1、第4章 電感式傳感器及應用2015/10/121主講人：主講人： 李靜李靜2 根據(jù)法拉第電磁定律，當穿過閉合電路的磁通量根據(jù)法拉第電磁定律，當穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化時，就會產(chǎn)生感應電動勢，這種現(xiàn)象稱為發(fā)生變化時，就會產(chǎn)生感應電動勢，這種現(xiàn)象稱為電電磁感應磁感應。利用這種現(xiàn)象可以構成各種各樣的傳感器。利用這種現(xiàn)象可以構成各種各樣的傳感器。 電感式傳感器是利用電感式傳感器是利用線圈自感或互感的變化線圈自感或互感的變化來實來實現(xiàn)測量的一種裝置現(xiàn)測量的一種裝置. 引 言電感式傳感器3u 原 理u 定 義 利用線圈自感和互感的變化實現(xiàn)非電量電測的裝置。u 感測量 位移、振動、壓力、應變、流量、比重

2、等。u 分 類 根據(jù)轉換原理：自感式（変磁阻式）、互感式（差動變壓器式）、 電渦流式。 根據(jù)結構形式：氣隙型、面積型和螺管型。 電磁 感應 測量電路4優(yōu) 點 結構簡單、可靠 分辨率高 機械位移0.1m，甚至更小；角位移0.1角秒。 輸出信號強，電壓靈敏度可達數(shù)百mV/mm 。 重復性好，線性度優(yōu)良 在幾十m到數(shù)百mm的位移范圍內(nèi)，輸出特性的線性度較好，且比較穩(wěn)定。 能實現(xiàn)遠距離傳輸、記錄、顯示和控制u 不 足 存在交流零位信號，不宜高頻動態(tài)測量。 主要章節(jié)內(nèi)容 4.1 4.1 自感式傳感器自感式傳感器 4.2 4.2 差動變壓器式傳感器差動變壓器式傳感器 4.3 4.3 電渦流傳感器電渦流傳感

3、器 54.1 自感式傳感器 自感式傳感器是利用自感式傳感器是利用自感量隨氣隙變化而改變自感量隨氣隙變化而改變的原理的原理制成的，制成的，主要用來主要用來測量位移測量位移。 自感式傳感器主要有自感式傳感器主要有閉磁路變隙式閉磁路變隙式和和開磁路螺開磁路螺線管式線管式，它們又都可以分為，它們又都可以分為單線圈式單線圈式與與差動式差動式兩種結構形式。兩種結構形式。6內(nèi) 容 4.1.1 結構和工作原理結構和工作原理 4.1.2 自感式傳感器的測量電路自感式傳感器的測量電路 4.1.3 自感式傳感器應用舉例自感式傳感器應用舉例 7自感式傳感器的基本工作自感式傳感器的基本工作原理演示原理演示8F F銜鐵移

4、動銜鐵移動磁路中氣隙磁阻變化磁路中氣隙磁阻變化線圈的電感值變化線圈的電感值變化4.1.1 基本工作原理基本工作原理 9線圈線圈鐵芯鐵芯銜鐵銜鐵,LINm由于由于mRNL2mmmmRFNIF,可得：可得：磁路的總磁阻可表示為：磁路的總磁阻可表示為：SSlRiiim02近似計算出線圈的電感量為：近似計算出線圈的電感量為：202SNL 10結 論 電感式傳感器從原理上可分為電感式傳感器從原理上可分為變氣隙長度式變氣隙長度式和和變氣變氣隙截面式隙截面式兩種類型，兩種類型，前者常用于測量前者常用于測量直線位移直線位移，后，后者常用于測量者常用于測量角位移角位移。 如果在線圈中放入圓柱形銜鐵，當銜鐵上下移

5、動時，如果在線圈中放入圓柱形銜鐵，當銜鐵上下移動時，自感量將相應變化，就構成了自感量將相應變化，就構成了螺線管型螺線管型自感傳感器。自感傳感器。4.1.1 常見結構形式111線圈線圈 2鐵芯鐵芯 3銜鐵銜鐵 4測桿測桿 5導軌導軌 6工件工件 7轉軸轉軸 由電感式由電感式 可知，可知，變氣隙長度式變氣隙長度式傳感器傳感器的線性度差、示值范圍窄、自由行程小，但在小的線性度差、示值范圍窄、自由行程小，但在小位移下靈敏度很高，位移下靈敏度很高，常用于小位移的測量常用于小位移的測量。 1變氣隙式（閉磁路式）自感傳感器 121線圈線圈 2鐵芯鐵芯 3銜鐵銜鐵202SNL 131變氣隙式（閉磁路式）自感傳

