机电工程第四章

第四章电感式传感器电感式传感器的工作原理：电磁感应。它是把被测量如位移等，转换为电感量变化的一种装置。按照转换方式的不同，可分为自感式、互感式和电涡流式三种。用途及特点：常用来测量位移、振动、压力、应变、流量、比重等物理量参数。优点：具有结构简单、工作可靠、寿命长、使用范围广缺点：存在交流零位信号，不适宜高频动态测量。

F

将一只交流接触器线圈与交流毫安表串联后，接到机床用控制变压器的36V交流电压源上，这时毫安表的示值约为几十毫安。用手慢慢将接触器的活动铁心（称为衔铁）往下按，我们会发现毫安表的读数逐渐减小。当衔铁与固定铁心之间的气隙等于零时，毫安表的读数只剩下十几毫安。

4－1自感式电感传感器基本工作原理演示气隙变小，电感变大，电流变小F基本工作原理

当铁心的气隙较大时，磁路的磁阻Rm也较大，线圈的电感量L和感抗XL

较小，所以电流I较大。当铁心闭合时，磁阻变小、电感变大，电流减小。自感式电感传感器常见的形式变隙式变截面式螺线管式一、变气隙式自感传感器

根据电磁感应定律，当线圈中通以电流i时，产生磁通，其大小与电流成正比式中，W—线圈匝数;

L—线圈电感，单位为亨(H)；根据磁路欧姆定律，磁通φm为：所以，线圈电感(自感)可用下式计算:1、线圈电感的计算如果空气隙δ较小，而且不考虑磁路的铁损时，则磁路总磁阻为：

式中:

l—导磁体(铁芯)的长度(m)；μ—铁芯导磁率(H/m)；A—铁芯导磁横截面积(m2);δ—空气隙长度(m);μ0—空气导磁率；A0—空气隙导磁横截面积(m2)。2、磁路总磁阻的计算因为μ＞＞μ0，则因此，自感L可写为：上式表明，自感L与气隙δ成反比，而与气隙导磁截面积A0成正比。当固定A0不变，变化δ时，L与δ呈非线性（双曲线）关系。此时，传感器的灵敏度为灵敏度S与气隙长度的平方成反比，δ愈小，灵敏度愈高。由于S不是常数，故会出现非线性误差，为了减小这一误差，通常规定δ在较小的范围内工作。3、灵敏度分析例如，若间隙变化范围为（），则灵敏度为由上式可以看出，当时，灵敏度S趋于定值，即输出与输入近似成线性关系。实际应用中，一般取。这种传感器适用于较小位移的测量，一般约为0.001～1mm.二、变面积式自感传感器若将变气隙式自感传感器的气隙厚度δ保持不变，使气隙导磁截面积A随被测非电量而变，即构成变面积式自感传感器。

变面积式自感传感器输出特性呈线性，因此测量范围大。与变气隙式相比，其灵敏度较低。欲提高灵敏度，初始气隙厚度δ0不能过大，但同样受工艺和结构的限制，δ0的选取与变气隙式相同。工作原理演示变面积式自感传感器工作原理动画演示三、螺管式自感传感器它与前两种传感器相比，有以下特点：⑴结构简单，制造装配容易；⑵由于磁路大部分为空气，易受外部磁场干扰；⑶由于空气隙大，磁路磁阻大，固灵敏度较前两种低，但线性范围大；⑷由于磁阻高，为了达到某一电感量，需要的线圈匝数多，因而线圈分布电容大；四、差动式自感传感器：上述三种自感式传感器，由于线圈电流的存在，衔铁上始终作用有电磁吸力，影响测量准确度；而且易受电源电压、频率的波动与温度变化等外界干扰的影响，因此不适合精密测量。为了克服上述缺点，所以大都采用差动式。当衔铁向上移动时，两个线圈的电感变化量ΔL1、ΔL2

曲线1、2为L1、L2

的特性，3为差动特性结论：1、提高灵敏度可一倍2、改善了线性特性3、补偿误差4、辨向二、测量电路

u0(1)交流电桥输出空载电压初始平衡状态，Z1=Z2=Z,u0=0衔铁偏离中间零点时使用元件少，输出阻抗小,获得广泛应用z2z1u/2u/2上一页返回下一页传感器衔铁移动方向相反时空载输出电压两种情况的输出电压大小相等，方向相反，即相位差180为了判别衔铁位移方向，就是判别信号的相位，要在后续电路中配置相敏检波器来解决上一页返回下一页

（二)交流电桥的调幅作用(三)相敏检波电路

通过相敏检波电路可以得到一个大小和极性随被测信号的幅值和极性变化的电压，从而达到解调目的．但相敏植波电路的输出信号包含着被测信号和载波．为此，通常在相敏检波电路后边加一个低通虑波器．把调幅时引入的载彼滤掉，从而得到放大后的被测信号差动变压器式传感器的优点是：测量精度高，可达0.1μm；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。

