传感器-04电感式传感器

传感器原理及应用2014年4月29日PrinciplesandApplicationsofTransducer机械与汽车工程学院主讲：黄海鸿电邮：allenhuanghaihong@163.com地址：机械楼417室1第四章电感式传感器原理：应用电磁感应原理，将被测非电量（如：位移、压力、应变、流量等）转换成电感量的变化，包括自感和互感的变化，然后通过测量电路转换成电压或电流形式输出，实现非电量测量的一种装置。电感：在通过一定数量变化电流的情况下，线圈产生自感电动势的能力，称为线圈的电感量，即电感。自感：当线圈中有电流通过时，线圈的周围就会产生磁场。当线圈中电流发生变化时，其周围的磁场也产生相应的变化，此变化的磁场可使线圈自身产生感应电动势。互感：两个电感线圈相互靠近时，一个电感线圈的磁场变化将影响另一个电感线圈，称为互感，其大小取决于电感线圈的自感与两个电感线圈耦合的程度。2电磁感应1820年，奥斯特发现电流的磁效应法拉第发现电磁感应原理(1831年)变化的磁场可以使线圈产生感应电流一个线圈电流变化，可以使另一个线圈产生感应电流。导电线圈中的感应电动势与穿过线圈的磁通量的变化率成正比：e=–dφ/dt磁棒3电感式传感器的类型按工作原理分类自感应原理：自感式电感传感器互感应原理：互感式电感传感器按结构分类闭合磁路结构

整个闭合磁路都由磁性材料组成，环形磁芯就是典型的闭磁路开磁路结构 磁路中有明显的空气间隙，简称气隙，如U型永磁体4本章主要内容第一节自感式传感器第二节差动变压器第三节

电涡流式传感器第四节

电感式传感器应用第五节

电涡流式传感器应用54.1自感式传感器基本原理由线圈、铁心和衔铁等组成。当衔铁随被测量变化而上、下移动时，铁心气隙、磁路磁阻随之变化，引起线圈电感量的变化，然后通过测量电路转换成与位移成比例的电量，实现了非电量到电量的变换线圈电感：L=N2/Rm式中，N——线圈匝数；

Rm——磁路总磁阻特点：是一个具有可变气隙的铁心线圈！磁阻：磁路中的一个与电路中的电阻相对应的物理量

64.1自感式传感器基本原理磁路总磁阻Rm的组成

Rm

=R1

+R2+Rδ当气隙较小（一般空气隙总长lδ为0.1~1mm）时，可以认为气隙磁场呈均匀分布，用空气隙磁阻Rδ代替总磁阻Rm，则线圈电感：L≈N2/Rδ

=N2μ0S/lδ

式中，μ0—真空磁导率；S—气隙磁通截面积；N—线圈匝数。R1R274.1自感式传感器气隙型电感传感器原理特性曲线电感：L=f(S,lδ)式中，lδ—空气隙总长，

S—气隙磁通截面积。84.1自感式传感器变隙式气隙型电感传感器当空气间隙lδ在正反两个方向变化不同的间隙Δlδ时，电感的变化量ΔL具有不对称性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，只适用于微小位移量的检测：

lδ/2=0.1~0.5mm，Δlδ

=(0.1~0.2)lδ/2lδ

–Δlδ

lδ

lδ＋Δlδ

lδ94.1自感式传感器变隙式气隙型电感传感器灵敏度系数：KL=L0/

lδ相对非线性误差：δL

=|Δlδ/lδ|提高传感器特性（灵敏度、非线性）的方法：——采用差动式

lδ/2=2mm左右，

Δlδ

=(0.1~0.2)lδ/21.铁心;2.线圈;3.衔铁。104.1自感式传感器变面积式气隙型电感传感器气隙长度lδ保持不变，令磁通截面积S随被测量变化而变化。线性度较好，但灵敏度仍然较低。由于受到工艺和结构的限制，欲增大测量范围，可采用螺管型电感传感器。L≈N2/Rδ

=N2μ0S/lδ

线圈铁芯衔铁衔铁移动方向11变面积式气隙型电感传感器–输出特性4.1自感式传感器124.1自感式传感器螺管型电感传感器由螺管线圈、圆柱形铁心和磁性套筒等组成。随着铁心插入深度的不同，将引起线圈泄漏路径中磁阻变化，从而使螺管线圈的电感发生变化。当用恒流源激励时，线圈的输出电压与铁心的位移量有关。铁心134.1自感式传感器单螺管线圈型电感传感器螺管线圈内磁场强度：由于螺管长度l有限，轴向磁场分布是不均匀的。如果l>>r，在x=l/2附近：当铁心长度lc<l时，电感相对变化量：铁心螺管线圈内磁场分布曲线lcrc导磁体（铁心）相对磁导率为一辅助物理量14b）可采用差动式结构形式的螺管型电感传感器：

