第5章-电感式传感器

第5章

电感式传感器5.1概述5.2自感式传感器5.3差动变压器式传感器5.4电涡流式传感器5.5电感式传感器测量电路5.6应用工作原理电磁感应

被测非电量自感系数L互感系数M测量电路U、I、f电感式传感器的定义利用线圈自感和互感的变化实现非电量电测的装置。电感式传感器的感测量位移、振动、压力、应变、流量、比重等。电感式传感器的种类

根据转换原理：自感式（変磁阻式）、互感式（差动变压器式）、电涡流式三种；

根据结构形式：气隙型、面积型和螺管型。5.1概述优点

①结构简单、可靠②分辨率高机械位移0.1μm，甚至更小；输出信号强，电压灵敏度可达数百mV/mm。

③重复性好，线性度优良在几十μm到数百mm的位移范围内，输出特性的线性度较好，且比较稳定。④能实现远距离传输、记录、显示和控制不足不宜高频动态测量。电感式不圆度测量系统外形

（参考洛阳汇智测控技术有限公司资料）旋转盘测量头利用电磁感应原理将被测非电量转换成线圈自感系数L的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出，这种装置称为自感式传感器，也称为变磁阻式传感器。1.工作原理δ线圈铁芯衔铁Δδ结构：线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫（铁镍）合金制成，在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为δ，传感器的运动部分与衔铁相连。5.2自感式（变磁阻式）传感器☞气隙变小，电感变大，电流变小F自感式传感器的工作原理演示

式中：N---线圈匝数RM---磁路总磁阻（磁路欧姆定律）线圈自感为:δ线圈铁芯衔铁Δδ

若很小，且不考虑磁路铁损，则磁路总磁阻为:铁芯磁导率远大于空气的磁导率，因此铁芯磁阻远较气隙磁阻小则线圈自感L为：分类：变气隙厚度δ0的电感式传感器；变气隙面积S0的电感式传感器；0002.变磁阻式传感器基本类型（1）变气隙式（闭磁路）自感传感器l0线圈铁芯衔铁Δl设初始气隙长度为l0，初始电感量为L0，衔铁位移引起的气隙变化量为Δl0，则由电感量表达式可知L与l0为非线性关系，特性曲线如图所示。变气隙式自感式传感器L与l0关系初始电感量为：若衔铁下移∆δ：δ=δ0+∆δ自感的相对变化量为：

则电感减小，变化量为ΔL：一般，则上式可由泰勒级数展开成级数形式为忽略高次项，可得自感变化与气隙变化成近似线性关系：

变气隙式自感传感器的灵敏度为：灵敏度K随初始气隙的增大而减小。。因此变隙式常用于测量微小位移的场合，

变气隙型电感传感器为了减小非线性误差,实际测量中广泛采用差动变气隙式电感传感器，采用两个电气参数和几何尺寸完全相同的传感线圈共用一个衔铁来构成。

附图差动变气隙型电感传感器变气隙式电感传感器位移行程很小，一般

=0.1~0.2

差动式：

=2mm，

=0.2~0.4mm

较大行程位移测量，常用的螺管式电感传感器如果采用差动变隙型电感传感器，则灵敏度提高一倍。

螺管型电感传感器（2）螺管式自感（开磁路）传感器传感器工作时，衔铁在线圈中伸入长度的变化将引起螺管线圈电感量的变化。对于长螺管线圈l>>r，当衔铁工作在螺管的中部时，可以认为线圈内磁场强度是均匀的，线圈电感量L与衔铁的插入深度大致上成正比。这种传感器结构简单，制作容易，灵敏度较低，适用于测量较大的位移量。rx螺管线圈铁芯l载流螺线管在轴线上任一点P（P点位移为x）处产生的磁场，根据图和毕奥—沙伐尔—拉普拉斯定律(简称毕—沙—拉定律)可得式中，l——螺管长；W——线圈总匝数；I——线圈电流强度；——P点至两端点连线与轴线的夹角；；r——螺管内径。