6、感器 由電感式由電感式 同樣可知，同樣可知，變截面式傳感器變截面式傳感器具有良好的線性度、自由行程大、示值范圍寬，具有良好的線性度、自由行程大、示值范圍寬，但靈敏度較低，但靈敏度較低，常用來測量較大位移量常用來測量較大位移量。 為擴大示值范圍和減小非線性誤差，可采用為擴大示值范圍和減小非線性誤差，可采用差動差動結構結構。202SNL 2螺線管式（開磁路式）自感式傳感器 螺線管式自感式傳感器常采用差動式。螺線管式自感式傳感器常采用差動式。14 1測桿測桿 2銜鐵銜鐵 3線圈線圈 差動式電感傳感器對外界差動式電感傳感器對外界影響，如溫度的變化、電影響，如溫度的變化、電源頻率的變化等基本上可源頻率的

7、變化等基本上可以互相抵消，銜鐵承受的以互相抵消，銜鐵承受的電磁吸力也較小，從而減電磁吸力也較小，從而減小了測量誤差。小了測量誤差。特性15 1、2L1、L2的特性的特性 3差動特性差動特性 4.1.2 自感式傳感器的測量電路 測量電路有交流分壓式、交流電橋式和諧振式等多種，常用測量電路有交流分壓式、交流電橋式和諧振式等多種，常用的差動式傳感器大多采用的差動式傳感器大多采用交流電橋式交流電橋式 。 交流電橋的種類很多，交流電橋的種類很多，差動形式工作時其電橋電路常采用雙差動形式工作時其電橋電路常采用雙臂工作方式臂工作方式。161變壓器交流電橋 電橋有兩臂為傳感器的電橋有兩臂為傳感器的差動線圈的阻

8、抗，所以差動線圈的阻抗，所以該電路又稱為差動交流該電路又稱為差動交流電橋電橋 17變壓器式交流電橋電路圖變壓器式交流電橋電路圖 分析 設設O點為電位參考點，根據(jù)電路的基本分析方法，點為電位參考點，根據(jù)電路的基本分析方法，可得到電橋輸出電壓為可得到電橋輸出電壓為 當傳感器的活動鐵芯處于初始平衡位置時，兩線當傳感器的活動鐵芯處于初始平衡位置時，兩線圈的電感相等，阻抗也相等。圈的電感相等，阻抗也相等。 電橋輸出電壓，電橋處于平衡狀態(tài)。電橋輸出電壓，電橋處于平衡狀態(tài)。 181oABAB2121()2ZUUVVUZZ變化時 當鐵芯向一邊移動時，則一個線圈的阻抗增加當鐵芯向一邊移動時，則一個線圈的阻抗增加

9、 ，1910ZZZ20ZZZ0o22001()222ZZZUUUZZ 變化后的電壓 當傳感器線圈為高當傳感器線圈為高Q值時，則線圈的電阻遠小于值時，則線圈的電阻遠小于其感抗其感抗 當活動鐵芯向另一邊（反方向）移動時當活動鐵芯向另一邊（反方向）移動時 差動式自感傳感器采用變壓器交流電橋為測量電差動式自感傳感器采用變壓器交流電橋為測量電路時，電橋輸出電壓既能反映被測體位移量的大路時，電橋輸出電壓既能反映被測體位移量的大小，又能反映位移量的方向，且輸出電壓與電感小，又能反映位移量的方向，且輸出電壓與電感變化量呈線性關系。變化量呈線性關系。 20o202LUUL 2帶相敏整流的交流電橋 上述變壓器式交

10、流電橋中，由于上述變壓器式交流電橋中，由于采用交流電源采用交流電源，則不論活動鐵芯向線圈的哪個方向移動，電橋輸則不論活動鐵芯向線圈的哪個方向移動，電橋輸出電壓總是交流的，即無法判別位移的方向。出電壓總是交流的，即無法判別位移的方向。 常采用常采用帶相敏整流的交流電橋帶相敏整流的交流電橋。21結構22帶相敏整流的交流電橋電路帶相敏整流的交流電橋電路 （1）初始平衡位置時23鐵芯處于初始平衡位置時的等效電路鐵芯處于初始平衡位置時的等效電路 （2）活動鐵芯向一邊移動時 24鐵芯向線圈一個方向移動時的等效電路鐵芯向線圈一個方向移動時的等效電路 結果25oDCii20001221 ()2ZZUVVUUZ

