1、2018/8/19,1,第4章 电感式传感器及应用,2018/8/19,2,引言,电感式传感器的工作基础：电磁感应 即利用线圈自感或互感的改变来实现非电量测量,2018/8/19,3,分为自感式、互感式和电涡流式等 特点： 工作可靠、寿命长 灵敏度高，分辨力高 精度高、线性好 性能稳定、重复性好能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制，在工业自动控制系统中被广泛采用。,2018/8/19,4,主要章节内容,4.1自感式传感器 4.2差动变压器式传感器 4.3电涡流传感器,2018/8/19,5,4.1自感式传感器,自感式传感器是利用自感量随气隙变化而改变的原理制成的，用来测量位移。自感式传感器
2、主要有闭磁路变隙式和开磁路螺线管式，它们又都可以分为单线圈式与差动式两种结构形式。,2018/8/19,6,内容,4.1.1 基本工作原理 4.1.2 自感式传感器的测量电路 4.1.3 自感式传感器应用举例,2018/8/19,7,电感传感器的基本工作原理演示,气隙变小，电感变大，电流变小,F,2018/8/19,8,4.1.1 基本工作原理,线圈的自感量等于线圈中通入单位电流所产生的磁链数，即线圈的自感系数为磁链， 为磁通（Wb），I 为流过线圈的电流（A），N为线圈匝数。根据磁路欧姆定律： ， 为磁导率，S 为磁路截面积，l 为磁路总长度。,2018/8/19,9,线圈的电感量,为磁路的
3、磁阻,变磁阻式传感器,2018/8/19,10,结论,只要被测非电量能够引起空气隙长度或等效截面积发生变化，线圈的电感量就会随之变化。 电感式传感器从原理上可分为变气隙长度式和变气隙截面式两种类型，前者常用于测量直线位移，后者常用于测量角位移。,2018/8/19,11,自感式传感器,1线圈 2铁芯 3衔铁 4测杆 5导轨 6工件 7转轴,2018/8/19,12,1变气隙式（闭磁路式）自感传感器,由电感式可知，变气隙长度式传感器的线性度差、示值范围窄、自由行程小，但在小位移下灵敏度很高，常用于小位移的测量。,1线圈 2铁芯 3衔铁,2018/8/19,13,2螺线管式（开磁路式）自感式传感器
4、,螺线管式自感式传感器常采用差动式。 它是在螺线管中插入圆柱形铁芯而构成的。其磁路是开放的，气隙磁路占很长的部分。有限长螺线管内部磁场沿轴线非均匀分布，中间强，两端弱。插入铁芯的长度不宜过短也不宜过长，一般以铁芯与线圈长度比为0.5、半径比趋于1为宜。铁磁材料的选取决定于供桥电源的频率，500Hz以下多用硅钢片，500Hz以上多用薄膜合金，更高频率则选用铁氧体。从线性度考虑，匝数和铁芯长度有一最佳数值，应通过实验选定。,2018/8/19,14,结构,差动式电感传感器对外界影响，如温度的变化、电源频率的变化等基本上可以互相抵消，衔铁承受的电磁吸力也较小，从而减小了测量误差。,1测杆 2衔铁 3
5、线圈,2018/8/19,15,特性,从输出特性曲线（如图4-5所示）可以看出，差动式电感传感器的线性较好，且输出曲线较陡，灵敏度约为非差动式电感传感器的两倍。,1、2L1、L2的特性 3差动特性,2018/8/19,16,以上三种传感器中，变气隙长度式灵敏度最高，且随气隙的增大而减小，非线性误差大；为了减少非线性误差，量程必须限制在较小范围内，所以只能用于微小位移的测量，一般为0.0011mm，但制作装配比较困难。 变气隙截面式传感器灵敏度比变间隙型小，但线性较好，量程也比变间隙式大，使用比较广泛。 螺管型传感器灵敏度较低，但量程大且结构简单，易于制作和批量生产，是使用最广泛的一种电感式传感
6、器。,2018/8/19,17,以上三种类型的传感器，由于线圈中流过负载的电流不等于零，存在起始电流，非线性较大，而且有电磁吸力作用于活动衔铁；易受外界干扰的影响，如电源电压和频率的波动、温度变化等都将使输出产生误差，所以不适用于精密测量，只用在一些继电信号装置。在实际应用中，广泛采用的是将两个电感式传感器组合在一起，形成差动式传感器。,2018/8/19,18,4.1.2 自感式传感器的测量电路,自感式传感器的测量电路用来将电感量的变化转换成相应的电压或电流信号，以便供放大器进行放大，然后用测量仪表显示或记录。 测量电路有交流分压式、交流电桥式和谐振式等多种，常用的差动式传感器大多采用交流电
