传感器应用技术 课件 项目四 基于电感式传感器接近式开关的设计与制作

传感器应用技术项目四

基于电感式传感器接近式开关的设计与制作自感式传感器及应用自感式传感器电感式传感器是利用线圈自感或互感系数的变化来实现非电量电测的一种装置。利用电感式传感器，能对位移、压力、振动、应变、流量等参数进行测量。电感式传感器具有结构简单、灵敏度高、输出功率大、输出阻抗小、抗干扰能力强及测量精度高等一系列优点，因此在机电控制系统中得到广泛的应用。电感式传感器缺点是响应较慢,不宜于快速动态测量,而且传感器的分辨率与测量范围有关，测量范围大,分辨率低，反之则高。电感传感器包括自感式传感器、互感式传感器、电涡流式传感器。自感式传感器自感式传感器的工作原理自感式传感器式将被测量的变化转变成线圈自感的变化的传感器。电感传感器主要由线圈、铁芯和衔铁所组成，铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成。根据电磁感应原理，当匝数为的N线圈中通以电流I时，就有该电流所产生的磁通量通过线圈，若通过每一圈的磁通量都是

，则有式中，L为线圈的自感系数。自感式传感器又根据磁路欧姆定律：自感式传感器改变任意一段磁路的几何参数或磁导率，均可使线圈自感系数发生变化。据此，自感式传感器又可进一步分为：气隙厚度可变的变隙式；磁通面积可变的变截面式；以及利用衔铁在螺管线圈中伸入长度的变化来改变线圈自感系数的螺管式电感传感器。衔铁移动磁路中气隙磁阻变化线圈的电感值变化自感式传感器1.变气隙式自感传感器自感式传感器通常，空气隙的厚度是比较小的（一般为0.1-1mm），因此可以认为气隙磁场是均匀的，若忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为：变气隙型电感传感器结构原理自感式传感器设铁芯和衔铁的横截面积相同，且因气隙较小，可以认为气隙磁路的磁通面积与铁芯相同（即

）；若铁芯与衔铁采用同一种导磁材料（其相对磁导率为

），且磁路总长为

，则由式（4-5）可得自感式传感器对于变气隙型结构，其磁通面积为定值，又因线圈匝数也固定，所以为一常数。由式（4-7）可以看出，总线圈式变气隙型电感传感器的电感与气隙之间的对应关系是非线性的，其输出特性曲线如图-2所示。图-2单线圈式变气隙电感传感器的输出特性图-1变气隙型电感传感器结构原理自感式传感器变气隙型电感传感器的最大优点是灵敏度高，其主要缺点是线性范围小、自由行程小、制造装配困难、互换性差，因而限制了它的应用。图4-3差动式变气隙型电感传感器变截面型电感传感器是通过导磁截面积的变化而使电感变化的，其结构也有单线圈式（图4-4）和差动式（图4-5）两种形式。自感式传感器2.变截面型自感传感器自感式传感器图4-5所示的差动式变截面型电感传感器制成圆筒形，铁芯由上下磁环1组成，上、下线圈2也制成环形，磁芯（衔铁）3插入其中。上、下线圈通电时在中段气隙部分产生的磁通，由于方向相反而基本抵消。若忽略导体部分的磁阻，则线圈电感为自感式传感器式（4-14）表明，这类传感器输入量

与输出量

之间是有良好的线性关系。因此变截面型电感传感器由于具有较好的线性，因而测量范围可取大些；其自由行程可按需要安排，制造装配方便；其缺点是灵敏度较低。螺管型电感传感器的结构形式也可以分为单线圈式和差动式，图4-6为这两种形式的结构示意图。自感式传感器3.螺管型自感传感器自感式传感器自感式传感器的应用

