现代检测技术第3章电感式传感器

主讲人：郑建毅厦门大学机电工程系第3章电感式传感器2电感式传感器概述电感型传感器（InductanceSensor）是利用电磁感应把被测物理量（如位移、振动、压力、流量、比重等)转换成自感系数L或互感系数M的变化。再进一步利用转换电路转换成电压或电流。特点：①

结构简单，无触点，工作可靠寿命长；②

灵敏度分辨率高，能测0.01μm的变化，输出信号强（1mm位移～1百mv输出）；③

线性度和重复性较好，在一定位移几十µm～数mm内，非线性误差可做到0.05%～0.1%，且稳定性好。在工业检测系统中广泛应用。缺点：频率响应较低，不宜快速动态测控。灵敏度、线性度和测量范围相互制约3大纲一、自感式传感器工作原理输出特性测量电路应用实例二、差动变压器式传感器工作原理测量电路应用实例三、电涡流式传感器工作原理测量电路应用实例4一、自感式传感器（变磁阻式）工作原理变磁阻式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料制成。线圈中电感量可由下式确定：根据磁路欧姆定律：式中,Rm为磁路总磁阻。气隙很小，可以认为气隙中的磁场是均匀的。若忽略磁路磁损，则磁路总磁阻为5工作原理通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻，即则上式可写为：可得：上式表明：当线圈匝数为常数时，电感L仅仅是磁路中磁阻Rm的函数，改变δ或A0均可导致电感变化，因此变磁阻式传感器又可分为：变气隙厚度δ的传感器和变气隙面积A0的传感器。

目前使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器。一、自感式传感器（变磁阻式）6一、自感式传感器（变磁阻式）输出特性：L与δ之间是非线性关系，特性曲线如图所示。变隙式电压传感器的L-δ特性分析：当衔铁处于初始位置时，初始电感量为

当衔铁上移Δδ时，传感器气隙减小Δδ，即δ=δ0－Δδ，则此时输出电感为7一、自感式传感器（变磁阻式）输出特性当Δδ/δ0<<1时（泰勒级数）：可求得电感增量ΔL和相对增量ΔL/L0的表达式，即同理，当衔铁随被测体的初始位置向下移动Δδ时，有上面两个结果做线性处理，即忽略高次项后，可得同理，可求得电感增量ΔL和相对增量ΔL/L0的表达式，即8一、自感式传感器（变磁阻式）灵敏度可见：变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾，因此变隙式电感式传感器适用于测量微小位移的场合。灵敏度：单位气隙厚度变化引起的电感量相对变化衔铁上移切线斜率变大非线性衔铁下移切线斜率变小非线性无论上移或下移，非线性都将增大9一、自感式传感器（变磁阻式）差动变隙式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隙式电感传感器。差动变隙式电感传感器衔铁上移Δδ：两个线圈的电感变化量ΔL1、ΔL2分别表示:差动传感器电感的总变化量具体表达式为:10对上式进行线性处理,即忽略高次项得一、自感式传感器（变磁阻式）差动变隙式电感传感器灵敏度K0为比较单线圈式和差动式：①差动式变间隙电感传感器的灵敏度是单线圈式的两倍。②差动式的非线性项(忽略高次项)：单线圈的非线性项（忽略高次项)：由于Δδ/δ0<<1，因此，差动式的线性度得到明显改善，非线性误差减小。11一、自感式传感器（变磁阻式）螺管式自感传感器特点：测量范围大，数百毫米，灵敏度低，大量程直线位移。差动螺管式自感传感器测量范围1~200mm线性度0.1%~1%分辨率<0.01um12自感式传感器一般采用调幅电路。一、自感式传感器（变磁阻式）测量电路1.变压器电桥电桥的输出电压为：1）当铁芯处于中间位置时，2）当铁芯向下移动时，3）当铁芯向上移动时，13一、自感式传感器（变磁阻式）测量电路2.带相敏整流的交流电桥既能判别衔铁位移的大小，又能判断衔铁位移的方向；消除零点残余电压，还改善了线性度。1）当铁芯处于中间位置时，2）当铁芯向上移动时，3）当铁芯向下移动时，14自感式传感器的应用1、电感测微仪探头测量电桥交流放大相敏检波指示器振荡器变气隙式电感测微仪动态测量范围：±1mm分辨率：1um精度：3%1516自感式传感器的应用17自感式传感器的应用2、电感压力传感器——变气隙式结构F18自感式传感器的应用19自感式传感器的应用20自感式传感器的应用21二、差动变压器式传感器（互感式）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(a)、(b)变隙式差动变压器(c)、(d)螺线管式差动变压器(e)、(f)变面积式差动变压器22螺线管式差动变压器工作原理两个次级线圈反相串联，并且在忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下,其等效电路：当初级绕组加以激励电压U时,根据变压器的工作原理,在两个次级绕组W2a和W2b中便会产生感应电势E2a和E2b。如果工艺上保证变压器结构完全对称,当活动衔铁处于初始平衡位置时,必然会使两互感系数M1=M2。根据电磁感应原理,将有E2a=E2b。由于变压器两次级绕组反相串联,因而Uo=E2a-E2b=0,即差动变压器输出电压为零。23螺线管式差动变压器工作原理

