1、湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院第六講第六講 電感傳感器電感傳感器 本章學習要求：本章學習要求：1.1.掌握電感式傳感器的工作原理掌握電感式傳感器的工作原理2.2.了解電感式傳感器的結構、分類了解電感式傳感器的結構、分類3.3.了解電感傳感器的測量電路了解電感傳感器的測量電路4.4.了解電感傳感器的應用了解電感傳感器的應用湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院BI穿過線圈自身總的磁通量與電流穿過線圈自身總的磁通量與電流 I 成正比成正比線圈電流變化線圈電流變化穿過自身磁通變化穿過自身磁通變化 電感式傳感器是基于電磁感應原理，它是把被電感式傳感器是基于電磁感應原理，它是把被測量轉化為電

2、感量的一種裝置。測量轉化為電感量的一種裝置。LIL:自感系數自感系數 如果回路周圍不存在鐵磁質，自感如果回路周圍不存在鐵磁質，自感L是一個與電流是一個與電流I無關，無關，僅由回路的匝數、幾何形狀和大小以及周圍介質的磁導率決僅由回路的匝數、幾何形狀和大小以及周圍介質的磁導率決定的物理量定的物理量 在線圈中產生感應電動勢在線圈中產生感應電動勢自感現象自感現象湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院2B1I2I1B1c2c12互感現象互感現象當某一線圈中的電流發生變化時，它所產生的變化磁場當某一線圈中的電流發生變化時，它所產生的變化磁場將使位于它附近的另一線圈中產生感應電動勢。這種電磁感將使位于它附

3、近的另一線圈中產生感應電動勢。這種電磁感應現象稱為互感現象。應現象稱為互感現象。12121IM21212IMM:互感系數互感系數理論和實驗證明：理論和實驗證明：MMM1212湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院第六講、傳感器原理第六講、傳感器原理(3)分類分類: :電感式傳感器電感式傳感器自感型自感型可變磁阻型可變磁阻型渦流式渦流式互感型互感型湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院電感式傳感器電感式傳感器1 1 自感型自感型-可變磁阻式可變磁阻式2022WSWLR一、工作原理一、工作原理: :電磁感應電磁感應mWiLmmfWiWiRRR121 12 2fllRss02Rs磁路歐姆定律湖北

4、工業大學機械學院湖北工業大學機械學院變隙式變隙式 變截面式變截面式 螺線管式螺線管式 湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院2022WSWLR2022WSLS 湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院220012()21WSWSLL 231.LL 湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院 氣隙變化量越小，非線性失真越小；氣隙o越小，靈敏度越高。 實際應用中常用差動變隙式自感傳感器。LL 2022NSLLK湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院122LLLL 靈敏度提高一倍靈敏度提高一倍 大大改善了非線性大大改善了非線性 實現了某些補償實現了某些補償差動自感傳感器差動自感傳感器湖北工業大學機

5、械學院湖北工業大學機械學院 差動式電感傳感器對外界影響，如溫度的變化、電差動式電感傳感器對外界影響，如溫度的變化、電源頻率的變化等基本上可以互相抵消，銜鐵承受的電磁源頻率的變化等基本上可以互相抵消，銜鐵承受的電磁吸力也較小，從而減小了測量誤差吸力也較小，從而減小了測量誤差;差動式電感傳感器差動式電感傳感器的線性較好，且輸出曲線較陡，靈敏度約為非差動式電的線性較好，且輸出曲線較陡，靈敏度約為非差動式電感傳感器的兩倍。感傳感器的兩倍。 湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院自感線圈的等效電路自感線圈的等效電路 假設自感線圈為一理想純電感，但實際傳感器中包括：線圈的銅損電阻線圈的銅損電阻（Rc）、

6、鐵芯的渦流損耗電阻鐵芯的渦流損耗電阻（Re）和線圈線圈的寄生電容的寄生電容（C）。因此，自感傳感器的等效電路如下: CLRcRe湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院二、二、 測量電路測量電路1.交流電橋式測量電路把傳感器的兩個線圈作為電橋的兩個橋臂Z1和Z2,另外二個相鄰的橋臂用純電阻代替，ZLR1R2Z2Z1L1L2RS1RS2交流電橋原理圖USCU電橋平衡條件：設Z1=Z2=Z=RS+jL；R1=R2=R RS1=RS2=RS； L1=L2=LU為橋路電源，ZL是負載阻抗。工作時，Z1=Z+Z和Z2=Z-Z2121RRZZ湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院1100222ACACA