11、ZZZoDCi200121 ()2ZUVVUZZZ在在Ui的正半周的正半周 在在Ui的負半周的負半周 只要活動鐵芯向一方向移動，只要活動鐵芯向一方向移動，無論在交流電源的無論在交流電源的正半周還是負半周，電橋輸出電壓均為正值。正半周還是負半周，電橋輸出電壓均為正值。 26（3）活動鐵芯向相反方向移動時 當活動鐵芯向線圈的另一個方向移動時，用上述當活動鐵芯向線圈的另一個方向移動時，用上述分析方法同樣可以證明，分析方法同樣可以證明，無論在的正半周還是負無論在的正半周還是負半周，電橋輸出電壓均為負值。半周，電橋輸出電壓均為負值。 27應用281理想特性曲線理想特性曲線 2實際特性曲線實際特性曲線4.

12、1.3自感式傳感器應用舉例 用于測量位移，還可以用于測量用于測量位移，還可以用于測量振動、應變、厚振動、應變、厚度、壓力、流量、液位等度、壓力、流量、液位等非電量。非電量。 291自感式測厚儀 301可動鐵芯可動鐵芯 2測桿測桿 3被測物體被測物體2位移測量 311引線引線 2線圈線圈 3銜鐵銜鐵 4測力彈簧測力彈簧 5導桿導桿 6密封罩密封罩 7測頭測頭其他電感測微頭其他電感測微頭324.2 差動變壓器式傳感器 把被測的非電量變化轉換為線圈互感變化的傳感器稱為互把被測的非電量變化轉換為線圈互感變化的傳感器稱為互感式傳感器。因這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成感式傳感器。因這種傳感器是根據(jù)變

13、壓器的基本原理制成的，并且其二次繞組都用差動形式連接，所以又叫差動變的，并且其二次繞組都用差動形式連接，所以又叫差動變壓器式傳感器，簡稱壓器式傳感器，簡稱差動變壓器差動變壓器。 有變隙式、變面積式和螺線管式等有變隙式、變面積式和螺線管式等 在非電量測量中，在非電量測量中，應用最多的是螺線管式的差動變壓器應用最多的是螺線管式的差動變壓器，它可以測量它可以測量1100mm范圍內(nèi)的機械位移，并具有測量范圍內(nèi)的機械位移，并具有測量精度高、靈敏度高、結構簡單、性能可靠等優(yōu)點。精度高、靈敏度高、結構簡單、性能可靠等優(yōu)點。 334.2.1 基本工作原理 34螺線管式差動變壓器結構示意圖螺線管式差動變壓器結構

14、示意圖 1 一次繞組一次繞組 2二次繞組二次繞組 3銜鐵銜鐵 4測桿測桿 螺線管式差動變壓器原理圖螺線管式差動變壓器原理圖 輸出特性35零點殘余電動勢零點殘余電動勢 零點電勢 零點殘余電動勢使得傳感器在零點附近的輸出特零點殘余電動勢使得傳感器在零點附近的輸出特性不靈敏，為測量帶來誤差。為了減小零點殘余性不靈敏，為測量帶來誤差。為了減小零點殘余電動勢，可采用以下方法。電動勢，可采用以下方法。 （1）盡可能保證傳感器尺寸、線圈電氣參數(shù)和磁）盡可能保證傳感器尺寸、線圈電氣參數(shù)和磁路對稱。路對稱。 （2）選用合適的測量電路。）選用合適的測量電路。 （3）采用補償線路減小零點殘余電動勢。）采用補償線路減

15、小零點殘余電動勢。364.2.2 測 量 電 路 差動變壓器輸出的是交流電壓，若用交流電壓表差動變壓器輸出的是交流電壓，若用交流電壓表測量，只能反映銜鐵位移的大小，而不能反映移測量，只能反映銜鐵位移的大小，而不能反映移動方向。另外，其測量值中將包含零點殘余電壓。動方向。另外，其測量值中將包含零點殘余電壓。為了達到能辨別移動方向及消除零點殘余電動勢為了達到能辨別移動方向及消除零點殘余電動勢目的，實際測量時，常常采用差動整流電路和相目的，實際測量時，常常采用差動整流電路和相敏檢波電路。敏檢波電路。 371差動整流電路 384.2.3 差動變壓器式傳感器的應用 差動變壓器不僅可以直接用于位移測量，而

