传感器技术第四章重点课件

第四章电感型传感器

电感型传感器是利用电磁感应把被测物理量位移、压力等转换成自感系数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。电感型传感器分为自感、互感、电涡流型式。第一节自感式传感器

第二节差动电感传感器第三节差动变压器式传感器第四节电涡流式传感器

第五节电感型传感器的应用

第六节电感型传感器综合训练第一节自感式传感器

利用线圈自感的变化来实现非电量电测的一种装置。对位移压力、压力、振动、应变、流量等进行测量。自感式传感器有变隙式、变面积式和螺线管式三种。一、变隙式结构：如图4-1所示，由线圈、铁芯、衔铁等组成。

工作原理：传感器工作时，衔铁与被测体连接。当被测体产生±δ的位移时，衔铁与其同步移动，引起磁路中气隙的磁阻发生相应的变化。从而导致线圈电感的变化。只要测出这种电感量的变化，就能确定衔铁（被测体）位移量的大小和方向。基本特性：传感器输出电感L和输入量δ之间的关系，由磁路基本知识而知（N—线圈匝数；Rm—磁路总磁阻）。由于铁芯和衔铁的磁阻远小于气隙磁阻，所以忽略铁芯和衔铁的磁阻。∴（δ—气隙厚度；S—气隙截面积;μ—真空磁导率，近似空气。）∴当匝数N确定，若保持面积S为常数，则L是气隙厚度δ的函数，即L=F（δ）。如图4-2所示。电感量L与气隙厚度δ成正比。输入与输出是非线性。灵敏度：K===K0==-可以看出，δ越小，Ｋ越高，为保证线性度，只能用于微小位移的测量。二、变面积式

结构：如图4-3所示。由线圈、铁芯、衔铁等组成。

工作原理：传感器工作时，衔铁与被测钢性连接。保持气隙厚度δ0为常数，则L=f(s)，当被测产生±△X的位移时，衔铁与铁芯之间相对覆盖面积随之变化，引起磁路中气隙的磁阻发生相应的变化，从而导致线圈的电感发生变化。

基本特性：L=f(s)

当线圈匝数N确定，若保持气隙厚度δ为常数，L是面积S的涵数。即

得：L与S成正比，输入与输出呈线性关系，如图4-4所示。

灵敏度:线性区小，Ｋ低，故不太用

三、螺线管式单线螺线管式机构：如图4-5所示，主要由螺线管线圈和衔铁组成。工作原理：传感器工作时，衔铁在线圈中伸入长度的变化将引起螺线管线圈电感量的变化。一般情况（L＞＞r），被测体与衔铁钢性连接。当衔铁处于螺线管中间位置时，可以认为线圈内磁场强度均匀，此时，空心线圈（铁芯插入长度X=0）的电感为Ｌ0＝＝其中：μ0—气隙磁导率；Ａ—线圈内孔截面积；ｗ—线圈匝数；r—线圈内半径；2L—线圈长度。

基本特性：若插入铁芯的X段螺线管的电感增量为△L，则总电感量为：L=L0+△L=L0[1+（μr-1）（）2]传感器电感的相对增量为：

=(μr-1)()()灵敏度：对L求导，得单线圈螺线管电感传感器的灵敏度为：KL==上式表明，KL为常数，△L与X成线性关系。可以看出，单线圈螺线管电感传感器测量范围大、线性度好、结构简单和便于制作。广泛应用于测量大量程直线位移。缺点为灵敏度较低。第二节差动电感传感器

上述三种电感传感器使用时，由于线圈通有交流励磁电流，因而衔铁始终承受电磁吸力，会引起振动及附加误差，而且非线性误差较大；另外，外界的干扰如电源电压频率的变化，温度的变化都使输出产生误差。所以在实际工作中常采用差动形式，既可以提高传感器的灵敏度，又可以减小测量误差。一、差动变隙式传感器结构：如图4-6所示由差动线圈、铁芯、衔铁等组成。工作原理：当衔铁随被测量移动而偏离中间位置时，两线圈的电感量一个增加，一个减小，形成差动。若衔铁向上移动△δ时，两线圈电感量发生变化：△L1、△L2，则总的电感变化量为：

