第4章-电感式传感器

第四章电感式传感器原理利用线圈的自感或互感的变化来实现测量的传感器。被测物理量位移振动压力流量比重的变化线圈自感系数L互感系数M的变化电路电压电流电感传感器优点：灵敏度高，分辨力高，位移：0.1m；精度高，线性特性好，非线性误差：0.05%0.1%；性能稳定，重复性好；结构简单可靠、输出功率大、输出阻抗小、抗干扰能力强、对工作环境要求不高、寿命长能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制等。电感式传感器分类自感型互感型涡流式传感器—压磁式高频反射式—自感型低频透射式—互感型§4-1自感式传感器若很小，且不考虑磁路铁损，则

根据电工学：线圈中的电感量li

各导磁体长度

空气隙间隙i

各导磁体相对导磁率

0

空气隙导磁系数Si

各导磁体截面积S

空气隙截面积因为

铁芯、

衔铁>>

气隙，所以，R铁芯+R衔铁<<R气隙

一、工作原理电感传感器的三种型式气隙变化型—变气隙的间隙(a)面积变化型—变气隙的截面积S(b)螺管型—变衔铁与线圈重合长度(c)(a)(b)(c)二、自感计算及特性分析气隙型：单圈不适宜精密测量差动线性好、灵敏度高截面型：理论上线性差动灵敏度提高2倍螺管型：存在高次非线性误差项差动减小非线性误差，灵敏度提高差动形式

为了增加灵敏度，改善线性，往往做成差动式的。差动优点：（1）.大大的改善了线性，减小线性误差；（2）.使灵敏度提高一倍。

自感式传感器的分类比较三、转换电路变压器电桥（差动自感式传感器）输出空载电压初始平衡状态，Z1=Z2=Z，u0=0，当衔铁偏离中间零点时，Z1＝Z+，Z2＝Z-

衔铁移动方向相反时令品质因数较大，则Z2Z1u0U/2U/2§4-2互感式传感器一、工作原理

利用线圈互感随被测量变化的传感器。传感器本身是互感系数可变的变压器，当一次侧线圈接入激励电源后，二次侧线圈就将产生电压输出，互感变化时，输出电压将作相应变化。一般这种传感器的二次侧线圈有2个，接线方式又是差动的，故有称为差动变压器式传感器。互感现象：当一次侧线圈通入激励电流I1时，它将产生磁通11，一部分磁通12穿过次级线圈，产生互感电势e磁链互感系数一、工作原理e1

初级线圈的激励电压L2a、L2b

次级线圈的电感R、L1

初级线圈的电阻和电感R2a、R2b

次级线圈的电阻

Ma、Mb

初级与次级线圈的互感系数N1

初级线圈的匝数N21、N22

次级线圈的匝数差动变压器式传感器差动变压器等效电路在初级线圈中

次级线圈中的感应电势

感应电势的有效值

初始位置，衔铁处于中间位置

当衔铁上升L

当衔铁下降LE2与E2a同相

E2与E2b同相

二、互感式传感器的分类气隙型：灵敏度高但测量范围小，一般用于几微米~几百微米的位移。由于示值范围小、非线性严重，已较少使用。截面型：测量直线位移极少，常用来测角位移。一般可分辨零点几秒以下的微小角位移，线性范围达100。螺管型：示值范围大，自由行程可任意安排，装配也较方便，因而获得了较广泛的应用。可测量几纳米~1米的位移，但灵敏度稍低。各种差动变压器三、输出特性－零点残余电压

从理论上讲，在衔铁处于中间位置时输出电压应为零，但实际存在零点残余电压，它由这样一些因素引起：两个次级线圈不对称初级线圈铜耗电阻的存在导磁体靠近的安装位置、铁芯长度等激磁频率的高低铁磁材质不均匀线圈间存在分布电容减小零点残余电压的方法尽可能保证传感器几何尺寸，线圈电气参数和磁路的对称。选用导磁性能好的材料制作保护外壳，这同时可起到磁屏蔽罩的作用。控制铁心的最大工作磁感强度，以便使磁路工作在磁化曲线的线性段，减小高次谐波。选用合适的测量电路可减小零位电压输出，如相敏检波电路。这样不仅可判别衔铁的移动方向，还可减小零点残余电压。采用补偿电路。补偿电路基本原则：串联电阻可以减小零点残余电压的基波份量；并联电阻电容可以减小谐波分量；加反馈支路可减小基波和谐波分量。测量原理演示四、应用压力测量加速度测量液面高度测量§4-3电涡流式传感器广泛用于测量位移、振动、厚度、转速、温度、硬度等及无损探伤工作原理金属导体置于变化着的磁场中，或者在磁场中运动时，在金属导体中会感应出一圈圈自相闭合的电流，这就是电涡流——涡流效应。形成涡流必备2个条件

电涡流的形成范围电涡流的径向形成范围

与线圈外径有固定的比例关系。电涡流的轴向贯穿深度

电涡流强度与距离的关系

电涡流传感器的分类高频反射式涡流传感器低频透射式涡流传感器根据激励频率不同分为一、高频反射式涡流传感器

线圈上通交变高频电流I1线圈产生高频交变磁场H1产生高频交变涡流I2涡流产生反磁场H2削弱原交变磁场H1导致线圈L、R、Q的改变二、低频透射式涡流传感器

UL1

同频交变电流产生一交变磁场磁力线切割M

产生涡流i

到达L2的磁力线减少（无M时磁力线直接贯穿L2）

E的下降若将激励频率降低，涡流的贯穿深度会加厚，成为低频透射式电涡流传感器，常用来测金属材料厚度。三、等效电路等效电路克希霍夫定律Z、L、Q四、转换电路电桥电路：利用Z值谐振电路：利用L值调幅：调频：五、涡流传感器的应用

位移x的变化电量的变化可做成位移、振幅、厚度等传感器电导率的变化电量的变化可做成表面温度、材质判别等磁导率的变化电量的变化可做成应力、硬度等传感器x、、的综合影响可做成材料探伤装置

1、位移测量涡流位移计

2、厚度测量3、振幅测量涡流振幅计

4、转速测量涡流转速计

5、涡流探伤仪

探测金属材料的表面裂纹、热处理裂纹及焊缝裂纹

6、温度测量=0[1+(t-t0)]

保持其它条件不变，则t变化变化输出电压变化

可测钢材压延时压滚温度，液、气态介质温度，且测温时有一个很大的特点是热惯性小（约0.001s），动态响应好，能做快速测温工作。7、自动控制中工件是否到位等的检测接近开关

接近开关应用实例一接近开关应用实例二§4-4压磁式传感器压磁效应

磁致伸缩效应：

铁磁材料在磁场中磁化时，在磁场方向会伸长或缩短。（正、负）物体磁化时，不但在磁化方向上会伸长或缩短，在偏离磁化方向的其它方向上也同时伸长或缩短，只是随着偏离角度的增大其伸长或缩短比逐渐减小，直到接近垂直于磁化方向反而要缩短或伸长。压磁效应

铁磁物体被磁化时如果受到限制（相当于外部加力）而不能伸缩，内部会产生应力，应力使各磁畴之间的界限发生移动，使磁畴磁化强度矢量转动，也使材料的磁化强度矢量重新取向，从而改变了铁磁材料的磁性质（磁导率），这种现象称压磁效应。

对正磁致伸缩材料而言，拉应力将使磁化方向转向拉应力方向，加强拉应力方向的磁化，从而使拉应力方向的磁导率增大。反之压应力将使磁化方向转向垂直于压应力的方向，削弱压应力