16、且還差動變壓器不僅可以直接用于位移測量，而且還可以測量與位移有關的任何機械量，如振動、加可以測量與位移有關的任何機械量，如振動、加速度、應變、壓力、張力、比重和厚度等。速度、應變、壓力、張力、比重和厚度等。3940 L L1 1、L L2 2傳感器作兩個橋臂；傳感器作兩個橋臂；C C1 1、C C2 2為另外兩個橋臂；為另外兩個橋臂；DD1 1-D-D4 4組成相敏整流器組成相敏整流器; ;磁飽和變壓器磁飽和變壓器T T提供橋壓。提供橋壓。差動變壓器式測厚儀1振動和加速度的測量41 振動傳感器及其測量電路振動傳感器及其測量電路1彈性支撐彈性支撐 2差動變壓器差動變壓器2力和壓力的測量42 差動

17、變壓器式力傳感器差動變壓器式力傳感器 1上部上部 2銜鐵銜鐵 3線圈線圈 4變形部變形部 5下部下部 微壓力傳感器43 1差動變壓器差動變壓器 2銜鐵銜鐵 3罩殼罩殼 4插頭插頭 5通孔通孔 6底座底座 7膜盒膜盒 8接頭接頭 9線路板線路板 電感式微壓力傳感器電感式微壓力傳感器 課堂小結441 1、電感式傳感器工作原理，能測量哪些物理量？電感式傳感器工作原理，能測量哪些物理量？2 2、三種自感式傳感器的工作原理、特點、應用范圍；三種自感式傳感器的工作原理、特點、應用范圍；3 3、帶相敏整流交流電橋是怎樣判斷銜鐵移動方向的？帶相敏整流交流電橋是怎樣判斷銜鐵移動方向的？4 4、零點殘余電壓是如何

18、產(chǎn)生的，對傳感器性能會產(chǎn)零點殘余電壓是如何產(chǎn)生的，對傳感器性能會產(chǎn)生何種影響，如何消除它生何種影響，如何消除它？45課后作業(yè)：課后作業(yè)：4.1、4.44.3電渦流傳感器 根據(jù)法拉第電磁感應原理，塊狀金屬導體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運動時，導體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應電流，此電流叫電渦流，這種現(xiàn)象稱為電渦流效應。 根據(jù)電渦流效應制成的傳感器稱為電渦流式傳感器。按照電渦流在導體內(nèi)的貫穿情況， 此傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩類，但從基本工作原理上來說仍是相似的。電渦流式傳感器最大的特點是能對位移、厚度、表面溫度、速度、應力、材料損傷等進行非接觸式連續(xù)測量，另外還具有體積小、靈敏度

19、高、頻率響應寬等特點，應用極其廣泛。 464.3.1 電渦流傳感器的工作原理 線圈阻抗的變化完全取決于被測金屬導體的電渦流效應。 而電渦流效應既與被測體的電阻率、磁導率以及幾何形狀有關，又與線圈幾何參數(shù)、線圈中激磁電流頻率有關，還與線圈與導體間的距離x有關。因此，傳感器線圈受電渦流影響時的等效阻抗Z的函數(shù)關系式為Z=F（，R，x） 47電渦流傳感器原理圖 如果保持上式中其他參數(shù)不變，而只改變其中一個參數(shù)，傳感器線圈阻抗Z就僅僅是這個參數(shù)的單值函數(shù)。通過與傳感器配用的測量電路測出阻抗Z的變化量，即可實現(xiàn)對該參數(shù)的測量。484.3.2 電渦流傳感器基本結構和類型 1電渦流傳感器基本結構 2電渦流傳

20、感器基本類型 491電渦流傳感器基本結構 電渦流式傳感器的基本結構主要由線圈和框架組成。根據(jù)線圈在框架上的安置方法，傳感器的結構可分為兩種形式：一種是單獨繞成一只無框架的扁平圓形線圈，由膠水將此線圈粘接于框架的頂部 50 圖4-26 CZF3型電渦流式傳感器 1殼體 2框架 3線圈 4保護套 5填料 6螺母 7電纜 另一種是在框架的接近端面處開一條細槽，用導線在槽中繞成一只線圈，如圖4-27所示的CZF1型電渦流式傳感器。 51 圖4-27 CZF1型電渦流式傳感器1電渦流線圈 2前端殼體 3位置調(diào)節(jié)螺4信號處理電路 5夾持螺母 6電源指示燈閾值指示燈 8輸出屏蔽電纜線 9電纜插頭 2電渦流傳