假设,则可认为B值沿径向均匀分布，且沿轴向B随x变化，这样，当P点位于轴线上不同位置时，其B值也不同，为计算方便，取其平均值，即当线圈空心时，其电感值为当，上式可近似为当半径为rc，磁导率为μm的铁心插入螺管线圈时，插入部分的磁阻下降，磁感应强度B值增大，从而使电感值增加。根据以上求法可以求得当运动铁心插入线圈内长度为lc时，电感值为此时，螺管内电感总量为当,，上式可近似为当传感器的结构和材料确定以后，式中只有lc为变量，即L=f(lc)，（近似线性关系）所以当铁心随外作用产生不同lc时，就有相应的电感值L。因此，线圈空心时，其电感值为

由螺管型单极式自感传感器的工作原理可知，由于线圈电流的存在，运动铁心受到单向电磁力的作用，而且线圈电感量易受电源电压和频率及温度变化等因素的影响，测量精度较低。因此，为了改善灵敏度及线性度，提高测量精度，常采用差动技术以改善其性能，由两个单一结构的对称组合就构成了螺管型差动式自感传感器。

螺线管差动式自感传感器螺管型差动式自感传感器由于组合的两个螺线管是对称的，设初始时铁心位于中央位置，因此铁心两边的初始电感是相等的，为当铁心由中间位置向右移动Δlc后，将使右边电感增加而左边电感减少，即它们的电感值分别为

螺管型差动式自感传感器可以推导，每边的灵敏度：因此，要使初始电感L10和L20

增大，必使lc和rc增大，但从灵敏度来看，lc的增大又使灵敏度降低，两者是矛盾的，综合考虑通常取lc=l/2。

K=(L0-L1)/Δl0(5.8)5.3互感式(变压器式)传感器

应用最多的是螺线管式互感传感器,它可以测量1～100mm范围内的机械位移。

互感式传感器：把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化的传感器。该传感器工作原理很象变压器的工作原理，次级绕组采用差动形式连接,故又称变压器式传感器。

结构形式：1初级线圈;2.3次级线圈;4衔铁4123螺管型基本元件有衔铁、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。两个次级绕组反向串联，在忽略铁损、导磁体磁阻和绕组分布电容的理想条件下，螺管型互感式传感器等效电路如图所示。根据互感知识，输出电压：衔铁处于中间位置衔铁左移衔铁右移即随着衔铁偏离中心位置的Δx变化，互感式传感器的输出电压也将发生变化。

理想情况下当铁心位于中心平衡位置时，差动变压器输出电压应为零，但实际上存在有零点残余电压Δ

U0，必须设法减小。根据电磁感应定律，次级绕组中感应电动势的表达式分别为

当次级开路时在两个次级绕组反向串联和次级开路的条件下输出电压的有效值注意问题：(2)线性度一般差动变压器的线性范围约为线圈骨架长度的1/10~1/4。(3)温度特性差动变压器的使用温度通常为80℃（1）应用时激磁频率一般在400Hz到5kHz的范围内选择。

随着频率的变化，实际上不只是灵敏度而且线性度也要受到影响。如果希望有良好的线性度，对某一激磁频率，必须相应选择适的铁芯长度。根据法拉第电磁感应原理，成块的金属置于变化的磁场中，或者在磁场中作切割磁力线运动时，金属导体内就要产生呈涡旋状的感应电流，感应电流的流线在金属导体内是闭合的，所以称为电涡流，这种现象称为电涡流效应。根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。

5.4电涡流式传感器目前生产的变间隙位移传感器，量程范围为300～800mm。电磁炉的工作原理

高频电流通过励磁线圈，产生交变磁场，在铁质锅底会产生无数的电涡流，使锅底发热，烧开锅内食物。电磁炉内部的励磁线圈电涡流传感器结构很简单，由传感器线圈和被测金属导体两部分组成。

高频电流线圈靠近被测金属，线圈上的高频电流所产生的高频电磁场在金属表面上产生电涡流。线圈通入交变电流I1，在线圈的周围产生交变的磁场H1位于该磁场中的金属导体上产生感应电动势并形成涡流I2涡流I2也产生相应的磁场H2，H2与H1方向相反H2的作用引起线圈等效阻抗、等效电感和品质因素等发生相应的变化。电涡流传感器原理图3.3.1工作原理其中，传感器线圈受电涡流效应时等效阻抗Z的函数关系式为Z=F(ρ,μ,r,f,x)，线圈等效阻抗的变化反映了金属导体的涡流效应。

