《传感器与检测技术》课件-项目三 电感式传感器及应用

项目三电感式传感器及应用知识目标掌握自感式电感传感器的工作原理；了解变隙式、变截面积式、螺线管式电感传感器的结构形式，并能分析它们的输出特性；掌握差动式电感传感器的特点；了解电阻平衡臂电桥、变压器电桥等测量电路的工作原理；掌握螺管式差动变压器的工作原理；了解差动变压器的基本特性；了解差动相敏检波电路的测量原理；了解电涡流传感器的工作原理；了解电感式位移、压力、加速度传感器、电涡流式转速计的主要组成部分及工作原理。技能目标

根据实际要求将位移、振动、加速度、压力、转速等非电量转换为电压、电流或频率信号，并能选择合适的电感式传感器的结构形式和测量电路。任务一自感式传感器定义：电感传感器是将被测量转换为线圈的自感或互感的变化来测量的装置。特点：结构简单、可靠，输出功率高，分辨力高（0.01μm),灵敏(几百mV/1mm),线性较好(0.05～0.1%），稳定，抗干扰能力强。但频率响应低，不宜进行快速动态测量。图3-1 自感式传感器的结构原理1-线圈2-铁心3-衔铁

由电工学可知，如果不考虑磁路的铁损和漏磁时，传感器的自感量L可写为：自感传感器的工作原理：如果通过被测量可以转化为气隙厚度δ或气隙导磁截面积S0的变化，则可以用其测量。知识准备

根据变化量的不同，可将自感传感器分为三种类型：

灵敏度线性行程制造变δ高差小难变S较高好大较易螺管式低差大易一.变截面积式电感传感器设初始铁芯与衔铁的相对面积为铁芯的横截面积，即S0=ab，a和b分别为为截面的长和宽，则衔铁位移x时，线圈电感变化量为：其电感的相对变化量为

特点：由于x要小于a以及漏感等原因，其线性区较小，而且灵敏度也低。a）结构示意图

b)输出特性

二.变隙式电感传感器设电感传感器初始气隙为初始电感量为L0，衔铁位移引起的气隙变化量为，初始电感量为：

当衔铁上移

时，传感器气隙减小

，即则此时输出电感为：则：当时，可将上式用泰勒级数展开成级数形式为由上式可求得电感增量与相对增量的表达式，即同理，当衔铁随被测体的初始位置向下移动时，传感器气隙增大，即，则此时有：若忽略高次项，可得：灵敏度为：变隙式电感传感器的特点：输入输出是非线性关系，为了保证一定的线性度，只能让其工作在一段很小的区域，δ一般取在0.1～0.5mm之间，一般用于测量微小位移。为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变隙式电感传感器。三.螺线管式电感传感器图3-4螺线管式电感传感器1-线圈2-衔铁3-测杆

经证明，单线圈螺线管式电感传感器电感相对变化量为：单线圈螺线管式电感传感器特点：电感相对变化量与输入位移成正比，但由于螺管线圈内磁场分布不均匀，因而实际上螺线管式电感传感器的输出特性并非线性，并且灵敏度较低，但结构简单，制作容易，螺管可以做的稍长以测量较大的位移。四、差动电感传感器图3-5差动式电感传感器的原理结构图1-线圈2-铁心3-衔铁4-测杆

现以变隙式为例来分析差动式传感器的输出特性，由图可知，差动变隙式电感传感器由两个相同的电感线圈和共用的衔铁组成，测量时，衔铁通过导杆与被测位移量相连，当被测体上下移动时，导杆带动衔铁也以相同的位移上下移动，使两个磁回路中磁阻发生大小相等、方向相反的变化，导致一个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减小，形成差动形式。当衔铁往上移动时，两个线圈的电感量一个增加一个减少，根据结构对称的关系，其增加和减少的量、大小相等，则总的电感变化量为灵敏度为：从上述分析可知，差动电感传感器由于采用了对称的两个线圈，衔铁共用，因此与单线圈电感传感器的待性比较，可以得到如下结论：1）差动式比单线圈式的灵敏度高一倍。2）由于两个线圈电感变化量中心高次项，即非线性项能够部分相互抵消，所以，差动式的线性度得到明显改善。3）差动形式的结构还具有温度自补偿和抗外磁场干扰的能力。五、电感式传感器的测量电路电感式传感器得测量电路有交流分压器式、交流电桥式和谐振式等几种。对于差动式电感传感器通常都采用交流电桥电路。1）电阻平衡臂电桥图3-6电阻平衡臂电桥设初始Z1=Z2=Rr+jωL，并且R1=R2=R，满足电桥平衡条件Z1/Z2=R1/R2，电桥平衡。工作时，Z1=Z+ΔZ，Z2=Z－ΔZ，输出电压为输出电压幅值为输出阻抗为：整理后得：Q为电感线圈的品质因素，Q=ωL/R。当线圈具有较高的品质因素Q时，2）变压器电桥输出电压取自A、B两点，B点为变压器的次级线圈中心抽头。则输出电压为：当传感器的衔铁处于中间位置时，即Z1＝Z2＝Z（Z表示衔铁处于中间位置时一个线圈的阻抗），这时U0＝0，电桥平衡。当衔铁向下移动时，上面线圈的阻抗增加，即