当活动衔铁向上移动时,由于磁阻的影响，W2a中磁通将大于W2b，使M1>M2，因而E2a增加，而E2b减小。反之，E2b增加，E2a减小。因为Uo=E2a-E2b，所以当E2a、E2b

随着衔铁位移x变化时，Uo也必将随x而变化。

当衔铁位于中心位置时，差动变压器输出电压并不等于零，我们把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压，记作ΔUo，它的存在使传感器的输出特性不经过零点，造成实际特性与理论特性不完全一致。24螺线管式差动变压器工作原理25螺线管式差动变压器基本特性根据差动变压器等效电路。当次级开路时式中：U——初级线圈激励电压；

ω——激励电压U的角频率；

I1——初级线圈激励电流；

r1、

L1——初级线圈直流电阻和电感。根据电磁感应定律，次级绕组中感应电势的表达式分别为:由于次级两绕组反相串联，且考虑到次级开路，则由以上关系可得输出电压的有效值为26螺线管式差动变压器①活动衔铁处于中间位置时M1=M2=M

故Uo=0②活动衔铁向上移动时M1=M+ΔM，M2=M-ΔM

故与E2a同极性。.③活动衔铁向下移动时M1=M-ΔM，M2=M+ΔM

故与E2b同极性。.27二、差动变压器式传感器差动变压器式传感器测量电路问题：（1）差动变压器的输出是交流电压(用交流电压表测量，只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的方向);（2）测量值中将包含零点残余电压。为了达到能辨别移动方向和消除零点残余电压的目的，实际测量时，常常采用差动整流电路和相敏检波电路。28

(1)差动整流电路

这种电路是把差动变压器的两个次级输出电压分别整流，然后将整流的电压或电流的差值作为输出。从图（c）电路结构可知，不论两个次级线圈的输出瞬时电压极性如何，流经电容C1的电流方向总是从2到4，流经电容C2的电流方向总是从6到8，故整流电路的输出电压为

当衔铁在零位时，因为U24=U68，所以U2=0；当衔铁在零位以上时，因为U24>U68

，则U2>0；而当衔铁在零位以下时，则有U24<U68，则U2<0。U2的正负只能判断衔铁的位置在零位处或上下，但不能判断运动的方向。..........29(2)相敏检波电路

输入信号uy(差动变压器式传感器输出的调幅波电压)通过变压器A加到环形电桥的一个对角线上。参考信号ua通过变压器B加到环形电桥的另一个对角线上。输出信号u’y从变压器A与B的中心抽头引出。平衡电阻R起限流作用，以避免二极管导通时变压器B的次级电流过大。RL为负载电阻。ua的幅值要远大于输入信号uy的幅值，以便有效控制四个二极管的导通状态，且ua和差动变压器式传感器激磁电压u1由同一振荡器供电，保证二者同频同相（或反相）。