7、CmoUUUZjLLSCzRj LLU對于高品質Q值(Q=L/R)的差動式電感傳感器，其輸出電壓: ZRZZZZUULLSC2其輸出電壓幅值 LjRLjRUZZUUSSSC22當ZL時ULRLULRRLUSSSSC222222222湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院橋路輸出電壓Usc包含與電源U同相和正交兩個分量。在實際測量中，只希望有同相分量，如能使 或Q值比較大，均能達到此目的。但在實際工作時，RS/RS一般很小，所以要求線圈有高的品質因數。當Q值很高時，Usc ； SSRRLLLLU 2當Q值很低時，自感線圈的電感遠小于電阻，電感線圈相當于純電阻(ZRs)，交流電橋即為電阻電橋。例

8、如，應變測量儀就是如此，此時輸出電壓Usc= 。 該電橋結構簡單，其電阻R1、R2可用兩個電阻和一個電位器組成，調零方便。 SSRRU 2湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院2.變壓器式交流電橋 電橋兩臂Z1、Z2為傳感器線圈阻抗，另外兩橋臂為交流變壓器次級線圈的1/2阻抗。當負載阻抗為無窮大時，橋路輸出電壓：UUZZZUZZUZ)(-212)(0211211 當傳感器的銜鐵處于中間位置時，即Z1=Z2=Z，此時有Uo=0，電橋平衡。 當傳感器的銜鐵上移時，即Z1=Z-Z，Z2=Z+Z，此時：LLUZZU-U220=湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院 當傳感器的銜鐵下移時，則Z1=Z

9、+Z，Z2=Z-Z，此時： LLUZZUU220= 銜鐵上下移動相同距離時，輸出電壓的大小相等，但方向相反， 由于Uo是交流電壓，輸出指示無法判斷位移方向， 必須配合相敏檢波電路來解決。 湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院 測量轉換電路的作用是將電感量的變化轉換成電壓或電測量轉換電路的作用是將電感量的變化轉換成電壓或電流的變化，以便用儀表指示出來。但若僅采用電橋電路和流的變化，以便用儀表指示出來。但若僅采用電橋電路和普通的檢波電路，則只能判別位移的大小，卻無法判別輸普通的檢波電路，則只能判別位移的大小，卻無法判別輸出的相位和位移的方向。在輸出電壓送到指示儀前，經過出的相位和位移的方向。在

10、輸出電壓送到指示儀前，經過一個能判別相位的檢波電路，則不但可以反映位移的大小一個能判別相位的檢波電路，則不但可以反映位移的大小（的幅值），還可以反映位移的方向（的相位）。這種檢（的幅值），還可以反映位移的方向（的相位）。這種檢波電路稱為相敏檢波電路。波電路稱為相敏檢波電路。湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院22000rNSNLCSlllSS 可變導磁面積型可變導磁面積型自感L與S0 呈線性關系。這種傳感器靈敏度較低。湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院 單螺管線圈型，當鐵芯在線圈中運動時，將改變磁阻，使線圈自感發生變化。這種傳感器結構簡單、制造容易，但靈敏度低，適用于較大位移(數毫米

11、)測量。 rx螺旋管鐵心單線圈螺管型傳感器結構圖l湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院雙螺管線圈差動型，較之單螺管線圈型有較高靈敏度及線性，被用于電感測微計上，其測量范圍為0300m，最小分辨力為0.5m。22201 (1)ccrrNrlLlrl湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院ULRLUSC22)(2湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院2lclc2l線圈線圈r0.80.60.40.20.20.40.60.8-0.80.80.41.2-1.2-0.4xH（ ）INl差動螺旋管式自感傳感器(a)結構示意圖 (b)磁場分布曲線x(l) 綜上所述，螺管式自感傳感器的特點： 結構簡單，制