当δ＞＞△δ时，忽略△δ2，则：

基本特性：差动式与单线圈电感传感器的电感L和气隙厚度δ之间的关系如图4-7所示。通过比较可以看出，差动式电感传感器灵敏度约为非差动式电感传感器的两倍。从图4-7还可看出，差动式电感传感器的线性较好，且输出曲线较陡，灵敏度较高。采用差动式结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对外界影响，如温度的变化、电源频率的变化等也基本上可以互相抵消，衔铁承受的电磁吸引力也较小，从而减小了测量误差。灵敏度：二、差动螺线管式传感器结构：两个完全相同的螺线管相接，由差动线圈、衔铁等组成。如图4-8所示。工作原理：铁芯初始状态处于对称位置上，使两边螺线管的初始电感值相等

式中：L10、L20—分别为线圈Ⅰ、Ⅱ的初始电感值；

r—线圈内半径；

W=W1=W2—每个线圈的匝数；

L—线圈长度；

ｕr—活动铁芯相对磁导率；

rc—活动铁芯半径；

2Lc—活动铁芯长度。

例如：当铁芯右移△X后，右边电感值增加，左边电感值减小。

灵敏度：

两只线圈的灵敏度大小相等，符号相反。第三节差动变压器式传感器

一、工作原理前面介绍的自感式传感器是把被测位移量转换为线圈的自感变化，这里我们将讨论的互感传感器则是把被测位移量转换为线圈间的互感变化。传感器本身相当一个变压器，当一次线圈接入电源后，二次线圈就产生感应电动势。当互感变化时，感应电动势也相应变化。由于传感器常做成差动的形式，故称为差动变压器式传感器。目前应用最广泛的是螺线管式差动变压器。差动变压器的结构原理如图4-9所示。在线框上绕有一组输入线圈（称一次线圈）；在同一线框上另绕两支（一组）完全对称的线圈（称二次线圈），它们反向串联组成差动输出形式。理想差动变压器的原理如图4-10所示。当一次线圈加入激励电源后，其二次线圈产生感应电动势、，且

；

式中：—激励电源角频率；

一次线圈与二次线圈之间的互感；

—次线圈的激励电流。

由于反向串联，所以二次线圈空载时的输出电压为

差动变压器输出特性如图4-11所示。图中x表示衔铁位移量。当差动变压器的结构及电源电压一定时，互感系数的大小与衔铁的位置有关。

当衔铁处于中间位置时，所以=0。

当衔铁偏离中间位置向上移动时，与之间的互感大，，互感减小，，所以

同理，当衔铁偏离中间位置向下移动时，可得

综合向上移动和向下移动的两式可得：差动变压器式传感器除了以上结构形式外，还有其他的结构形式。美国贝克曼（Beckman）公司生产的差压变送器采用图4-12所示的结构。它的特点是体积小、线性好。该传感器的上下互感线圈采用蜂房扁平结构，当被测压差为零时，圆片状铁氧体与两线圈间的距离相等，为零。当它在被测压力作用下而上下移动时，改变了上下互感线圈的互感系数，输出电压反映了铁氧体的位移大小与方向。二、主要性能灵敏度：差动变压器的灵敏度用单位位移输出的电压或电流来表示。性能优良的差动变压器，其灵敏度可达（0.1～5）V/mm，有时也用单位位移、单位激励电压下输出的电压值来表示，即mV/(mm·V).