当位移Δx>0，u0与uy’为同频同相。不论u0与uy’是正半周还是负半周，负载电阻RL两端得到的电压始终为正。当位移Δx<0时：u0与uy’为同频反相。不论u0与uy’是正半周还是负半周，负载电阻RL两端得到的输出电压始终为负。30(2)相敏检波电路31变隙式差动变压器输出特性1理想特性；2实际特性对测量产生的影响：1、零点残余电压的存在，会造成零点附近的不灵敏区。2、零点残余电压输入放大器内会使得放大器末级趋向饱和，影响电路正常工作。产生原因：1、传感器的两次级绕组的电气参数与几何尺寸的不对称，导致它们产生的感应电势幅值不等，相位不同，构成零点残余电压的基波。零点残余电压及其组成（a）残余电压波形；(b)波形分析两次级绕组相位差不等于180°时的差动输出电压零点残余电压32零点残余电压磁化曲线非线性引起磁通波形失真零点残余电压的消除方法1、从设计和工艺上保证结构对称性产生原因：2、由于磁性材料磁化曲线的非线性，产生了零点残余电压的高次谐波（三次谐波），提高加工精度，线圈选配成对，采用磁路可调节结构。选用高导磁材料，并经过热处理，消除残余应力，提高磁性材料的均匀性和稳定性。磁路工作点选在磁化曲线的线性段。2、选择合适的测量线路采用相敏检波后的输出特性3、采用补偿线路调相位式残余电压补偿电路33差动变压器式传感器的应用34差动变压器式传感器的应用差动变压器式传感器的应用35差动变压器式传感器的应用差动变压器式传感器的应用36三、电涡流式传感器电涡流现象：由物理学知，当通过金属体的磁通发生变化时，会在金属里感应电势，该电势会在金属体中产生电流，这种电流的流线形状成闭合回路，似水中漩涡称涡电流。电涡流式传感器特点：结构简单，频率响应快、灵敏度高、抗干扰能力强、体积较小，具有非接触测量的优点。可用来测量振动、位移、厚度、转速、表面温度等。线圈阻抗变化与金属导体的电阻率、磁导率有关。对于非磁性材料，被测体的电导率越高，则灵敏度越高。但当被测体是磁性材料时，其导磁率将影响电涡流线圈的感抗，迟滞损耗还将影响电涡流线圈的Q值，所以其灵敏度要视具体情况而定。37三、电涡流式传感器(1)工作原理:

交变电流传感器线圈被测导体交变磁场H1电涡流交变磁场H2参数变化(电感、阻抗、品质因素等)输出信号

当通有一定交变电流的电感线圈L靠近金属导体时，在金属周围产生交变磁场，在金属表面将产生电涡流i2。电涡流又将形成一个方向相反的磁场。该磁场反作用于线圈L，改变线圈电感量的大小。电感L的变化程度与线圈的几何尺寸、距离x和ρ、μ等各种因素有关。传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的函数关系式为Z=F(ρ,μ,x,ω)

式中,r为线圈与被测体的尺寸因子。

测量方法：如果保持上式中其它参数不变，而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测量电路测出阻抗Z的变化量，即可实现对该参数的测量。38电涡流传感器测量电路1.调频式电路传感器线圈接入LC振荡回路，当传感器与被测导体距离x改变时，在涡流影响下，传感器的电感变化，将导致振荡频率的变化，该变化的频率是距离x的函数，即f=L(x),该频率可由数字频率计直接测量，或者通过f-V变换，用数字电压表测量对应的电压。振荡器的频率为为了避免输出电缆的分布电容的影响，通常将L、C装在传感器内。此时电缆