在机床行业，自感式传感器得到广泛的应用。常用于位移，尺寸，压力力矩的测量，在计数，应变，流量，比重，金属定位以及无损探伤上也有很多应用。自感式传感器

自感式传感器的应用

在汽车制造行业电感式传感器是近距离定位金属物体的通用方式，因此在汽车制造业的冲压、焊装涂装、总装环节中被广泛应用。传感器应用技术项目四

基于电感式传感器接近式开关的设计与制作

自感式传感器的转换电路自感式传感器把被测量的变化转变成了电感量的变化。为了测出电感量的变化，就要用转换电路把电感量的变化转换成电压（或电流）的变化，以便进一步放大和处理。最常用的转换电路有调幅、调频和调相电路。转换电路(1)交流电桥调幅电路的主要形式是交流电桥。关于交流电桥，已经在第三章介绍过，在此主要讨论自感式传感器中经常用到的变压器电桥。图4-7中，电桥的两臂为电源变压器次级线圈的两半（每半电压为

），另两臂是差动式电感传感器的两个线圈。考虑到传感器线圈不仅具有电感，而且线圈导线具有一定的电阻，所以用

和

来表示电感传感器两个线圈的阻抗。电桥对角线上

两点的电位差为空载输出电压。转换电路1.调幅电路转换电路下面分三种情况讨论：（1）当传感器的衔铁位于中间位置时，它在两个线圈中的插入深度相等，所以两线圈的电感相等，若两线圈绕制得十分对称，则其阻抗也相等，此时

代入上式得

。这说明当衔铁处于中间位置时，电桥平衡，没有输出电压。（2）当衔铁向上移动时，上线圈的磁阻减小，电感增大、阻抗增大，即

，而下线圈的磁阻增大、电感减小、阻抗随之减小，即

。代入式（4-15）得

转换电路转换电路(2)谐振式调幅电路图4-8所示是谐振式调幅电路。在谐振式调幅电路中，传感器L与电容C、变压器原边串联在一起，接入交流电源，变压器副边将有电压u0输出，输出电压的频率与电源频率相同，而幅值随着电感L而变化，图4-8(b)所示为输出电压u0与电感L的关系曲线，其中L0为谐振点的电感值，此电路灵敏度很高，但线性很差，适用于线性要求不高的场合。实际使用时，一般使用特性曲线一侧接近线性的一段。转换电路2.调频电路调频电路的基本原理是传感器电感L变化将引起输出电压频率的变化。一般是把传感器电感L和电容C接入一个振荡回路中，其振荡频率

,谐振式调幅电路如图4-9所示。当L变化时，振荡频率随之变化，根据f的大小即可测出被测量的值。图4-9（b）表示f与L的特性，它具有明显的非线性关系。该频率可由数字频率计直接测量，也可通过f—V转换，用数字电压表测量。转换电路3.调相电路调相电路就是把传感器电感L变化转换为输出电压相位

的变化。图4-10所示为一个相位电桥，一臂为传感器L，另一臂为固定电阻R。设计时使电感线圈具有高的品质因数。忽略损耗电阻，则电感线圈上压降uL与固定电阻上压降uR是两个相互垂直的分量。当电感L变化时，输出电压uo的幅值不变，相位角随之变化，与L的关系为:当L有了微小变化

后，输出相位变化为:图4-10（c）输出电压相位与电感的特性关系:转换电路传感器应用技术项目四

基于电感式传感器接近式开关的设计与制作

零点残余电压及补偿

当两线圈的阻抗相等，即Z1=Z2时,电桥平衡,输出电压为零。由于传感器阻抗是一个复阻抗，因此为了达到电桥平衡，就要求两线圈的电阻相等，两线圈的电感也要相等。实际上这种情况是不能精确达到的，因而在传感器输入量为零时，电桥有一个不平衡输出电压ΔUo存在，也就是我们现在指的残余电压。零点残余电压及补偿零点残余电压及补偿此时尽管被测位移为零，而表头的指示却并不为零。如果零点残余电压的数值过大，则将使非线性误差增大。不同档位的放大倍数有显著差别，甚至造成放大器末级趋于饱和，使仪器不能正常工作，甚至不再反映被测量的变化。在仪器的放大倍数较大时，这点尤应注意。因此零点残余电压的大小是判别电感传感器质量的重要指标。零点残余电压及补偿零点残余电压主要由基波分量和高次谐波分量组成。1.产生零点残余电压的原因大致有如下两点：（1）由于两电感线圈的电气参数及导磁体几何尺寸不完全对称，在两电感线圈上的电压幅值和相位不同，从而形成零点残余电压的基波分量。（2）由于传感器导磁材料磁化曲线的非线性（如铁磁饱和、磁滞损耗），使激励电流与磁通波形不一致，从而形成零点残余电压的高次谐波分量。

