1、第4章 電感式傳感器及應(yīng)用2015/10/121主講人： 李靜2 根據(jù)法拉第電磁定律，當(dāng)穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng)。利用這種現(xiàn)象可以構(gòu)成各種各樣的傳感器。 電感式傳感器是利用線圈自感或互感的變化來實(shí)現(xiàn)測(cè)量的一種裝置. 引 言電感式傳感器3 原 理 定 義 利用線圈自感和互感的變化實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的裝置。 感測(cè)量 位移、振動(dòng)、壓力、應(yīng)變、流量、比重等。 分 類 根據(jù)轉(zhuǎn)換原理：自感式（変磁阻式）、互感式（差動(dòng)變壓器式）、 電渦流式。 根據(jù)結(jié)構(gòu)形式：氣隙型、面積型和螺管型。 電磁 感應(yīng) 被測(cè)非電量自感系數(shù)L互感系數(shù)M 測(cè)量電路U、I、f4 優(yōu) 點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單

2、、可靠 分辨率高 機(jī)械位移0.1m，甚至更小；角位移0.1角秒。 輸出信號(hào)強(qiáng)，電壓靈敏度可達(dá)數(shù)百mV/mm 。 重復(fù)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸、記錄、顯示和控制 不 足 存在交流零位信號(hào)，不宜高頻動(dòng)態(tài)測(cè)量。 主要章節(jié)內(nèi)容4.1 自感式傳感器 4.2 差動(dòng)變壓器式傳感器 4.3 電渦流傳感器 54.1 自感式傳感器 自感式傳感器是利用自感量隨氣隙變化而改變的原理制成的，主要用來測(cè)量位移。自感式傳感器主要有閉磁路變隙式和開磁路螺線管式，它們又都可以分為單線圈式與差動(dòng)式兩種結(jié)構(gòu)形式。6內(nèi) 容4.1.1 結(jié)構(gòu)和工作原理 4.1

3、.2 自感式傳感器的測(cè)量電路 4.1.3 自感式傳感器應(yīng)用舉例 7自感式傳感器的基本工作原理演示8F銜鐵移動(dòng)磁路中氣隙磁阻變化線圈的電感值變化4.1.1 基本工作原理 9線圈鐵芯銜鐵由于可得：磁路的總磁阻可表示為：近似計(jì)算出線圈的電感量為：10結(jié) 論電感式傳感器從原理上可分為變氣隙長(zhǎng)度式和變氣隙截面式兩種類型，前者常用于測(cè)量直線位移，后者常用于測(cè)量角位移。如果在線圈中放入圓柱形銜鐵，當(dāng)銜鐵上下移動(dòng)時(shí)，自感量將相應(yīng)變化，就構(gòu)成了螺線管型自感傳感器。4.1.1 常見結(jié)構(gòu)形式111線圈 2鐵芯 3銜鐵 4測(cè)桿 5導(dǎo)軌 6工件 7轉(zhuǎn)軸由電感式 可知，變氣隙長(zhǎng)度式傳感器的線性度差、示值范圍窄、自由行程小

4、，但在小位移下靈敏度很高，常用于小位移的測(cè)量。 1變氣隙式（閉磁路式）自感傳感器 121線圈 2鐵芯 3銜鐵131變氣隙式（閉磁路式）自感傳感器 由電感式 同樣可知，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，但靈敏度較低，常用來測(cè)量較大位移量。為擴(kuò)大示值范圍和減小非線性誤差，可采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)。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(dòng)式。14 1測(cè)桿 2銜鐵 3線圈 差動(dòng)式電感傳感器對(duì)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，銜鐵承受的電磁吸力也較小，從而減小了測(cè)量誤差。特性15 1、2L1、L2的特性 3差動(dòng)特性 4.1.2 自感式傳感器

