电感式传感器

关于电感式传感器12.04.2024112.04.20242电感式传感器概念和类型

电感式传感器是以电和磁为媒介，利用磁场的变化引起线圈的电感量或互感量的变化，把非电量转化为电量的装置（基于电磁感应原理）。按照转换方式的不同可分为自感式（包括可变磁阻式与涡流式）和互感式（差动变压器式）两种。第2页,共44页，2024年2月25日，星期天12.04.20243§5-1自感式传感器

自感式传感器是利用线圈自身电感的改变来实现非电量与电量的转换。主要有变气隙型、变面积型、螺管插铁型。一、变磁路气隙式电感传感器组成：线圈、铁芯和衔铁组成。在铁芯与衔铁之间存在气隙δ。第3页,共44页，2024年2月25日，星期天12.04.20244根据磁路理论，磁通为：原理分析：根据电磁感应定律，当线圈中通以电流I时，产生磁通，其大小与电流成正比，线圈的自感量L为第4页,共44页，2024年2月25日，星期天12.04.20245线圈自感可用下式计算：磁路的磁阻主要是气隙δ产生的气隙磁阻，联立式（5－1）、（5－2）、（5－4），线圈的电感量为第5页,共44页，2024年2月25日，星期天12.04.20246线圈电感变化量（气隙减小）

非线性误差灵敏度和线性度之间存在矛盾；一般变气隙式电感传感器只能在较小的气隙范围内变化微小的位移。因此只适用于微小位移量的检测，一般约为0.001～1mm。上式说明：当活动衔铁的位移很小时，线圈的电感变化量与位移量成线性关系。

其灵敏度为第6页,共44页，2024年2月25日，星期天12.04.20247

原理1.灵敏度是一常数；2.在一定范围内不存在非线性；3.当正反方向变化相同的x时，其电感变化量具有对称性。但当x>a时就不再存在直线关系，其线性范围是有限的。结论二、变磁路截面积式自感传感器传感器的灵敏度第7页,共44页，2024年2月25日，星期天12.04.20248三、螺管插铁型电感传感器式中：L—单个线圈的电感量；

L0—空心螺管线圈的电感量，

W－单个线圈的匝数；

r－线圈的平均半径；

rc－柱形衔铁的半径；

l

－单个螺管线圈长度；

lc－柱形衔铁插入到单个螺管内的长度；－铁芯的有效磁导率。原理：单个线圈电感量与衔铁插入长度关系为第8页,共44页，2024年2月25日，星期天12.04.20249传感器的灵敏度：螺管线圈电感变化量总结：结构简单、易制造，灵敏度低，适于较大位移（数毫米）测量。第9页,共44页，2024年2月25日，星期天12.04.202410四、差动电感传感器

自感式传感器是单线圈工作，存在的问题：没有信号输入时，仍有输出；外界干扰时输出产生误差；灵敏度低等。差动自感式传感器可以克服这些缺点。由两个结构、材料和电气参数相同自感传感器构成。第10页,共44页，2024年2月25日，星期天12.04.202411

对差动式传感器，当共用衔铁位移时，两线圈的间隙按

0

、

0+变化，即一个线圈自感增加，另一个减小。当

/

<<1时：1.

工作原理第11页,共44页，2024年2月25日，星期天12.04.202412灵敏度，为原来的两倍。非线性误差降低了一个数量级。

第12页,共44页，2024年2月25日，星期天12.04.2024132.交流电桥初始条件电桥处于平衡状态，输出USC=0。当衔铁偏移时，，则第13页,共44页，2024年2月25日，星期天12.04.202414所以上式为，将代入后上式表明输出电压与衔铁的位移成正比，其相位与运动方向有关，如图所示，其优点为：＊从理论上消除了零位输出误差；＊灵敏度提高一倍；＊线性度得到改善；＊差动形式可以提高外界的干扰。第14页,共44页，2024年2月25日，星期天12.04.2024153.变压器交流电桥电桥的工作臂是Z1、Z2，另外两个臂是变压器的次级线圈，输出取自A、B两点，B点为线圈的中心，并接地。初始时，当衔铁偏离时，第15页,共44页，2024年2月25日，星期天12.04.202416同理，当衔铁偏移

时，可推导出综合上两式有结论：a）以上交流电桥，变压器电桥其输出正比于

L/L0。b）输出为交流信号，其方向、大小需通过整流、滤波后才能获得相应直流信号。4、相敏整流第16页,共44页，2024年2月25日，星期天12.04.202417§5-2互感式传感器

互感式传感器又称变压器式传感器，是把非电量的变化转换成线圈相互的互感量的变化，然后再经过转换电路转换成为电信号输出。结构形式主要有三种：螺管型差动变压器、型差动变压器及旋转变压器。但目前常用的是螺管型差动变压器。一、螺管型差动变压器

螺管型差动变压器按绕组排列形式可分为二段式、三段式、四段式、五段式等。1.原理第17页,共44页，2024年2月25日，星期天12.04.202418

如上图左是三段绕组螺管型差动变压器，上图右是其等效电路。由等效电路可得

主要由线圈绕组（初级绕组和次级绕组）、可移动衔铁、导磁外壳三大部分组成。第18页,共44页，2024年2月25日，星期天12.04.202419所以有当衔铁处于中间位置时M1=M2，E2=0当衔铁偏离中间位置时，设M1＝M+△M1，M2＝M－△M