差动变压器是把被测的非电量变化转换成线圈互感量的变化。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组用差动的形式连接，故称之为差动变压器式传感器。 变隙式变面积式 螺线管式4－2互感式传感器（差动变压器）变隙式差动变压器当一次侧线圈接入激励电压后，二次侧线圈将产生感应电压输出互感变化时，输出电压将作相应变化上一页返回下一页两个初级绕组的同名端顺向串联，而两个次级绕组的同名端则反向串联。当没有位移时，衔铁C处于初始平衡位置，它与两个铁芯的间隙为δa0=δb0=δ0两个次级绕组的互感电势相等，即e2a=e2b。由于次级绕组反向串联，因此，差动变压器输出电压当被测体有位移时，与被测体相连的衔铁的位置将发生相应的变化，使δa≠δb两次级绕组的互感电势e2a≠e2b，输出电压电压的大小反映了被测位移的大小，通过用相敏检波等电路处理，使最终输出电压的极性能反映位移的方向。1.工作原理上一页返回下一页一、工作原理：传感器主要由线圈、铁芯和活动衔铁三个部分组成。线圈包括一个初级线圈和两个反接的次级线圈，当初级线圈输入交流激励电压时，次级线圈将产生感压电动势e1和e2。由于两个次级线圈极性反接，因此，传感器的输出电压为两者之差，即ey=e1-e2。活动衔铁能改变线圈之间的藕合程度。输出ey的大小随活动衔铁的位置而变。当活动衔铁的位置居中时，即e1=e2，ey=0；当活动衔铁向上移时，即e1>e2，ey>0;当活动衔铁向下移时，即e1<e2，ey<0。活动衔铁的位置往复变化，其输出电压也随之变化，输出特性如图所示。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，又能补偿零点残余电压的差动直流输出电路二、电感式传感器的应用

一、位移测量轴向式电感测微器的外形

航空插头红宝石测头4－4电涡流式传感器一、工作原理：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为δ，当线圈输入一交变电流i时，便产生交变磁通量Φ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ρ、磁导率μ、厚度h，金属板与线圈的距离δ，激励电流角频率ω等参数有关。若改变其中某二参数，而固定其他参数不变，就可根据涡流的变化测量该参数。

如上图所示，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，其变化与距离认金属板的电阻率ρ、磁导率μ、激励电流i，及角频率ω等有关，若只改变距离δ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。根据涡流式传感器的简化模型，可以得出以下结论：

⑴金属导体上形成的涡流有一定的范围，当线圈与导体间的距离不变时，电涡流密度随着线圈外径的大小而变化。为了充分的利用涡流效应，被测导体的平面不应小于传感器线圈外径的2倍，否则灵敏度将下降。

⑵涡流强度随着线圈与导体间距离x的增大而迅速减小，由此可知，涡流强度与距离x呈非线性关系。为了获得较好的线性和较高的灵敏度，应使x/R＜＜1，一般取x/R＝0.05～0.15。

⑶金属导体内产生的涡流由于趋肤效应，电涡流不仅沿径向分布不均匀，而且贯穿金属导体的厚度有限。贯穿深度与励磁电流的频率成反比关系。

低频透射式涡流传感器的工作原理如下图所示，发射线圈ω1和接收线圈ω2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ω1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ω2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。二、测量电路：1.

调幅电路振荡器提供一个频率及幅值稳定的高频信号激励并联谐振回路LC。无被测导体时，使LC振荡回路的谐振频率f0等于振荡器的振荡频率，这时LC回路的阻抗最大，激励电流在LC回路上产生的压降最大。当传感器线圈接近被测导体时，线圈的等效电感发生变化，谐振回路的谐振频率和等效阻抗也跟着发生变化，使回路失谐，谐振峰值偏离原来的位置向两旁移动，输出电压亦发生相应变化。传感器离被测体越近，回路的等效阻抗越小，输出电压也越低。谐振峰值的移动方向与被测导体的材料有关。对非磁性材料，当距离减小时，线圈的等效电感减小，回路谐振频率提高。振荡器放大器检波器滤波器xLC耦合电阻2.调频电路调频测量电路是把传感器线圈接入振荡器，作为振荡器的一个电感元件，与调幅电路不同的是它是以频率作为输出量。当位移产生±△x变化时，引起线圈电感变化±△L，这个电感变化对振荡器调频，使振荡器的振荡频率产生±△f的变化。此频率可以用数字频率计直接测量，也可以通过鉴频器进行频率－电压转换变成输出电压。电路原理图