第6章 电感式传感器VIP

传感器技术与应用2第6章电感式传感器6.1电感式传感器概述6.2自感式电感传感器6.3互感式电感传感器6.4电涡流传感器第6章知识目标（1）掌握电感式传感器类型划分；（2）掌握自感式电感传感器的类型及其工作原理；（3）掌握互感式电感传感器的类型及其工作原理；（4）掌握电涡流传感器的工作原理。3第6章能力目标（1）理解电感式传感器类型划分的依据；（2）掌握自感式电感传感器的工作特性与应用特点；（3）掌握互感式电感传感器的工作特性与应用特点；（4）理解电涡流效应、集肤效应；（5）能根据实际的应用场景选择高频反射式或低频透射式电涡流传感器。456.1电感式传感器概述电感式传感器属于阻抗式结构型传感器，基于电磁感应原理。1.电感式传感器的基本原理与结构构成电感式传感器的核心构成是敏感元件和转换元件，通常一体式。62.电感式传感器基本特点与应用

电感式传感器具有结构简单，灵敏度高，分辨率高，测量准确度高，线性度好，稳定性好，重复性好，抗干扰能力强，工作可靠等优点，可以实现接触式测量，也可以实现非接触式测量。典型应用场景：（1）电感式传感器制作成高精度测量设备，对金属、非金属高精密加工制作过程中工件的尺寸、厚度、平整度、颗粒度等参量进行测量；（2）制作成无触点接近开关，在自动测控系统中起到限位、复位、计数、行程定位等功能；（3）用于汽车轮速、飞行器速度与加速度的测量等。电感式传感器在计量技术、工业生产和科学研究领域应用广泛。73.电感式传感器类型划分86.2自感式电感传感器变磁阻电感式传感器将被测量的变化转换为磁阻的变化，从而引起线圈的自感量的变化。6.2.1类型与结构根据测量过程中改变的磁路几何参数的不同，自感式电感传感器分为变气隙式、变面积式和螺线管式三种类型：96.2.2变气隙式自感传感器1-铁心，2-衔铁，3-线圈，4-测量连杆工作原理：当被测量变化时，铁心和衔铁之间的气隙厚度发生变化，气隙磁阻变化，进而引起线圈的自感量变化。1）工作原理解析：磁通量线圈励磁电流有效值线圈匝数磁路总磁阻线性电感线圈自感量L定义式：磁通链由磁通量、磁通链的表达式，可以获得下面关系式：变气隙式自感型电感传感器工作原理电感线圈定铁芯气隙δ

l1、l2

–

定、动铁芯导磁长度μ1、μ2

–

定、动铁芯导磁率A1、A2

–定、动铁芯导磁截面积μ0–

空气导磁率A0–

空气气隙导磁截面积铁芯磁阻空气气隙磁阻衔铁（动铁芯）11由于变气隙式自感传感器气隙厚度d很小，气隙中的磁场可以视为均匀分布。在忽略磁路损耗的前提下，磁路的总磁阻由铁心磁阻、衔铁磁阻、气隙磁阻三部分构成，对应的表达式：空气磁导率铁心磁导率衔铁磁导率公式中，S0表示气隙的有效截面积；S1表示铁心的截面积；S2表示衔铁的截面积。则衔铁的磁阻和铁心的磁阻都远小于空气磁阻，即：

通常导磁体的磁导率远大于空气的磁导率，即：12由上述分析，可以简化表达：13例题6-1：解：14电感的最大变化量表达式：152）工作特性分析：变气隙式自感传感器自感量与气隙厚度特性曲线图①

衔铁向上运动，气隙厚度减小16则：17

②

衔铁向下运动，气隙厚度增大推导思路同“衔铁向上运动，气隙厚度减少”相同，则有：183）灵敏度K忽略2次项及以上高次项结论：变气隙式自感传感器的灵敏度取决于初始状态的气隙厚度，两者在数值上成反比关系。196.2.3差动式变气隙自感传感器差动式变气隙自感传感器在实际工程应用中广泛应用。差动式变气隙自感传感器由两个完全相同的电感线圈（或称为绕组）构成：注意：两个电感线圈之间无磁路耦合关系。差动式变气隙自感传感器总的电感变化量：20在忽略高次非线性项的前提下差动式变气隙自感传感器的灵敏度：结论：差动式变气隙型自感传感器比非差动式的变气隙型自感传感器灵敏度提高一倍。216.2.4交流电桥测量转换电路电路初始状态：交流电桥处于平衡状态：交流电桥失去平衡，输出电压相量：226.3互感式电感传感器6.3.1结构、工作原理与类型互感式电感传感器是将被测量的变化转换为耦合线圈之间互感量的变化。本质是变压器。工作原理：

当被测量发生变化时，导致变压器一次线圈和二次线圈的互感量发生变化，进而导致二次线圈输出端的感应电动势发生改变，对应的二次线圈输出端的感应电压发生改变。互感式电感传感器的二次线圈都采用差动连接形式，因此通常称为差动变压器式电感传感器（简称差动变压器）。23

