多。宏观形状误差： 如直线度、平面度、圆度误差 等，它的波距很大，在一个表面上只有几个起伏，甚至不呈周期性变化。 第三章 电感式传感器第三章 电感式传感器 典型电动轮廓仪组成框图第三章 电感式传感器第三章 电感式传感器3-4 电涡流式传感器 电涡流传感器可以测量位移、厚度、转速、振动、硬度等参数，还可以进行无损

14、探伤，是一种应用广泛且有发展前途的传感器。 电涡流传感器是利用电涡流效应原理，将位移等非电量转换为阻抗的变化（或电感的变化，或Q值的变化），从而进行非电量电测的。电涡流效应：金属导体置于变化的磁场中，导体内会产生感应电流，这种电流像水中漩涡那样在导体内转圈，称之为电涡流或涡流下图所示为高频反射式涡流传感器工作原理。金属板置于一只线圈的附近，它们之间相互的间距为，当线圈输入一交变电流i时，便产生交变磁通量,金属板在此交变磁场中会产生感应电流i1，这种电流在金属体内是闭合的，所以称之为涡电流或涡流。涡流的大小与金属板的电阻率、磁导率、厚度h，金属板与线圈的距离，激励电流角频率等参数有关。若改变其中

15、某二参数，而固定其他参数不变，就可根据涡流的变化测量该参数。第三章 电感式传感器 低频透射式涡流传感器的工作原理如右图所示，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。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随材料厚度h的增加按负指数规律减少,如图所示，因此，若金属板材料的性质一定，则利用e2的变化即可测量其厚度。

16、第三章 电感式传感器第三章 电感式传感器一、工作原理H1H2 一个通有交变电流 的线圈，由于电流的变化，在线圈周围就产生一个交变磁场H1，当被测导体置于该磁场范围之内，被测导体内便产生电涡流 ，电涡流也将产生一个新磁场H2， H2与H1方向相反，因而抵消部分原磁场，从而导致线圈的电感量、阻抗和品质因数发生改变。 线圈等效外半径第三章 电感式传感器 一般地说，传感器线圈的阻抗、电感和品质因数的变化与导体的几何形状、电导率、磁导率有关，也与线圈的几何参数、电流的频率以及线圈到被测导体间距离有关。如果控制上述参数中一个变化，其余皆不变化，就可以构成测位移、测温度、测硬度等各种传感器。 下面分析一下电

17、涡流对电路参数的影响。第三章 电感式传感器R2R1L1L2M 首先把被测导体上形成的电涡流等效为一个短路环，这样可使得分析问题更简便。这个简化模型可用下面的等效电路图来表示。 假定传感器线圈原有电阻R1，电感L1，则其复阻抗 Z1=R1+jL1 当有被测导体靠近传感器线圈时，则成为一个耦合电感，线圈与导体之间存在一个互感系数M，互感系数随线圈与导体之间距离的减小而增大。短路环可看作一匝短路线圈，电阻为R2，电感为L2。 根据基尔霍夫定律，列出电路方程组：第三章 电感式传感器解方程组，可知传感器工作时复阻抗为： 电感为：电阻为：品质因数：被测参数的变化，可以引起L，R和Q的变化第三章 电感式传感

18、器涡流传感器所用的转换电路可以选用Z, L和Q中的任一参数，并将其转换成电量，即可达到测量的目的。这样，金属导体的电阻率p，磁导率u、线圈与金属导体的距离x，以及线圈激励电流的角频率w等参数，都将通过涡流效应和磁效应与线圈阻抗发生联系。Z=f（p，u，x，w），若能控制其中大部分参数恒定不变，只改变其中一个参数，这样阻抗就能成为这个参数的单值函数。因此，测量电路的任务是把这些参数的变化变换成电压、频率的变化。可以用以下三种类型的测量电路：电桥电路、谐振电路、正反馈电路。通过补偿可以在一定程度上扩大距离的测量范围。第三章 电感式传感器二、电涡流式传感器特性1、电涡流强度与距离的关系不考虑电涡流分

19、布的不均匀性，可以得到导体中电涡流强度为： I1 线圈激励电流； x 线圈到被测体的距离； I2 导体中产生的电涡流。x/ras00.5112345I2/I1 I2随x增加而急剧减小。为能得到较强的涡流效应，应使 x/ ras 1。可见线圈外径ras与被测位移量 x 有密切关系。 用涡流传感器测量位移时，只在很小的测量范围内能得到较好的线性和较高的灵敏度。 第三章 电感式传感器2、被测导体对传感器灵敏度的影响（1）被测导体的电阻率P和相对磁导率越小，传感器的灵敏度愈高。 （2）由于涡流式位移传感器是高频反射式涡流传感器，因此，被测导体必须达到一定的厚度，才不会产生电涡流的透射损耗，使传感器具有较高的灵敏度。一般要求被测导体的厚度大于两倍的涡流穿透深度。 D/d012340.51.0传感器灵敏度K（3）只有在 D/d 大于3.5时，传感器灵敏度才有稳态值。 dD三、电涡流传感器的测量电路 根据传感器线圈与被测导体间的距离 x 的变化可以转换为品质因数Q、阻抗Z、线圈电感L三个参数的变化。 1、调幅式电路 L、C0组成谐振电路，谐振频率 第三章 电感式传感器源极跟踪器交流放大器检波滤波器xVDC振荡器RC0L第三章 电感式传感器当被测导体距传感器线圈相当远时，传