线圈I和线圈II以及可动衔铁组成。当衔铁在中间位置时当衔铁左右移动时，或变化一个大小相等符号相反的所以可知差动形式（差动电感传感器）其灵敏度可比原单个螺管式电感传感器灵敏度提高1倍。结论：a）正比于（而实际上磁场强度分布不均匀，其关系是非线性的）差动结构测量范围为5~50mm，非线性误差为±0.5%154.1自感式传感器螺管型电感传感器的特点结构简单，制造装配容易由于空气间隙大，磁路的磁阻高，因此灵敏度低，但线性范围大由于磁路大部分为空气，易受外部磁场干扰由于磁阻高，为了达到某一电感量，需要的线圈匝数多，但也导致线圈分布电容大要求线圈框架尺寸和形状必须稳定（注意导磁体和线圈骨架的加工精度、导磁体材料与线圈绕制的均匀性）为了提高灵敏度和线性度，用差动式螺管型代替单线圈螺管型，但要保证磁路的对称性，减小零位电压164.1自感式传感器自感式电感传感器性能比较变隙式气隙型灵敏度较高,但非线性误差较大，且制作装配比较困难变面积式气隙型在忽略气隙磁通边缘效应的条件下，输出特性呈线性，因此可望得到较大的线性范围。与变隙式相比，其灵敏度较低，量程较大，使用比较广泛。欲提高灵敏度，需减小气隙，但也受到工艺和结构的限制螺管型灵敏度较低，但量程大且结构简单，易于制作和批量生产,是使用最广泛的一种电感式传感器。为提高灵敏度与线性度，常采用差动螺管式电感传感器，可以实现：测量范围为5~50mm，非线性误差为±0.5%17图所示一简单电感式传感器。尺寸已示于图中。磁路取为中心磁路，不记漏磁，设铁心及衔铁的相对磁导率为104，空气的相对磁导率为1，真空的磁导率为4π×10-7H.m-1,试计算气隙长度为零及为2mm时的电感量。图中所注尺寸单位均为mm.

184.2差动变压器组成：铁心、初级线圈、次级线圈、线圈框架等原理：初级线圈作为差动变压器激励用；两个次级线圈反向串接而成，以差动方式输出。初级线圈与次级线圈之间的互感随衔铁位移变化而变化。相当于一个输出电压可变的变压器。1初级线圈;2,3

次级线圈;4铁心1243123(a)气隙型

(b)螺管型比较组成磁路结构互感差动变压器初级、次级线圈开磁路随铁心位置而变化变压器原边、副边闭合磁路常数（有确定的磁路尺寸）194.2差动变压器由于初级线圈存在电流I1，次级线圈中产生磁通φ21、φ22，相应的磁通在经过线圈时的磁阻为Rm1、Rm2。于是次级线圈中的感应电压为e21、e22，输出电压为：

e2=e21

–e22差动变压器输出特性曲线0e2e21e22x副Ⅰ副Ⅱ原线圈～～～e2R21R22e21e22e1R1M1M2L21L22L1I1差动变压器等效电路204.3电涡流式传感器原理：涡流效应电涡流：当通过金属导体的磁通发生变化时，就会在导体中产生感应电流。这种电流在导体中是自行闭合的。涡流效应：当金属导体置于变化着的磁场中或在磁场中做切割磁力线运动时，导体内就会产生呈涡旋状的感应电流。电涡流的产生必然要消耗一部分能量，从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化，该物理现象称为涡流效应。用途可以非接触测量物体表面为金属导体的多种物理量，如位移、振动、厚度、转速、应力、硬度等参数。也可用于无损探伤。214.3电涡流式传感器有一通以交变电流的传感器线圈。由于电流的存在，线圈周围产生一个交变磁场H1。若被测导体置于该磁场范围内，导体内将产生电涡流，也将产生一个新磁场H2，H2与H1方向相反，力图削弱原磁场H1，导致线圈的电感、阻抗和品质因数发生变化。形成涡流必备两个条件存在交变磁场导电体处于交变磁场之中

涡流穿透深度h

224.3电涡流式传感器高频反射式电涡流传感器主要由一个固定在框架上的扁平线圈组成1线圈；2框架；3框架衬套；4支架；5电缆；6插头234.3电涡流式传感器高频反射式电涡流传感器高频(>1MHz)

激励电流，产生的高频磁场作用于金属板的表面，在金属板表面将形成涡电流。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Z

