第七章 电感式传感器(河南理工大学)

第七章电感式传感器

本章主要内容：（1）自感式传感器；（2）差动变压器式传感器；（3）涡流传感器（4）电感式传感器的应用。1概述

电感式传感器是一种根据电磁原理进行非电量检测的器件，在自动控制设备中广泛应用。电感式传感器利用电磁感应定律将被测非电量（如位移、压力、流量、振动）转换为电感或互感的变化。按电感式传感器结构可分为：自感式、互感式、电涡流式。2第一节自感式传感器

先看一个实验：将一只220V交流接触器线圈与交流毫安表串联后，接到机床用控制变压器的36V交流电压源上，如图所示。这时毫安表的示值约为几十毫安。用手慢慢将接触器的活动铁心（称为衔铁）往下按，我们会发现毫安表的读数逐渐减小。当衔铁与固定铁心之间的气隙等于零时，毫安表的读数只剩下几毫安。

3电感传感器的基本工作原理演示F220V220V接触器线圈36V4电感传感器的基本工作原理演示气隙变小，电感变大，电流变小F5结构:由线圈、铁芯、衔铁三部分组成。铁芯和衔铁之间有气隙，气隙长度为σ;

传感器运动部分与衔铁相连，衔铁移动时σ发生变化引起磁路的磁阻Rm变化，使电芯线圈的电感值L变化；一、电感传感器的基本工作原理6当铁心的气隙较大时，磁路的磁阻Rm也较大，线圈的电感量L和感抗XL较小，所以电流I较大。当铁心闭合时，磁阻变小、电感变大，电流减小。

7电感量计算公式

：N：线圈匝数；A：气隙的有效截面积；

0：真空磁导率；

：气隙长度。

8自感式电感传感器常见的形式

变隙式变截面式螺线管变铁芯式

9二、输出特性电感初始气隙σ0处初始电感量为L0

σ0LσL0L0+ΔLL0－ΔL气隙减小，电感变大；气隙增大，电感减小。10差动式原理：差动变隙式由两个相同的线圈L1、L2

和磁路组成，两个线圈串联。当被测量通过导杆使衔铁左右位移时，两个回路中磁阻发生大小相等、方向相反的变化，形成差动形式。为减小非线性误差，实际测量中多采用差动形式。11差动电感传感器的基本结构

曲线1、2为L1、L2

的特性，3为差动特性在变隙式差动电感传感器中，当衔铁随被测量移动而偏离中间位置时，两个线圈的电感量一个增加，一个减小，形成差动形式。1-差动线圈2-铁心3-衔铁4-测杆5-工件

12差动式电感传感器的优点

（3）差动式电感传感器的线性较好，且输出曲线较陡，灵敏度约为非差动式电感传感器的两倍。

（1）线性范围大，测量范围宽。（2）结构对称，可使温度、电源频率的变化等可以互相抵消，减小了测量误差。13三、测量转换电路

测量转换电路的作用是将电感量的变化转换成电压或电流的变化，以便用仪表指示出来。常用的测量转换电路为：（1）交流电桥；（2）变压器电桥；（3）相敏整流电桥。14电感式传感器的等效电路

从电路角度看，电感式传感器的线圈并非是纯电感，该电感由有功分量和无功分量两部分组成。有功分量包括：线圈线绕电阻和涡流损耗电阻及磁滞损耗电阻，这些都可折合成为有功电阻，其总电阻可用R来表示；无功分量包含：线圈的自感L,绕线间分布电容，为简便起见可视为集中参数，用C来表示。15（1）交流电桥测量电路（补充）两个桥臂由相同线圈组成，另外两个为平衡电阻

交流电桥结构示意图等效电路16初始状态：Z1=Z2=Z0，输出电压U0=0;当衔铁偏离中间位置，气隙变量为Δσ，则输出电压为即：（1）电桥输出电压U0与气隙变量Δσ近似为线性关系。（2）电桥输出电压与桥压UAC有关，还与初始气隙σ0有关。17（2）变压器式交流电桥电路

电桥的两臂是传感器线圈阻抗臂、另外两个臂是交流变压器次级线圈各占1∕2，交流供电。

桥路输出电压为：18

当衔铁在中间位置

Z1=Z2=Z，

U0=0（忽略电阻压降）当衔铁偏移，Z1增大，Z2减小时，输出电压当衔铁向另一方向偏移，Z1减小，Z2增大时，输出电压19差动自感传感器输出特性曲线1—理想特性曲线

2—实际特性曲线

Ur：为残压20

差动自感传感器经过电桥之后，可将位移量变为电压输出，但电压输出不能反映位移的方向。因此需要一个判别位移方向的环节。这时可用另一种测量电路来实现，这种测量电路----相敏电桥电路。（3）相敏整流电桥21相敏整流电桥

原理分析：（1）衔铁在中间位置：Z1=Z2=Z0,当电压u为上正下负，则VD1、VD4导通，VD2、VD3截止，R2的压降等于R1的压降uo=0;当电压u为上负下正。。。。。。uo=0（2)

衔铁沿方向1偏离中间位置：Z1=Z0+△Z,Z2=Z0-△Z,当电压u为上正下负，则VD1、VD4导通，VD2、VD3截止，R2的压降大于R1的压降；当电压u为上负下正，则VD1、VD4截止，VD2、VD3导通，R2的压降大于R1的压降，则输出电压uo为上负下正。22相敏整流电桥