12、造裝配容易； 由于空氣間隙大，磁路的磁阻高，因此靈敏度低，但線性范圍大； 由于磁路大部分為空氣，易受外部磁場干擾； 由于磁阻高，為了達到某一自感量，需要的線圈匝數多，因而線圈分布電容大； 要求線圈框架尺寸和形狀必須穩定，否則影響其線性和穩定性。 湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院 通過以上三種形式的電感式傳感器的分析通過以上三種形式的電感式傳感器的分析,可以得出以下幾點結論可以得出以下幾點結論: 1. 變間隙型靈敏度較高變間隙型靈敏度較高,但非線性誤差較大但非線性誤差較大,且制作裝配比較困難。且制作裝配比較困難。 2. 變面積型靈敏度較前者小變面積型靈敏度較前者小,但線性較好但線性較好,

13、量量程較大程較大,使用比較廣泛。使用比較廣泛。 3.螺管型靈敏度較低螺管型靈敏度較低,但量程大且結構簡單但量程大且結構簡單易于制作和批量生產易于制作和批量生產,是使用最廣泛的一種是使用最廣泛的一種電感式傳感器。電感式傳感器。湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院電感式接近傳感器（金屬）電感式接近傳感器（金屬）電感式傳感器電感式傳感器湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院教學用低成本四線制無二次儀表傳感器教學用低成本四線制無二次儀表傳感器電感式傳感器電感式傳感器湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院 自感傳感器的自感傳感器的靈敏度靈敏度是指傳感器結構是指傳感器結構(測頭測頭)和轉換電路綜合

14、和轉換電路綜合在一起的總靈敏度。在一起的總靈敏度。傳感器的靈敏度傳感器的靈敏度(單位：單位：mV/（ m V）) 傳感器結構靈敏度傳感器結構靈敏度kt定義為自感值相對變化與引起這一變定義為自感值相對變化與引起這一變化的銜鐵位移之比，即化的銜鐵位移之比，即 轉換電路的靈敏度轉換電路的靈敏度kc定義為空載輸出電壓定義為空載輸出電壓uo與自感相對變化之與自感相對變化之比，即比，即可得可得總靈敏度總靈敏度為為 xLLkt/ )/()/(oLLukcxukkkctZ/o湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院零點殘余電壓零點殘余電壓 銜鐵位移銜鐵位移x與電橋輸出電壓與電橋輸出電壓Uo有有效值的關系曲線，

15、如右圖所示。效值的關系曲線，如右圖所示。 虛線為理想特性曲線，實線為實虛線為理想特性曲線，實線為實際特性曲線，在零點總有一個最小的際特性曲線，在零點總有一個最小的輸出電壓。一般把這個最小的輸出電輸出電壓。一般把這個最小的輸出電壓稱為壓稱為零點殘余電壓零點殘余電壓，并用，并用e0表示。表示。 零殘電壓過大帶來的影響：零殘電壓過大帶來的影響：靈敏度下降、非線性誤差增大靈敏度下降、非線性誤差增大測量有用的信號被淹沒，不再反映被測量變化造成放大電路后測量有用的信號被淹沒，不再反映被測量變化造成放大電路后級飽和，儀器不能正常工作。級飽和，儀器不能正常工作。產生的原因產生的原因：兩電感線圈的等效參數不對稱

16、：兩電感線圈的等效參數不對稱湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院減小零點殘余電壓方法：減小零點殘余電壓方法： 1.1. 盡可能保證傳感器幾何尺寸、線圈電氣參數玫磁路的對稱。磁性材料盡可能保證傳感器幾何尺寸、線圈電氣參數玫磁路的對稱。磁性材料要經過處理，消除內部的殘余應力，使其性能均勻穩定。要經過處理，消除內部的殘余應力，使其性能均勻穩定。 2.2. 選用合適的測量電路，如采用相敏整流電路。選用合適的測量電路，如采用相敏整流電路。既可判別銜鐵移動方向又可改善輸出特性，既可判別銜鐵移動方向又可改善輸出特性，減小零點殘余電動勢。減小零點殘余電動勢。 3. 3. 采用補償線路減小零點殘余電動勢。下