的变化，其变化与距离δ

、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。高频反射式涡流传感器多用于位移测量。244.3电涡流式传感器低频透射式电涡流传感器主要由发射线圈、接收线圈组成，并分别位于被测材料上、下方。由振荡器产生的低频电压u1加到发射线圈L1两端，于是在接收线圈L2两端将产生感应电压u2，它的大小与u1的幅值、频率以及两个线圈的匝数、结构和两者的相对位置有关。采用低频激励，因而有较大的贯穿深度，适合于测量金属材料的厚度。254.3电涡流式传感器低频透射式电涡流传感器在两个线圈之间设置一金属板，由于在金属板内产生电涡流，该电涡流消耗了部分能量，使到达线圈L2的磁力线减小，从而引起u2的下降。金属板厚度越大，电涡流损耗越大，u2就越小。可见u2的大小间接反映了金属板的厚度。进行厚度测量时，激励频率应选得低点。频率太高，贯穿深度小于被测厚度，不利进行厚度测量，通常选1kHz左右。一般地说，测薄金属板时，频率应略高些；测厚金属板时，频率应低些。26利用电涡流法测板材厚度，已知激励电源频率f=1MHz，被测材料相对磁导率μr=1，电阻率ρ=2.9*10-6

Ω·cm，被测板厚为（1±0.2）mm。要求:(1)计算采用高频反射法测量时，涡流穿透深度h=？(2)能否用低频透射法测板厚？需要采取什么措施？ρ-Ω·cmf–Hzh-cm274.4电感式传感器应用主要用于测量微位移，凡是能转换成位移量变化的参数，如力、压力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位等，都可以用电感式传感器来进行测量测位移：测头的测端与被测件接触，被测件的微小位移使衔铁在差动线圈中移动，线圈的电感值将产生变化，这一变化量通过引线接到交流电桥，电桥的输出电压就反映被测件的位移变化量。28电感式传感器的优点

①结构简单、可靠②分辨率高机械位移0.1μm，甚至更小；角位移0.1角秒。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、显示和控制电感式传感器的不足存在交流零位信号，不宜高频动态测量。4.4电感式传感器应用294.4电感式传感器应用电感式位移传感器induNCDT系列位移传感器：主要用于位移、振动、转速测量。传感器的前置放大器被集成安装在传感器壳体里，其输出信号与测量位移成正比。在传感器测量量程内线性精度优于2％。304.4电感式传感器应用电感式位移传感器主要技术指标：·测量范围：10.0mm；·响应时间：3ms；·精度等级：1.0%；

·工作温度：-25～75℃；·工作电源：220VAC

314.4电感式传感器应用测量液位沉筒式液位计——由于液位的变化，沉筒所受浮力也将产生变化，这一变化转变成衔铁的位移，从而改变差动变压器的输出电压，输出值反映了液位的变化值。324.4电感式传感器应用测量厚度334.4电感式传感器应用变隙型电感式压力传感器当压力进入膜盒时，膜盒的顶端在压力P的作用下，产生与压力P大小成正比的位移，于是衔铁也发生移动，从而使气隙发生变化，流过线圈的电流也发生相应的变化，电流表A的指示值就反映了被测压力的大小。A344.4电感式传感器应用变隙型差动电感式压力传感器当被测压力P进入C形弹簧管时，弹簧管产生变形，自由端发生位移，带动与其相连接的衔铁运动，使线圈1、2中的电感发生大小相等、符号相反的变化，即一个电感量增大，另一个电感量减小。电感的变化通过电桥电路转换成电压输出，输出电压与被测压力之间成比例关系。35将差动变压器和弹性敏感元件（膜片、膜盒和弹簧管等）相结合，可以组成各种形式的压力传感器。～220VV振荡器稳压电源差动变压器相敏检波电路这种变送器可分档测量(–5×105～6×105)N/m2压力，输出信号电压为(0～50)mV，精度为1.5级。364.4电感式传感器应用测量振动、加速度差动变压器式加速度传感器，用于测定振动物体的频率和振幅。激磁频率必须是振动频率的十倍以上，才能得到精确的测量结果。可测量的振幅为(0.1～5)mm，振动频率为(0～150)Hz。1弹性支撑；2差动变压器374.5电涡流式传感器应用可以测量各种形状金属零件的动态位移，测量范围可以为0～15µm，分辨率为0.05µm；或是0～500mm，分辨率可达0.1%。可用于测量汽轮机主轴的轴向窜动、金属件的热膨胀系数、钢水液位、纱线张力、流体压力等。可无接触地测量各种振动的幅值，如用来监控汽轮机主轴的径向振动。在研究轴的振动时可以用多个传感器测量出轴的振动形状。384.5电涡流式传感器应用高频反射型、低频透射型电涡流传感器均可用于测量厚度394.5电涡流式传感器应用金属零件计数器

404.5电涡流式传感器应用安检门内部有若干个发射线圈和若干个接收线圈，均用环氧树脂浇灌、密封在门框内。计算机根据感应电压的大小、相位来判定金属物体的大小，并发出报警信号。

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