（3）衔铁沿方向2离中间位置：Z1=Z0-△Z,Z2=Z0+△Z,分析过程类似。则输出电压uo为上正下负。23相敏整流电桥的输出特性

1—理想特性曲线2—实际特性曲线即：相敏整流电桥的输出既能反映衔铁位移的大小，又能反映位移的方向。

24（4）谐振式（调幅、调频、调相）测量电路调幅式电路输出幅值随电感L变化调频电路电感L变化时谐振频率变化

25四、自感式传感器的应用1.压力测量

26滚珠大小分拣根据电感传感器对滚珠直径的测量，实现自动分拣。27第二节变压器式传感器（互感式）把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器称为互感式传感器。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形式连接，故称差动变压器式传感器。变压器结构形式：变隙式、变面积式和螺线管式等。在非电量测量中，应用最多的是螺线管式差动变压器，它可以测量1～100mm机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点。28一、变隙式变压器两个初级绕组的同名端顺向串联，而两个次级绕组的同名端则反相串联。变压器式传感器的结构示意图29当没有位移时，衔铁C处于初始平衡位置，它与两个铁芯的间隙有δa0=δb0=δ0，则绕组W1a和W2a间的互感Ma与绕组W1b和W2b的互感Mb相等，致使两个次级绕组的互感电势相等，即e2a=e2b。由于次级绕组反相串联，因此，差动变压器输出电压Uo=e2a-e2b=0。当被测体有位移时，与被测体相连的衔铁的位置将发生相应的变化，使δa≠δb，互感Ma≠Mb，两次级绕组的互感电势e2a≠e2b，输出电压Uo=e2a-e2b≠0，即差动变压器有电压输出，且输出电压的大小和极性与被测体位移的大小和方向有关。30二、螺线管式差动变压器次级次级骨架初级衔铁次级次级初级31差动变压器等效电路32差动变压器输出电压的特性曲线33由图可以看出，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。产生残余电压的原因是：由于两个次级线圈绕组电气参数（M互感L电感R内阻）不同，几何尺寸工艺上很难保证完全相同。34三、变压器式传感器测量电路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)。为了达到能辨别移动方向，实际测量时，常常采用差动整流电路和相敏检波电路。

35(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。（a）半波电压输出；（b）半波电流输出；（c）全波电压输出；（d）全波电流输出36输入一交流信号时整流电路的输出电压为：U0=U24-U68（有效值相减）铁芯T在中间位置，U24=U68U0=0T上移，U24＞U68U0＞0，T下移，U24＜U68U0＜0

铁芯上移铁芯下移U0U037各种电感式传感器非接触式位移传感器测厚传感器电感粗糙度仪接近式传感器四、应用举例3839

差动变压器式传感器可直接用于位移测量，也可以用来测量与位移有关的任何机械量，如振动，加速度，应变等等。

（1）压差计

当压差变化时，腔内膜片位移使差动变压器次级电压发生变化，输出与位移成正比，与压差成正比。

40（2）液位测量

沉筒式液位计将水位变化转换成位移变化，再转换为电感的变化，差动变压器的输出反映液位高低。41（3）电感式测微器

轴向式电感测微器的外形

42模拟式及数字式电感测微仪43（4）电感式滚柱直径分选装置测微仪圆柱滚子44（5）电感式圆度计该圆度计采用旁向式电感测微头45

电涡流传感器是根据电涡流效应原理制成的传感器。

电涡流式传感器的特点：（1）结构简单，使用方便；（2）灵敏度高；（3）抗干扰能力强；（4）可实现非接触测量；（5）测量线性范围宽（300μm～1000mm）；（6）寿命长。第三节涡流式传感器46一、涡流效应金属导体置于变化的磁场中，金属导体内部会产生一圈圈闭合的电流，这种电流叫电涡流，这种现象叫做电涡流效应。形成电涡流必须具备两个条件：①存在交变磁场②导电体处于交变磁场中

47电涡流效应演示

48现象分析

当线圈两端加交流电压时，线圈中产生交流电流，因而产生交变磁场H1。将线圈靠近金属物体时，金属物体内部就会产生涡流I2，这个涡流同样产生交变磁场H2，H2抵消H1，则线圈的电感减小，电流变大。相反，当线圈远离金属物体时，电流变小。

49电涡流的应用

清洁、高效的电磁炉50电磁炉内部的励磁线圈51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，使锅底自行发热，烧开锅内的食物。52大直径电涡流探雷器

53二、等效电路分析

金属物体产生涡流后，则可以把涡流所在范围近似看成一个单匝短路次级线圈。这时线圈和金属物体就可用一个付边短路的变压器等效电路来表示。54解方程得到金属靠近后传感器（初级）的等效阻抗

即：被测体（金属）的电阻率ρ、导磁率μ、厚度d，线圈与被测体间的距离X，激励线圈的角频率ω等都通过涡流效应和磁效应与线圈阻抗Z有关。若控制某些参数不变，只改变其中一个参数，可使阻抗Z成为这个参数的单值函数。55三、电涡流传感器的应用

1、位移测量

位移测量包含：偏心、间隙、位置、倾斜、弯曲、变形、移动、圆度、冲击、偏心率、宽度等等。来自不同应用领域的许多量都可归结为位移或间隙变化。

56偏心和振动检测572、振动测量用电涡流探头、调幅法测量简谐振动时，探头的输出波形。583、转速测量

若转轴上开z个槽(或齿)，频率计的读数为f，则转轴的转速n（单位为r/min）的计算公式为

59电涡流涂层厚度仪原理604.电涡流式通道

安全检查门

安检门的内部设置有发射线圈和接