零点残余电压及补偿2.零点残余电压的存在对传感器的影响：1.使得传感器输出特性在零点附近不灵敏，限制了分辨率的提高。2.零点残余电压太大，将使线性度变坏，灵敏度下降。3.会使放大器饱和，堵塞有用信号通过，致使仪器不再反映被测量的变化。

零点残余电压及补偿3.减小电感传感器零点残余电压的措施1）从设计和工艺上保证结构对称性为保证线圈和磁路的对称性，首先，要求提高加工精度，线圈选配成对，采用磁路可调节结构。其次，应选高磁导率、低矫顽力、低剩磁感应的导磁材料。并应经过热处理，消除残余应力，以提高磁性能的均匀性和稳定性。由高次谐波产生的因素可知，磁路工作点应选在磁化曲线的线性段。

零点残余电压及补偿2）选用合适的测量线路采用相敏检波电路不仅可鉴别衔铁移动方向，而且把衔铁在中间位置时，因高次谐波引起的零点残余电压消除掉。如图，采用相敏检波后衔铁反行程时的特性曲线由1变到2，从而消除了零点残余电压。

u0+x-x210相敏检波后的输出特性零点残余电压及补偿3．采用补偿线路补偿方法主要有：加串联电阻、加串联电容、加反馈电阻或反馈电容等。下图是几种补偿电路的例子。①由于两个次级线圈感应电压相位不同，并联电容可改变其一的相位，也可将电容C改为电阻，如图(a)。由于R的分流作用将使流入传感器线圈的电流发生变化，从而改变磁化曲线的工作点，减小高次谐波所产生的残余电压。图(b)中串联电阻R可以调整次级线圈的电阻分量。