5、的測(cè)量電路測(cè)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(dòng)式傳感器大多采用交流電橋式 。交流電橋的種類很多，差動(dòng)形式工作時(shí)其電橋電路常采用雙臂工作方式。161變壓器交流電橋 電橋有兩臂為傳感器的差動(dòng)線圈的阻抗，所以該電路又稱為差動(dòng)交流電橋 17變壓器式交流電橋電路圖 分析設(shè)O點(diǎn)為電位參考點(diǎn)，根據(jù)電路的基本分析方法，可得到電橋輸出電壓為當(dāng)傳感器的活動(dòng)鐵芯處于初始平衡位置時(shí)，兩線圈的電感相等，阻抗也相等。電橋輸出電壓，電橋處于平衡狀態(tài)。 18變化時(shí)當(dāng)鐵芯向一邊移動(dòng)時(shí)，則一個(gè)線圈的阻抗增加 ，19變化后的電壓當(dāng)傳感器線圈為高Q值時(shí)，則線圈的電阻遠(yuǎn)小于其感抗 當(dāng)活動(dòng)鐵芯向另一邊（反方向）移動(dòng)

6、時(shí) 差動(dòng)式自感傳感器采用變壓器交流電橋?yàn)闇y(cè)量電路時(shí)，電橋輸出電壓既能反映被測(cè)體位移量的大小，又能反映位移量的方向，且輸出電壓與電感變化量呈線性關(guān)系。 202帶相敏整流的交流電橋 上述變壓器式交流電橋中，由于采用交流電源，則不論活動(dòng)鐵芯向線圈的哪個(gè)方向移動(dòng)，電橋輸出電壓總是交流的，即無法判別位移的方向。常采用帶相敏整流的交流電橋。21結(jié)構(gòu)22帶相敏整流的交流電橋電路 （1）初始平衡位置時(shí)23鐵芯處于初始平衡位置時(shí)的等效電路 （2）活動(dòng)鐵芯向一邊移動(dòng)時(shí) 24鐵芯向線圈一個(gè)方向移動(dòng)時(shí)的等效電路 結(jié)果25在Ui的正半周 在Ui的負(fù)半周 只要活動(dòng)鐵芯向一方向移動(dòng)，無論在交流電源的正半周還是負(fù)半周，電橋輸

7、出電壓均為正值。 26（3）活動(dòng)鐵芯向相反方向移動(dòng)時(shí)當(dāng)活動(dòng)鐵芯向線圈的另一個(gè)方向移動(dòng)時(shí)，用上述分析方法同樣可以證明，無論在的正半周還是負(fù)半周，電橋輸出電壓均為負(fù)值。 27應(yīng)用281理想特性曲線 2實(shí)際特性曲線4.1.3自感式傳感器應(yīng)用舉例用于測(cè)量位移，還可以用于測(cè)量振動(dòng)、應(yīng)變、厚度、壓力、流量、液位等非電量。 291自感式測(cè)厚儀 301可動(dòng)鐵芯 2測(cè)桿 3被測(cè)物體2位移測(cè)量 311引線 2線圈 3銜鐵 4測(cè)力彈簧 5導(dǎo)桿 6密封罩 7測(cè)頭其他電感測(cè)微頭324.2 差動(dòng)變壓器式傳感器把被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)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的，并且其二次

8、繞組都用差動(dòng)形式連接，所以又叫差動(dòng)變壓器式傳感器，簡(jiǎn)稱差動(dòng)變壓器。 有變隙式、變面積式和螺線管式等 在非電量測(cè)量中，應(yīng)用最多的是螺線管式的差動(dòng)變壓器，它可以測(cè)量1100mm范圍內(nèi)的機(jī)械位移，并具有測(cè)量精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。 334.2.1 基本工作原理 34螺線管式差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)示意圖 1 一次繞組 2二次繞組 3銜鐵 4測(cè)桿 螺線管式差動(dòng)變壓器原理圖 輸出特性35零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì) 零點(diǎn)電勢(shì)零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)使得傳感器在零點(diǎn)附近的輸出特性不靈敏，為測(cè)量帶來誤差。為了減小零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)，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)和磁路對(duì)稱。（2）選用合適的測(cè)量電路。

9、（3）采用補(bǔ)償線路減小零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)。364.2.2 測(cè) 量 電 路 差動(dòng)變壓器輸出的是交流電壓，若用交流電壓表測(cè)量，只能反映銜鐵位移的大小，而不能反映移動(dòng)方向。另外，其測(cè)量值中將包含零點(diǎn)殘余電壓。為了達(dá)到能辨別移動(dòng)方向及消除零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)目的，實(shí)際測(cè)量時(shí)，常常采用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路。 371差動(dòng)整流電路 384.2.3 差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用 差動(dòng)變壓器不僅可以直接用于位移測(cè)量，而且還可以測(cè)量與位移有關(guān)的任何機(jī)械量，如振動(dòng)、加速度、應(yīng)變、壓力、張力、比重和厚度等。3940 L1、L2傳感器作兩個(gè)橋臂；C1、C2為另外兩個(gè)橋臂；D1-D4組成相敏整流器;磁飽和變壓器T提供橋壓。差動(dòng)變