21、感器基本類型 電渦流在金屬導體內(nèi)的滲透深度與傳感器線圈的激勵信號頻率有關，故電渦流式傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩類。目前高頻反射式電渦流傳感器應用較廣泛。52（1）高頻反射式 高頻（1MHz）激勵電流產(chǎn)生的高頻磁場作用于金屬板的表面，由于集膚效應，在金屬板表面將形成渦電流。與此同時，該渦流產(chǎn)生的交變磁場又反作用于線圈，引起線圈自感L或阻抗ZL的變化。線圈自感L或阻抗ZL的變化與金屬板距離h、金屬板的電阻率、磁導率、激勵電流i及角頻率等有關，若只改變距離h而保持其他參數(shù)不變，則可將位移的變化轉換為線圈自感的變化，通過測量電路轉換為電壓輸出。高頻反射式渦流傳感器多用于位移測量。 53高頻反

22、射式電渦流傳感器 （2）低頻透射式54 低頻透射式電渦流傳感器 4.3.3 測量電路 1電橋電路 2調(diào)幅式（AM）電路 3調(diào)頻（FM）式電路（100kHz1MHz） 551電橋電路 靜態(tài)時，電橋平衡，橋路輸出UAB0。工作時，傳感器接近被測體，電渦流效應等效電感L發(fā)生變化，測量電橋失去平衡，即UAB0，經(jīng)線性放大后送檢波器檢波后輸出直流電壓U。 562調(diào)幅式（AM）電路 石英振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)頻、穩(wěn)幅高頻振蕩電壓（100kHz1MHz）用于激勵電渦流線圈。金屬材料在高頻磁場中產(chǎn)生電渦流，引起電渦流線圈端電壓的衰減，再經(jīng)高放、檢波、低放電路，最終輸出的直流電壓Uo反映了金屬體對電渦流線圈的影響）。57

23、3調(diào)頻（FM）式電路（100kHz1MHz） 當電渦流線圈與被測體的距離x 改變時，電渦流線圈的電感量L也隨之改變，引起LC振蕩器的輸出頻率變化，此頻率可直接用計算機測量。如果要用模擬儀表進行顯示或記錄時，必須使用鑒頻器，將f轉換為電壓Uo。 584.3.4 電渦流傳感器的應用 渦流式傳感器的特點是結構簡單，易于進行非接觸的連續(xù)測量，靈敏度較高，適用性強 利用位移x作為變換量，可以做成測量位移、厚度、振幅、振擺、轉速等傳感器，也可做成接近開關、計數(shù)器等； 利用材料電阻率作為變換量，可以做成測量溫度，材質判別等傳感器； 利用導磁率作為變換量，可以做成測量應力，硬度等傳感器； 利用變換量x、等的綜

24、臺影響，可以做成探傷裝置。 591測量轉速 在軟磁材料制成的輸入軸上加工一鍵槽（或裝上一個齒輪狀的零件），在距輸入表面d0處設置電渦流傳感器，輸入軸與被測旋轉軸相連。 60實物圖 原理 當旋轉體轉動時，輸出軸的距離發(fā)生d0+d的變化。由于電渦流效應，這種變化將導致振蕩諧振回路的品質因數(shù)變化，使傳感器線圈電感隨d的變化也發(fā)生變化，它們將直接影響振蕩器的電壓幅值和振蕩頻率。因此，隨著輸入軸的旋轉，從振蕩器輸出的信號中包含有與轉數(shù)成正比的脈沖頻率信號。該信號由檢波器檢出電壓幅值的變化量，然后經(jīng)整形電路輸出脈沖頻率信號f，該信號經(jīng)電路處理便可得到被測轉速。 612測位移 接通電源后，在電渦流探頭的有效面（感應工作面）將產(chǎn)生一個交變磁場。當金屬物體接近此感應面時，金屬表面將吸取電渦流探頭中的高頻振蕩能量，使振蕩器的輸出幅度線性地衰減，根據(jù)衰減量的變化，可計算出與被檢物體的距離、振動等參數(shù)。這種位移傳感器屬于非接觸測量，工作時不受灰塵等非金屬因素的影響，壽命較長，可在各種惡劣條件下使用。 623電渦流接近開關 接近開關又稱無觸點行程開關。常用的接近