17、圖是幾種減小零點殘余電動勢采用補償線路減小零點殘余電動勢。下圖是幾種減小零點殘余電動勢的補償電路。在差動變壓器二次側串、并聯適當數值的電阻電容元件，當的補償電路。在差動變壓器二次側串、并聯適當數值的電阻電容元件，當調整這些元件時，可使零點殘余電動勢減小。調整這些元件時，可使零點殘余電動勢減小。 UUR0a)UUR0b)UUR0c)C0C圖4.2.4 減小零點電路e2+x-x210相敏檢波后的輸出特性湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院應用舉例應用舉例下圖所示是一個測量尺寸用的軸向自感式傳感器下圖所示是一個測量尺寸用的軸向自感式傳感器 測頭測頭測桿測桿電感電感線圈線圈磁芯磁芯湖北工業大學機械

18、學院湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院氣體壓力傳感器和加速度計用傳感器的結構原理圖氣體壓力傳感器和加速度計用傳感器的結構原理圖 氣體壓力傳感器氣體壓力傳感器加速度計用傳感器加速度計用傳感器湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院電感傳感器在仿形機床中的應用電感傳感器在仿形機床中的應用 1 1標準靠模樣板標準靠模樣板 2 2測端（靠模輪）測端（靠模輪） 3 3電感測微器電感測微器 4 4銑刀龍門框架銑刀龍門框架 5 5立柱立柱 6 6伺服電動機伺服電動機 7 7銑刀銑刀 8 8毛坯毛坯 仿形頭仿形頭湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院旁向式差動電感式傳感器旁向式差動

19、電感式傳感器總行程：總行程： 1.5mm 測量力：測量力：0.40.7N示值變動性：示值變動性：0.2m軸向式差動電感式傳感器軸向式差動電感式傳感器總行程：總行程： 3mm 測量力：測量力：0.450.65N示值變動性：示值變動性：0.03m總行程：總行程：1.5mm 測量力：測量力：0.120.18N示值變動性：示值變動性：0.05m湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院電感式不圓度計原理電感式不圓度計原理 該圓度計采用該圓度計采用旁向式電感測微頭旁向式電感測微頭湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院旋轉盤旋轉盤測量頭測量頭湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院特點：不僅可以測量微米級

20、直徑，而且通過其在孔內旋轉和平移可以測量其橢圓度和圓柱度被測孔內徑范圍:25120mm 測量力：1.30.3N示值變動性：1m特點：特點：不僅可以測量微米級直徑，還可以測量軸的橢圓度和圓柱度被測軸直徑范圍:25:25120mm 120mm 測量力：4 41.5N1.5N示值變動性：1 1m m電子卡規、塞規湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院2 2 互感型互感型-差動變壓器差動變壓器WW1W2Esx-x工作原理工作原理: :互感現象互感現象.EwEout電感式傳感器電感式傳感器湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院1 初級線圈;2.3次級線圈;4銜鐵1243123(a)氣隙型(b)螺管型

21、 基本元件有銜鐵、初級線圈、次級線圈和線圈框架等。 初級線圈作為差動變壓器激勵用，相當于變壓器的原邊，而次級線圈由結構尺寸和參數相同的兩個線圈反相串接而成，相當于變壓器的副邊。湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院 當初級線圈有交變電流時,次級線圈產生的感應電勢分別為:1121IMjE1222IMjE1111LjREI 當負載開路時,輸出電勢為:1112112122212)()(LjREMMjIMMjEEEe2R21R22e21e22e1R1M1M2L21L22L1 I1湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院1212212)()(1ELRMME輸出電勢的有效值為:e2R21R22e21e2

22、2e1R1M1M2L21L22L1 e1初級線圈激勵電壓L1,R1初級線圈電感和電阻M1,M1分別為初級與次級線圈1,2間的互感L21,L22兩個次級線圈的電感R21,R22兩個次級線圈的電阻I1湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院互感型傳感器采用兩個次級線圈組成差動式，故又稱差動變壓器式傳感器。 湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院 差動變壓器式傳感器輸出的電壓是交流量，如用交流電壓表指示，則輸出值只能反應鐵芯位移的大小，而不能反應移動的極性；同時，交流電壓輸出存在一定的零點殘余電壓，使活動銜鐵位于中間位置時，輸出也不為零。因此，差動變壓器式傳感器的后接電路應采用既能反應鐵芯位移極性