10、壓器式測(cè)厚儀1振動(dòng)和加速度的測(cè)量41 振動(dòng)傳感器及其測(cè)量電路1彈性支撐 2差動(dòng)變壓器2力和壓力的測(cè)量42 差動(dòng)變壓器式力傳感器 1上部 2銜鐵 3線圈 4變形部 5下部 微壓力傳感器43 1差動(dòng)變壓器 2銜鐵 3罩殼 4插頭 5通孔 6底座 7膜盒 8接頭 9線路板 電感式微壓力傳感器 課堂小結(jié)441、電感式傳感器工作原理，能測(cè)量哪些物理量？2、三種自感式傳感器的工作原理、特點(diǎn)、應(yīng)用范圍；3、帶相敏整流交流電橋是怎樣判斷銜鐵移動(dòng)方向的？4、零點(diǎn)殘余電壓是如何產(chǎn)生的，對(duì)傳感器性能會(huì)產(chǎn)生何種影響，如何消除它？45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(yīng)原理，塊狀金屬導(dǎo)體置于變化

11、的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應(yīng)電流，此電流叫電渦流，這種現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。 根據(jù)電渦流效應(yīng)制成的傳感器稱為電渦流式傳感器。按照電渦流在導(dǎo)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(diǎn)是能對(duì)位移、厚度、表面溫度、速度、應(yīng)力、材料損傷等進(jìn)行非接觸式連續(xù)測(cè)量，另外還具有體積小、靈敏度高、頻率響應(yīng)寬等特點(diǎn)，應(yīng)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(cè)金屬導(dǎo)體的電渦流效應(yīng)。而電渦流效應(yīng)既與被測(cè)體的電阻率、磁導(dǎo)率以及幾何形狀有關(guān)，又與線圈幾何參數(shù)、線圈中激磁電

12、流頻率有關(guān)，還與線圈與導(dǎo)體間的距離x有關(guān)。因此，傳感器線圈受電渦流影響時(shí)的等效阻抗Z的函數(shù)關(guān)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(gè)參數(shù)，傳感器線圈阻抗Z就僅僅是這個(gè)參數(shù)的單值函數(shù)。通過與傳感器配用的測(cè)量電路測(cè)出阻抗Z的變化量，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)該參數(shù)的測(cè)量。484.3.2 電渦流傳感器基本結(jié)構(gòu)和類型 1電渦流傳感器基本結(jié)構(gòu) 2電渦流傳感器基本類型 491電渦流傳感器基本結(jié)構(gòu)電渦流式傳感器的基本結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)可分為兩種形式：一種是單獨(dú)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 5

13、0 圖4-26 CZF3型電渦流式傳感器 1殼體 2框架 3線圈 4保護(hù)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(xì)槽，用導(dǎo)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(hào)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電渦流傳感器基本類型電渦流在金屬導(dǎo)體內(nèi)的滲透深度與傳感器線圈的激勵(lì)信號(hào)頻率有關(guān)，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(yīng)用較廣泛。52（1）高頻反射式高頻（1MHz）激勵(lì)電流產(chǎn)生的高頻磁場(chǎng)

14、作用于金屬板的表面，由于集膚效應(yīng)，在金屬板表面將形成渦電流。與此同時(shí)，該渦流產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)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(dǎo)率、激勵(lì)電流i及角頻率等有關(guān)，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(zhuǎn)換為線圈自感的變化，通過測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電壓輸出。高頻反射式渦流傳感器多用于位移測(cè)量。 53高頻反射式電渦流傳感器 （2）低頻透射式54 低頻透射式電渦流傳感器 4.3.3 測(cè)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(shí)，電橋平衡，橋路輸出UAB0。工作時(shí)

15、，傳感器接近被測(cè)體，電渦流效應(yīng)等效電感L發(fā)生變化，測(cè)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(lì)電渦流線圈。金屬材料在高頻磁場(chǎng)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(duì)電渦流線圈的影響）。573調(diào)頻（FM）式電路（100kHz1MHz）當(dāng)電渦流線圈與被測(cè)體的距離x 改變時(shí)，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(jì)算機(jī)測(cè)量。如果要用模擬儀表進(jìn)行顯示或記錄時(shí)，必須使用鑒頻器，將f轉(zhuǎn)