如果保持上式中其它参数不变，只改变其中一个参数，传感器线圈阻抗Z就仅仅是这个参数的单值函数。通过与传感器配用的转换电路测出阻抗Z的变化量，即可实现对该参数的测量，从而构成测量该参数的传感器。常用的电涡流测距传感器，即是在ρ（金属电阻率），μ（金属磁导率），r（金属厚度），I（励磁电流），f（励磁频率）恒定不变时，阻抗仅是距离x的单值函数。R1、L1为传感器线圈的电阻和电感；短路线圈电阻为R2、电感为L2；由于传感器线圈与金属导体之间存在磁性联系，故它们间存在互感M，互感随线圈与金属导体间距离的减小而增大。1—传感器线圈；2—电涡流短路线圈电涡流式传感器等效电路

简化模型及等效电路根据等效电路可列出电路方程组：

解方程组，可得线圈复阻抗：

线圈的等效电感：因此，电涡流传感器的工作原理，实际上是由于受到交变磁场作用的导体产生的电涡流起到调整线圈原来阻抗作用的结果。为同时研究阻抗实、虚两部分，常用品质因数Q来表示。可见：因涡流效应，等效阻抗Z的实部增大，虚部减少，即等效的品质因素Q减小。说明电涡流将消耗电能，在导体上产生热量。品质因素：线圈质量参数Q=ωL/R，Q越大线圈损耗越小，反之损耗越大111

5.5电感式传感器的测量电路

电感式传感器实现了把被测量的变化为电感量的变化。为了测出电感量的变化，就要用转换电路把电感量的变化转换成电压（或电流）的变化。1.电感式传感器的测量电路（1）脉冲调宽式测量电路（参见第4章电容式传感器）（2）交流电桥电路2.差动变压器式传感器的测量电路

（3）精密2极管检波电路3.电涡流式传感器的测量电路（4）调频式（参见第4章电容式传感器）

（5）调幅式图中B点的电压为：图中A点的电压为：输出电压：讨论：（1）当铁芯处于中间位置时，Z1=Z2=Z，这时U0=0,电桥平衡；（2）当铁芯向下移动时，下面线圈的阻抗增加，Z2=Z+ΔZ，上面线圈的阻抗减小，Z1=Z-ΔZ得：（2）交流电桥电路（3）当铁芯向上移动同样大小的距离时，Z2=Z-ΔZ,Z1=Z+ΔZ，得：

幅值为：输出电压幅值为:（2）、（3）两种情况的输出电压大小相等，方向相反，由于E是交流电压，难以区分，所以输出电压U0在输入到指示器前必须先进行整流、滤波。

当ωL>>Rs时，U0=±①衔铁中间位置②衔铁上移L1增大，自感电动势增加；L2减小，自感电动势减少。

正半周→E点电势高，F点低通路E→J→G→F，UG降低通路E→K→H→F，UH升高负半周→F点电势高，E点低通路E→J→H→F，UG降低通路E→K→G→F，UH升高结论：无论是正半周还是负半周，衔铁上移时UG<UH。为了既能判断衔铁位移的大小，又能判断衔铁位移的方向，通常在交流测量电桥中引入相敏整流电路，把电桥的交流输出转换为直流输出。相敏检波电路

③衔铁下移L1增小，自感电动势减少；L2减大，自感电动势增加。

结论：无论正半周还是负半周，衔铁下移时UG>UH。衔铁下移时，UG>UH;衔铁上移时，UG<UH。通过相敏检波电路输出电压的正负可判断衔铁位移的方向。相敏检波电路输出电压的大小和正负判断衔铁位移的大小和方向。

（3）精密2极管检波电路

课本107页图5.19由精密整流电路，滤波器和加法器组成。a.精密全波整流电路当vi<0时，运放的输出电压Vo’为正，二极管D1截止，D2导通，相当于反相比例放大器，其输出电压Vo=-（R2／R1）Vi=-Vi当vi>0时，运放的输出电压Vo’为负，二极管D2截止，D1导通，输出电压Vo=Vi若取R2=R1=R输出电压为

当时，通，止。