23、，又能補償零點殘余電壓的差動直流輸出電路。 湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院電感式傳感器電感式傳感器差動變壓器式傳感器的優點是：測量精度高，可達0.1m；線性范圍大，可到100mm；穩定性好，使用方便。因而被廣泛應用于直線位移，或可能轉換為位移變化的壓力、重量等參數的測量。 湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院電感式傳感器電感式傳感器比較自感式傳感器與差動變壓器式傳感器的異同(1)不同點： 1) 自感式傳感器把被測非電量的變化轉換成自感系數的變化； 2) 差動變壓器式傳感器把被測非電量的變化轉換成互感系數的變化。 (2)相同點： 兩者都屬于電感式傳感器，都可以分為氣隙型、截面型和螺

24、管性三種類型。湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院差動變壓器位移傳感器差動變壓器位移傳感器電感式傳感器電感式傳感器湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院軸向式差動變壓器式傳感器總行程： 100mm 線性度：0.15% 總行程： 2 7mm 測量力：0.91.2N示值變動性：0.5m湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院 差動變壓器式傳感器可直接用于位移測量，差動變壓器式傳感器可直接用于位移測量， 也可以用來測量與位移有關的任何機械量，也可以用來測量與位移有關的任何機械量， 如振動，加速度，應變等等。如振動，加速度，應變等等。（1）壓差計）壓差計 當壓差變化時，腔內當壓差變化時，腔內膜片

25、位移使差動變壓器次膜片位移使差動變壓器次級電壓發生變化，輸出與級電壓發生變化，輸出與位移成正比，與壓差成正位移成正比，與壓差成正比。比。湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院 沉筒式液位計將水位變化轉沉筒式液位計將水位變化轉換成位移變化，再轉換為電感換成位移變化，再轉換為電感的變化，差動變壓器的輸出反的變化，差動變壓器的輸出反映液位高低。映液位高低。湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院 湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院案例：案例：板的厚度測量板的厚度測量 電感式傳感器電感式傳感器湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院案例：案例：張力測量張力測量電感式傳感器電感式傳感器湖北工業大

26、學機械學院湖北工業大學機械學院壓磁式互感傳感器壓磁式互感傳感器磁彈性測力傳感器磁彈性測力傳感器壓磁效應壓磁效應磁致伸縮效應磁致伸縮效應鐵磁材料鐵磁材料P195湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院渦流式渦流式電感式傳感器電感式傳感器第六講第六講 電感式傳感器電感式傳感器湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院渦流效應渦流效應湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院10 110 121R Ij L Ij MIU122220j MIR Ij L I湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院1022222122()MLRLLL22221221101022221

27、2222()()UM RM LZRjLIRLRL2221102222()MRRRRL湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院原線圈的等效阻抗原線圈的等效阻抗Z Z變化：變化：電感式傳感器電感式傳感器渦流式電感傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩類。 湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院高頻反射式渦流傳感器如圖所示，高頻(lMHz)激勵電流，產生的高頻磁場作用于金屬板的表面，由于集膚集膚效應效應，在金屬板表面將形成渦電流。與此同時，該渦流產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，其變化與距離、金屬板的電阻率、磁導率、激勵電流i，及角

28、頻率等有關，若只改變距離而保持其他系數不變，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。湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院電渦流探頭電渦流探頭內部結構內部結構 1電渦流線圈電渦流線圈 2探頭殼體探頭殼體 3殼體上的位置調節螺紋殼體上的位置調節螺紋 4印制線路板印制線路板 5夾持螺母夾持螺母 6電源指示燈電源指示燈 7閾值指示燈閾值指示燈 8輸出屏蔽電纜線輸出屏蔽電纜線 9電纜插頭電纜插頭 湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院CZF-1系列傳感器的性能系列傳感器的性能 湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院低頻透射式渦流傳感器的工作原理如圖所示，發射線圈1和接收線圈2分別置于被測金屬板材料G的上、下方。由于低頻磁場集膚效應小，滲透深，當低頻(音頻范圍)電壓e1加到線圈1的兩端后，所產生磁力線的一部分透過金屬板材料G,使線圈2產生感應電動勢e2。湖北工業大學機械學院湖北工業大學機械學院 但由于渦流消耗部分磁場能量，使感應電動勢e2減少，當金屬板材料G越厚時，損耗的能量越大，輸出電動勢e2越小。因此，e2的大小與G的厚度及材料的性質有關，試驗表明，e2隨材料