，而下面线圈的阻抗减小，即

，则有：

反之，当衔铁向上移动同样大小的距离时，则：变压器电桥的输出电压幅值为输出阻抗为这种变压器电桥与电阻平衡臂电桥相比，使用元件少、输出阻抗低，因此应用较广。自感传感器结构举例

BYM型压力传感器采用了变气隙差动传感器，当被测压力p变化时，弹簧管1的自由端产生位移，带动与自由端刚性连接自感传感器的衔铁2发生移动，使传感器的线圈5和6中的电感值一个增加另一个减小。传感器输出信号的大小决定于衔铁位移的大小，输出信号的相位，决定于衔铁移动的方向。

当测杆移动时，带动衔铁在电感线圈中移动，线圈放在圆筒形磁心中，线圈配置成差动形式，即当衔铁由中间位置向上移动时，上线圈的电感量增加，睛线圈的电感量减少。两个线圈用导线引出，以便接入测量电路。测量力由弹簧产生。电感式压力传感器：主要由C型弹簧管、衔铁、铁芯和线圈等组成。当被测压力进入C型弹簧管时，C型弹簧管发生形变，其自由端发生位移，带动与自由端连成一体的衔铁运动，使线圈1和线圈2的电感发生大小相等、符号相反的变化即一个电感增大，一个电感减小。电感的这种变化通过电桥电路转换成电压输出。由于输出电压和被测压力成比例关系，所以只要用检测仪表测量输出电压，即可得知被测压力的大小。任务二差动变压器

互感型电感传感器是先将被测量的变化转换成互感系数M的变化，再变换为电压信号输出。这种传感器实质上是一个输出电压可变的变压器。当变压器初级线圈输入稳定交流电压后，次级线圈便产生感应电压输出，该电压随被测量的变化而变化，所以又称为差动变压器，其结构形式有多种，应用最广的是螺管式差动变压器。

知识准备1.螺管式差动变压器1）工作原理1-初级线圈2-次级线圈3-衔铁4-测杆差动变压器的等效电路

初级线圈的电流值为：

初级线圈的电流导致磁通φ21、φ22的产生，于是在次级线圈中感应出电压：因此，空载输出电压为：其幅值为：输出阻抗为：2）基本特性①灵敏度

差动变压器的灵敏度是指差动变压器衔铁移动单位长度时所产生的输出电压的变化，其单位为mV/mm，实际使用时，还常用mV/(mm/V)表示单位激励电压的灵敏度值。一般差动变压器的灵敏度大于50mV/（mm/V）。

影响差动变压器灵敏度的因素：

激励电源的频率、电流强度、初级与次级线圈匝数、衔铁几何尺寸等参数。提高差动变压器的灵敏度的途径：

（1）

增加二次绕组的匝数N2，N2的增加可使灵敏度增加；（2）选择较高的激磁频率；（3）增大衔铁直径，使其接近于线圈架内径，但不触及线圈架，衔铁采用导磁率高、铁损小、涡流损耗小的材料。②频率特性

差动变压器的激磁频率一般从50Hz到10KHz较为适当。频率太低时差动变压器的灵敏度显著降低，温度误差和频率误差增加。但频率太高，铁损和耦合电容等的影响增加，输出值下降。因此具体应用时，在400Hz到5KHz的范围内选择。

③线性范围

理想的差动变压器次级输出电压应与衔铁位移成线性关系。实际上，由于衔铁的直径、长度、材质的不同和线圈骨架的形状、大小的不同等，均对线性关系有直接的影响，所以一般差动变压器的线性范围约为线圈骨架长度的1/10～1/4。一般差动变压器的线性范围约为线圈骨架全长的1/10左右。提高线性度的方法：（1）把差动变压器的交流输出电压，用差动整流电路进行整流；（2）依靠测量电路④温度特性机械结构的膨胀、收缩、测量电路的温度特性等的影响，会造成差动变压器测量精度的下降。机械部分的热胀冷缩，对差动变压器测量精度的影响可达数微米到十微米左右。

⑤零位电压（零点残余电压）当差动变压器衔铁位于中间位置时，理论上输出应为零，但实际上总是存在零位不平衡电压输出，即零位电压。零位电压是由于两个次级线圈的结构不对称，以及初级线圈铜损电阻、铁磁材质不均匀、线圈间分布电容等原因所形成。要减小零位电压，最重要的是使传感器的上下几何尺寸和电气参数严格地相互对称。同时，衔铁或铁芯必须经过热处理，以改善导磁性能，提高磁性能地均匀性和稳定性。对于存在零位电压的电路可采用零位补偿电路进行补偿（在放大电路前加相敏整流器）。2.差动相敏检波电路1－理想特性曲线2－实际特性曲线图3-11整流器输出特性a）非相敏检波b）相敏检波图3-12差动相敏检波电路应用：1、差动变压器式应变仪2、电感式加速度传感器