影响灵敏度的因素有：电源电压和频率；差动变压器一、二次线圈的匝数比；衔铁直径与长度，材料质量；环境温度；负载电阻等。

为了获得高的灵敏度，在不使一次线圈过热情况下，适当提高励磁电压，电源频率以400HZ～10KHZ为佳。此外，提高灵敏度还可以采取以下措施：提高线圈Q值；活动衔铁的直径在尺寸在允许的情况下尽可能大些，这样有效磁通较大；选用导磁性好，铁损小，涡流损耗小的导磁材料等等。线性范围：理想的差动变压器输出电压应与衔铁位移成线性关系。实际上由于衔铁的直径、长度、材质和线圈骨架的形状、大小的不同等均对线性有直接的影响。差动变压器一般线性范围约为线圈骨架长度的1/10左右。由于差动变压器中间部分磁场是均匀的且较强，所以只有中间部分线性较好。第四节电涡流式传感器

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。为了充分利用电涡流效应，被测体的半径应大于线圈半径的1.8倍，否则将致使灵敏度降低。被测体为圆柱体时，它的直径必须为线圈直径的3.5倍以上，才不影响测量结果。而且被测体的厚度也不能太薄，一般情况下，只要厚度在0.2mm以上，测量就不受影响。另外在测量时，传感器线圈周围，除被测导体外，应尽量避开其他导体，以免干扰磁场，引起线圈的附加损失。一、

结构：由线圈、框架等组成，如图4-13所示。二、原理：

当线圈线通以正弦交变电流时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场,置于此磁场中的金属导体中感应出电涡流，又产生新的交变磁场。由楞次定律可得：的作用将反抗原磁场，从而，导致线圈阻抗发生变化。

简化模型：如图4-14所示。经验公式

2R=1.39D2r=0.525D其中：D为线圈外径；R为涡流区外径；r为涡流区内径。→导体电阻率f→交变磁场频率µr→相对磁导率等效电路：如图4-15所示。

根据克希霍夫定律：其中：R1、L1为空心线圈电阻和电感；R2、L2为涡流等效电阻和电感；M为线圈与金属导体之互感系数

讨论：电涡流式传感器的等效电气参数都是互感M的函数，被测参数变化可转换成传感器、、

的变化。利用Q值的转换电路使用较少，利用Z的转换电路一般用桥路，属于调幅电路。利用L的转换电路一般用谐振电路，输出的是电压幅值（调幅），是电压频率（调频）。第五节电感型传感器的应用

自感式电感传感器和差动变压器式传感器主要用于位移测量、凡是能转换成位移变化的参数，如压力、压差、加速度、振动、工件尺寸等均可测量。一.电感式滚柱直径分选以前用人工测量和分选轴承用滚柱的直径是一项十分费时且容易出错的工作。图4-16是电感式滚柱直径分选装置的示意图。

由机械排序装置送来的滚柱按顺序进入电感测微仪。电感测微仪的测杆在电磁铁的控制下，先是提升到一定的高度，让滚柱进入其正下方，然后电磁铁释放，衔铁向下压住滚柱，滚柱的直径决定了衔铁位移的大小。电感传感器的输出信号送到计算机，计算出直径的偏差值。完成测量的滚柱被机械装置推出电感测微仪，这时相应的翻板打开滚柱落入与其直径偏差相对应的容器中。从4-16中的虚线可以看到，批量生产的滚柱直径偏差的概率符合随机误差的正态分布。以测量和分选步骤均是在计算机控制下进行的。二.微压力测量图4-17是YST-1型差动压力变送器，它适用于测量各种生产流程中液体、水蒸气及气体的压力。在无压力（即P=0）时，固接在膜盒中心的衔铁位于差动变压器的初始平衡位置，即保证传感器输出电压为零。当被测压力P由接头1输入到膜盒中心时，膜盒2的自由端面（图示上端面）便产生一个与P成正比的位移，且带动衔铁6在垂直方向向上移动，因此，差动变压器有正比于被测压力的输出。此电压经过安装在线路板4上的电子线路处理后，送给二次仪表，加以显示。三.电涡流测转速若旋