16、換為電壓Uo。 584.3.4 電渦流傳感器的應(yīng)用 渦流式傳感器的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于進(jìn)行非接觸的連續(xù)測(cè)量，靈敏度較高，適用性強(qiáng) 利用位移x作為變換量，可以做成測(cè)量位移、厚度、振幅、振擺、轉(zhuǎn)速等傳感器，也可做成接近開關(guān)、計(jì)數(shù)器等； 利用材料電阻率作為變換量，可以做成測(cè)量溫度，材質(zhì)判別等傳感器； 利用導(dǎo)磁率作為變換量，可以做成測(cè)量應(yīng)力，硬度等傳感器； 利用變換量x、等的綜臺(tái)影響，可以做成探傷裝置。 591測(cè)量轉(zhuǎn)速 在軟磁材料制成的輸入軸上加工一鍵槽（或裝上一個(gè)齒輪狀的零件），在距輸入表面d0處設(shè)置電渦流傳感器，輸入軸與被測(cè)旋轉(zhuǎn)軸相連。 60實(shí)物圖 原理當(dāng)旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，輸出軸的距離發(fā)生d0+d的變

17、化。由于電渦流效應(yīng)，這種變化將導(dǎo)致振蕩諧振回路的品質(zhì)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(zhuǎn)，從振蕩器輸出的信號(hào)中包含有與轉(zhuǎn)數(shù)成正比的脈沖頻率信號(hào)。該信號(hào)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(hào)f，該信號(hào)經(jīng)電路處理便可得到被測(cè)轉(zhuǎn)速。 612測(cè)位移 接通電源后，在電渦流探頭的有效面（感應(yīng)工作面）將產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)。當(dāng)金屬物體接近此感應(yīng)面時(shí)，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(jì)算出與被檢物體的距離、振動(dòng)等參數(shù)。這種位移傳感器屬于非接觸測(cè)量，工作時(shí)不受

18、灰塵等非金屬因素的影響，壽命較長(zhǎng)，可在各種惡劣條件下使用。 623電渦流接近開關(guān) 接近開關(guān)又稱無觸點(diǎn)行程開關(guān)。常用的接近開關(guān)有電渦流式（俗稱電感接近開關(guān)）、電容式、磁性干簧開關(guān)、霍爾式、光電式、微波式、超聲波式等 它能在一定的距離（幾毫米至幾十毫米）內(nèi)檢測(cè)有無物體靠近。當(dāng)物體與其接近到設(shè)定距離時(shí)，就可以發(fā)出“動(dòng)作”信號(hào)。接近開關(guān)的核心部分是“感辨頭”，它對(duì)正在接近的物體有很高的感辨能力。 63實(shí)物64 接近開關(guān)外形圖原理電渦流式接近開關(guān)屬于一種開關(guān)量輸出的位置傳感器。原理圖如圖4-36所示，它由LC高頻振蕩器和放大處理電路組成，利用金屬物體在接近這個(gè)能產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)的振蕩感辨頭時(shí)，使物體內(nèi)部產(chǎn)生渦流。這個(gè)渦流反作用于接近開關(guān)，使接近開關(guān)振蕩能力衰減，內(nèi)部電路的參數(shù)發(fā)生變化，由此識(shí)別出有無金屬物體接近，進(jìn)而控制開關(guān)的通或斷。這種接近開關(guān)所能檢測(cè)的物體必須是導(dǎo)電性能良好的金屬物體。65接近開關(guān)原理圖 66轉(zhuǎn)速測(cè)量67接近開關(guān)外形接近開關(guān)外形68偏心和振動(dòng)檢測(cè)69電渦流表面探傷70掌上型電渦流探傷儀4金屬探測(cè)器71金屬探測(cè)器適用于金屬管道的尋找定位、海濱游泳場(chǎng)沙灘金屬垃圾的清除及其他工業(yè)和民用場(chǎng)所。本章小結(jié)變磁阻式傳感器是利用被測(cè)量的變化使線圈電感量發(fā)生改變來實(shí)現(xiàn)測(cè)量