零点残余电压及补偿②并联电位器W用于电气调零，改变两次级线圈输出电压的相位，如图所示。电容C(0.02μF)可防止调整电位器时使零点移动。

零点残余电压及补偿③接入R0(几百kΩ)或补偿线L0(几百匝)。绕在差动变压器的初级线圈上以减小负载电压，避免负载不是纯电阻而引起较大的零点残余电压。电路如图。

零点残余电压及补偿传感器应用技术项目四

基于电感式传感器接近式开关的设计与制作互感式传感器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。差动变压器结构形式较多，有变隙式、变面积式和螺线管式等，下图为差动变压器的结构示意图。互感式传感器(a)、(b)变间隙式差动变压器(c)、(d)螺线管式差动变压器(e)、(f)变截面式差动变压器互感式传感器a、b两种结构的差动变压器，衔铁均为板形，灵敏度高，测量范围则较窄，一般用于测量几微米到几百微米的机械位移。对于位移在1mm至上百毫米的测量，常采用圆柱形衔铁的螺管型差动变压器，如c、d两种结构。e、f两种结构是测量转角的差动变压器，通常可测到几秒的微小位移。非电量测量中，应用最多的是螺线式差动变压器，它可以测量1～100mm范围内的机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点。互感式传感器差动变压器的结构由铁芯、衔铁和线圈三部分组成。其结构虽有很多形式，但其工作原理基本相同。差动变压器上下两只铁芯均有一个初级线圈1和一个次级线圈2。上下两只初级线圈串联后接交流激励电压，两只次级线圈则按电势反相串接。互感式传感器螺管型差动变压器根据初、次级排列不同有二节式、三节式、四节式和五节式等形式。三节式的零点电位较小，二节式比三节式灵敏度高、线性范围大，四节式和五节式改善了传感器线性度。311212112212123(a)二节式(b)三节式(c)四节式(d)五节式差动变压器线圈各种排列形式1一次线圈；2二次线圈；3衔铁互感式传感器三段式螺管差动变压器结构示意图互感式传感器差动变压器输出电压曲线三段式螺管差动变压输出电压曲线如图所示：互感式传感器将两个匝数相等的次级绕组的同名端反向串联，当初级绕组加以激磁电压时，根据变压器的作用原理在两个次级绕组和中就会产生感应电势;如果工艺上保证变压器结构完全对称，则当活动衔铁处于初始平衡位置时，输出电压为零。当活动衔铁向某一个次级线圈方向移动时，则该次级线圈内磁通增大，使其感应电势增加，差动变压器有输出电压，其数值反映了活动衔铁的位移。互感式传感器螺线管式差动变压器等效电路如图，二次线圈开路时，一次线圈的电流为：互感式传感器二次绕组的感应动势为为：其有效值为：输出阻抗为：互感式传感器上式说明，当激磁电压的幅值和角频率、初级绕组的直流电阻及电感为定值时，差动变压器输出电压仅仅是初级绕组与两个次级绕组之间互感之差的函数。因此，只要求出互感和对活动衔铁位移x的关系式，再代入公式即可得到螺线管式差动变压器的基本特性表达式。下面分三种情况进行分析：(1)活动衔铁处于中间位置时故互感式传感器(2)活动衔铁向上移动故与同极性互感式传感器(3)活动衔铁向下移动故与同极性互感式传感器互感式传感器互感式传感器传感器应用技术项目四

基于电感式传感器接近式开关的设计与制作电涡流式传感器及应用电涡流式传感器是利用金属导体中的涡流与激励磁场之间进行电磁能量传递而实现的，因此也必须有一个交变磁场的激励源（传感器线圈）。被测对象以某种方式调制磁场，从而改变激励线圈的电感。电涡流式传感器的工作原理是基于电涡流效应，电感线圈产生的磁力线经过金属导体时，金属导体就会产生感应电流，该电流的流线呈闭合回线，类似水涡形状，故称之为电涡流，这种现象称为电涡流效应。电涡流式传感器由一个线圈和与线圈邻近的金属体组成。电涡流式传感器（a）传感器激励线圈

（b）被测金属导体图3-1电涡流式传感器原理图

电涡流式传感器电涡流式传感器工作原理和等效电路如图所示：采用电涡流式传感器并配用相应的转换电路，可得到与该被测量相对应的电信号（电压、电流或频率）输出。这种方法常用来测量位移、金属体厚度、温度等参数，并可用作探伤。电涡流式传感器1.电涡流的径向形成范围线圈—导体系统产生的电涡流密度既是线圈与导体间距离x的函数，又是沿线圈半径方向r的函数。当导体间距离x一定时，电涡流密度

J与半径r的关系曲线如图所示。电涡流式传感器金属扁平线圈涡流区r/ras1hrasj

电涡流密度J与半径r的关系曲线①电涡流径向形成范围大约在传感器线圈外径ras的1.8～2.5倍范围内，且分布不均匀。②电涡流密度在ri=0处为零。

③电涡流的最大值在r=ras附近的一个狭窄区域内。④可以用一个平均半径为 的短路环来集中表示分散的电涡流。电涡流式传感器2.电涡流强度与距离的关系理论分析和实验都已证明，当x改变时，电涡流密度也发生变化，即电涡流强度随距离x的变化而变化。根据线圈—导体系统的电磁作用，可以得到金属导体表面的电涡流强度为：

电涡流式传感器

以上分析表明：①电涡流强度与距离x呈非线性关系，且随着x/ras的增加而迅速减小。②当利用电涡流式传感器测量位移时，只有在x/ras<<1(一般取0.05～0.15)的条