根据改变磁路几何参数的不同，互感式电感传感器对应变气隙式、变面积式和螺线管式三种类型。在实际工程应用中，应用较多的是螺线管式差动变压器。

当被测量发生变化时，测量连杆带动衔铁运动。24螺线管式差动变压器等效电路6.3.2螺线管式差动变压器两个二次线圈的同名端相连接，实现反向耦合当前电路输出端呈开路状态R1是一次线圈的等效电阻R21和R22分别是两个二次线圈的等效电阻当被测量没发生变化时，螺线管式差动变压器处于初始状态，衔铁处于轴向中间位置。1.工作原理解析25当被测量发生变化时，若螺线管式差动变压器的测量连杆带动衔铁向二次线圈1的方向移动，则二次线圈1与一次线圈的磁路耦合增强，互感量增大，即：而二次线圈2与一次线圈的磁路耦合减弱，互感量减小，即在电路输出端开路状态下，输出电压相量表达式：26一次侧输入电流相量：输出电压有效值与输入电压有效值关系式：结论：螺线管式差动变压器在输入电压恒定，一次线圈等效电阻和等效自感量不变的前提下，输出电压有效值取决于一次线圈与两个二次线圈之间的互感量之差△M。272.零点残余电压：当差动变压器的衔铁处于中间位置时，电路输出电压并不等于0，而是对应一个很小的电压值，称为“零点残余电压”。28零点残余电压存在原因：（1）实际工程应用中，差动变压器的两个次级线圈的电气参数以及几何尺寸不能做到完全理想化相同，导致各自产生的感应电动势不等同，因此对应的感应电压也不等同，令输出电压相量不为零。（2）磁性材料本身的非线性问题和激励电源含有高次谐波等问题，也会导致输出电压相量不为零。29零点残余电压存在的影响与危害：

零点残余电压一般零点几毫伏至几十毫伏。零点残余电压的存在会导致传感器实际的输出特性曲线不经过零点，与理论特性差别大，导致差动变压器的灵敏度降低，分辨率降低，测量误差增大。若零点残余电压数值较大，经后续放大电路放大后会导致系统不能正常工作。30减小零点残余电压影响的主要措施：（1）通过提高差动变压器二次线圈特性参数对称性、匹配度可以减小零点残余电压数值。（2）通过选择合适的测量转换电路减小零点残余电压的影响。316.3.3差动变压器测量转换电路1.差动整流电路

将差动变压器的两个次级线圈的输出感应电压，分别通过整流二极管构成的全波整流电桥电路进行整流，然后将电压差作为整个电路的输出。

差动整流电路可以较好的消除零点残余电压，但是不能判断被测量的运动方向。322.相敏检波电路实质上是电压幅值随被测位移变化而变化的调幅信号。是辨别差动变压器输出电压极性的标准信号。33346.4电涡流传感器电涡流传感器属于电感式传感器的一种，工作原理基于电涡流效应。6.4.1电涡流效应

金属导体置于变化的磁场中或在磁场中进行切割磁力线运动时，根据电磁感应定律可知，在金属导体中将产生感应电流，由于感应电流呈闭合的漩涡状，所以称为电涡流，此种现象称为电涡流效应。电涡流效应产生过程示意图

35励磁线圈中通以交变电流i1i1产生交变磁场，对应磁通Φ1金属导体内产生电涡流i2电涡流i2产生反向的电磁场，对应磁通Φ2此磁场会反作用于原磁场，导致励磁线圈的电感、品质因数、阻抗等参数发生变化。Φ1Φ236电涡流效应等效电路图对励磁电流回路和电涡流回路，应用基尔霍夫电压定律列写回路电压方程式：37产生电涡流效应后励磁电流回路对应的等效电阻产生电涡流效应后励磁电流回路对应的等效电感结论：在产生电涡流效应后，励磁线圈阻抗的等效电阻分量增大，等效电感分量减小，并且都是互感量M的函数。

当被测量变化时，只让其中的一个参量随之变化，其它参量保持不变，就可以得到有关电感线圈阻抗值与此参量之间对应的函数关系式。386.4.2集肤效应趋肤效应

指通交流电的导体或将导体置于交变磁场中，在导体横截面上电流分布不均匀的一种现象，即内部电流不是沿着整个导线横截面传送，而是趋向沿导线表面传送。呈现出导体边缘部分电流密度大，导体中心部分电流密度小的现象。1.集肤效应现象39集肤效应形成原理示意图

集肤效应产生的本质原因：

导体内部传输的交变电流产生了交变磁场，感应生成电涡流，电涡流在靠近导体横截面表层的区域流向与主电流方向一致，而在靠近导体横截面中心的区域流向与主电流的方向相反，这就造成导体横截面的边缘部分电流密度大，导体横截面中心部分电流密度小。40集肤深度（电涡流渗透深度）励磁线圈的电阻率磁导率励磁电流的频率结论：对于同样的金属导体，励磁电流频率越高，集肤深度越浅，集肤效应越显著；反之，集肤效应不显著，甚至能够透射金属导体，在金属导体的背面也能够感应出较强的电涡流。416.4.3电涡流传感器的类型与应用1.高频反射式电涡流传感器高频反射式电涡流传感器结构示意图

高频反射式电涡流传感器可以实现对板材间距、厚度、相对位移，以及板材表面粗糙度、裂纹或板材内部缺陷的无损探伤检测。具体的检测参量与励磁线圈阻抗之间的函数关系，