由悬臂梁1和差动变压器2构成。测量时，将悬臂梁底座及差动变压器的线圈骨架固定，而将衔铁的A端与被测振动体相连。当被测振动体以△x(t)振动时，导致差动变压器的输出电压也按相同规律变化。3、流量测量电远传转子流量计4、测量加速度加速度计用传感器如图质量块2由两片片簧1支撑，测量时质量块位移和被测加速度成正比，因此使加速度的测量变成位移的测量，质量块的材料是导磁的，所以它既是加速度计是的惯性元件，也是磁路中的磁性元件。任务三电涡流式传感器电涡流传感器是利用电涡流效应进行工作的。它的测量范围大、灵敏度高、抗干扰能力强，不受介质影响，结构简单，使用方便，且可以对一些参数进行非接触的连续测量，因此广泛应用于工业生产和科研领域，尤其是在高速旋转的机械中，测量旋转轴的轴向位移和径向振动以及连续远距离监控等方面发挥着独特的优越性。

电涡流式传感器在金属体内产生的涡流由于存在集肤效应，因此涡流渗透的深度是与传感器线圈激磁电流的频率有关的。电涡流式传感器主要可分为高频反射式涡流传感器和低频透射式涡流传感器两类。高频反射式涡流传感器的应用较为广泛。知识准备1.高频反射式电涡流传感器原理

高频反射式电涡流传感器原理图

激励电流线圈有效阻抗Z表示为：若改变这些参数中的任一物理量，都将引起Z的变化，这就是涡流传感器的原理。应用：1、把距离x的变化变换为Z的变化，从而做成位移、振幅、厚度等传感器；2、把电导率σ的变化变换为Z的变化，从而做成表面温度、电解质浓度、材质判别等传感器；3、利用磁导率μ的变化变换为Z的变化，从而做成应力、硬度等传感器。

2.低频透射式电涡流传感器低频透射式传感器原理图

任务实施

本任务就是把位移、尺寸等参数以及能转换成位移变化的其他参数，如力、加速度、压力振动、应变、转矩、液位、流量、比重等非电量转换为与被测量成比例的电感量，再通过转换电路将电感量的变化转换为电压、电流或频率信号。以适应控制系统的要求。1.电感测微仪

1-引线2-线圈3-衔铁4-测力弹簧5-导杆6-密封罩7-测头2.电感式压力传感器1－输入的压力；2－膜盒；3－导线；4－印刷电路板；5－差动线圈；6－衔铁；7－变压器；8－罩壳；9－指示灯；10－安装座；11－底座3.电感式加速度传感器1-弹性支承2-差动变压器

4.电涡流转速计1—传感器；2—齿轮位移计厚度计转速计测量导体温度

如图，当要测量介质的温度时，把传感器的端部放在被测介质中，介质可也是气态的，也可以是液态的，温敏元件由于周围温度的变化而引起电阻率变化，从而导致线圈等效阻抗变化。5.电感传感器的优缺点及使用范围电感传感器具有如下优点：（1）结构简单可靠电感传感器的结构简单可靠，由于无活动触点，使用寿命也较长。（2）分辨力大能测出0.1μm甚至更小的线性位移变化和1〞的角位移。（3）灵敏度高、输出功率较大电压灵敏度一般每毫米可达数百毫伏，因此有利于信号的传输。（4）稳定性好电感传感器的抗干扰能力强、对工作环境要求不高。电感传感器具有如下缺点：频率响应低，不能用于快速动态信号的测量。

项目小结

本项目主要介绍了自感式电感传感器、差动式变压器、电涡流传感器的工作原理、结构形式、测量电路及应用。知识拓展电感式接近开关1.接近开关概述

接近开关又称无触点行程开关，当物体达到接近开关的动作距离时，接近开关无需与运动部件进行机械接触就可以动作。接近开关是种开关型传感器，它既有行程开关、微动开关的特性，同时也具有传感性能，因此它的用途已远远超出行程开关所具备的行程控制及限位保护功能，可用于计数、

测速、定位控制、尺寸检测以及用作无触点式按钮等。接近开关具有使用寿命长、动作可靠、性能稳定、重复定位精度高、频率响应快、无机械磨损、无火花、抗干扰能力强等特点，广泛用于轻工、化工、纺织、印刷、机械、冶金、电信、交通以及计算机等领域。2.接近开关的分类1）电涡流式接近开关电涡流式接近开关也叫电感式接近开关，它只对导电体起作用。接近开关的线圈在通入高频激励电源后，产生交变磁场，导电物体靠近接近开关时，内部产生电涡流，电涡流反作用到接近开关，使开关内部电路参数发生变化，控制开关的通或断，由此识别出有无导电物体靠近。

工作流程方框图

这是一种用途非常广泛的电感接近开关，只能用于检测金属物，特别是对铁金属能很好的检测出来，并且性能稳定可靠，是最常用的