2，△M1＝△M2＝△M，有

位移量与△M有近似线性关系。第19页,共44页，2024年2月25日，星期天12.04.2024202.主要特性（1）输出特性差动变压器输出电压可用下式计算：E2为差动变压器输出电压有效值；x衔铁的位移量；k1与变压器结构尺寸和电参数有关的系数；k2与变压器结构有关的系数。（2）线性度

在输出特性公式中，通常k2x2<<1，也就是说k2通常很小，理想的输出特性为

E’2=k1x第20页,共44页，2024年2月25日，星期天12.04.202421（3）灵敏度

则最大偏差为非线性误差为

当忽略k2x2时，差动变压器的灵敏度为k1。当差动变压器的结构确定后，激励信号频率是影响灵敏度的主要因素。灵敏度为(0.1～5)V/mm。第21页,共44页，2024年2月25日，星期天12.04.202422（4）激励频率差动电源的激励频率对其灵敏度和线性度均有较大的影响。实际应用中电源的激励频率常为400Hz～10kHz，并且高于衔铁运动频率的十倍。（5）零位输出电压零位电压常为几毫伏至几十毫伏。零位电压的危害：①零点附近灵敏度减小；②后接高增益放大器时，易使放大器出现饱和而堵塞有用信号通过。③如用来控制执行元件，易产生误动作。第22页,共44页，2024年2月25日，星期天12.04.2024233.测量电路（1）相敏检波电路

＊比较器＊放大电路＊检波器＊滤波器第23页,共44页，2024年2月25日，星期天12.04.202424第24页,共44页，2024年2月25日，星期天12.04.202425VinVoVinVo第25页,共44页，2024年2月25日，星期天12.04.202426VsVinVbVoVoutVs和Vin同相时第26页,共44页，2024年2月25日，星期天12.04.202427Vs和Vin反相时VsVinVbVoVout第27页,共44页，2024年2月25日，星期天12.04.202428（2）差动整流电路单相半波差动整流（电压、电流型），单相全波桥式差动整流电路（电压、电流型）

。（3）单片LVDT信号处理电路LVDT（Linearvariabledifferentialtransformer）的单片集成信号处理IC有AD598、AD698第28页,共44页，2024年2月25日，星期天12.04.202429

金属板置于一只线圈的附近，它们之间相互的间距为x，当线圈输入一交变电流I1时，便产生交变磁通量Φ，金属板在此交变磁场中会产生感应电流i2，这种电流在金属体内是闭合的，所以称之为“涡电流”或“涡流”。

§5-3电涡流式传感器一、工作原理涡流的大小与金属板的电阻率ρ、磁导率μ、厚度h，金属板与线圈的距离x，激励电流角频率ω等参数有关。若改变其中某一参数，而固定其他参数不变，就可根据涡流的变化测量该参数。第29页,共44页，2024年2月25日，星期天12.04.202430

高频(>lMHz)激励电流，产生的高频磁场作用于金属板的表面，由于集肤效应，在金属板表面将形成涡电流。与此同时，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ZL的变化，其变化与距离该金属板的电阻率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，通过测量电路转换为电压输出。高频反射式涡流传感器多用于位移测量。

涡流式传感器可分为高频反射式和低频透射式。

二、涡流传感器类型1.高频反射式第30页,共44页，2024年2月25日，星期天12.04.202431

低频透射式涡流传感器的工作原理如图所示，发射线圈ω1和接收线圈ω2分别置于被测金属板材料G的上、下方。2、低频透射式

由于低频磁场集肤效应小，渗透深，当低频（音频范围)电压e1加到线圈ω1的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板材料G,使线圈ω2产生感应电动势e2。但由于涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势e2减少，当金属板材料G越厚时，损耗的能量越大，输出电动势e2越小。因此，e2的大小与G的厚度及材料的性质有关，试验表明，e2随材料厚度h的增加按负指数规律减少,如图所示，因此，若金属板材料的性质一定，则利用e2的变化即可测量其厚度。第31页,共44页，2024年2月25日，星期天12.04.202432三、特性分析（1）输出特性：一定距离范围内呈线性（2）灵敏度灵敏度正比于线圈直径，反比于线圈厚度；被测测物体半径大于线圈外径1.8倍，要有一定厚度；正比于电导率，反比于磁导率；正比于工作频率。四、测量电路1.调幅式测量电路第32页,共44页，2024年2月25日，星期天12.04.2024332.调频式测量电路第33页,共44页，2024年2月25日，星期天12.04.202434第34页,共44页，2024年2月25日，星期天12.04.2024353.电桥测量电路第35页,共44页，2024年2月25日，星期天12.04.202436§5-4电感式传感器应用一、电感式传感器应用1.电感式位移式传感器2.差动变压器测速3.差动变压器测惯性加速度4.磨加工连续表面主动测量仪5.三维电感测头二、电涡流传感器应用1.涡流式传感器测位移第36页,共44