7、桥式 。,2018/8/19,19,1变压器交流电桥,电桥有两臂为传感器的差动线圈的阻抗，所以该电路又称为差动交流电桥,变压器式交流电桥电路图,2018/8/19,20,分析,设O点为电位参考点，根据电路的基本分析方法，可得到电桥输出电压为当传感器的活动铁芯处于初始平衡位置时，两线圈的电感相等，阻抗也相等，此时电桥输出电压为0，电桥处于平衡状态。,2018/8/19,21,变化时,当铁芯向一边移动时，则一个线圈的阻抗增加 ：,2018/8/19,22,变化后的电压,当传感器线圈为高Q 值时，则线圈的电阻远小于其感抗 当活动铁芯向另一边（反方向）移动时 差动式自感传感器采用变压器交流电桥为测量电
8、路时，电桥输出电压既能反映被测体位移量的大小，又能反映位移量的方向，且输出电压与电感变化量呈线性关系。,2018/8/19,23,2带相敏整流的交流电桥,上述变压器式交流电桥中，由于采用交流电源，则不论活动铁芯向线圈的哪个方向移动，电桥输出电压总是交流的，即无法判别位移的方向。 常采用带相敏整流的交流电桥.,2018/8/19,24,结构,带相敏整流的交流电桥电路,2018/8/19,25,（1）初始平衡位置时,当差动式传感器的活动铁芯处于中间位置时，传感器两个差动线圈的阻抗：Z1=Z2=Z0，其等效电路如图所示。,铁芯处于初始平衡位置时的等效电路,2018/8/19,26,（2）活动铁芯向一
9、边移动时,当活动铁芯向线圈的一个方向移动时，传感器两个差动线圈的阻抗发生变化，等效电路如图所示。,铁芯向线圈一个方向移动时的等效电路,2018/8/19,27,结果,在Ui的正半周,在Ui的负半周,2018/8/19,28,只要活动铁芯向一方向移动，无论在交流电源的正半周还是负半周，电桥输出电压均为正值。,2018/8/19,29,（3）活动铁芯向相反方向移动时,当活动铁芯向线圈的另一个方向移动时，用上述分析方法同样可以证明，无论在的正半周还是负半周，电桥输出电压均为负值。,2018/8/19,30,应用,采用带相敏整流的交流电桥，其输出电压既能反映位移量的大小，又能反映位移的方向，所以应用较
10、为广泛。,1理想特性曲线 2实际特性曲线,2018/8/19,31,4.1.3自感式传感器应用举例,用于测量位移，还可以用于测量振动、应变、厚度、压力、流量、液位等非电量。,2018/8/19,32,1自感式测厚仪,1可动铁芯 2测杆 3被测物体,2018/8/19,33,2位移测量,1引线 2线圈 3衔铁 4测力弹簧 5导杆 6密封罩 7测头,2018/8/19,34,2018/8/19,35,4.2差动变压器式传感器,把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器称为互感式传感器。因这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且其二次绕组都用差动形式连接，所以又叫差动变压器式传感器，简称差动变
11、压器。 有变隙式、变面积式和螺线管式等 在非电量测量中，应用最多的是螺线管式的差动变压器，它可以测量1100mm范围内的机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点。,2018/8/19,36,4.2.1 基本工作原理,螺线管式差动变压器结构示意图 1 一次绕组 2二次绕组 3衔铁 4测杆,螺线管式差动变压器原理图,2018/8/19,37,输出特性,由于在一定的范围内，互感的变化M与位移x成正比，所以输出电压的变化与位移的变化成正比。实际上，当衔铁位于中心位置时，差动变压器的输出电压并不等于零，通常把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压（e）。它的存在使传感器的输
12、出特性曲线不过零点，造成实际特性与理论特性不完全一致。,零点残余电动势,2018/8/19,38,零点电势,零点残余电动势使得传感器在零点附近的输出特性不灵敏，为测量带来误差。为了减小零点残余电动势，可采用以下方法。 （1）尽可能保证传感器尺寸、线圈电气参数和磁路对称。磁性材料要经过处理，消除内部的残余应力。 （2）选用合适的测量电路。如采用相敏整流电路，既可判别衔铁移动方向又可改善输出特性，减小零点残余电动势，使其性能均匀稳定。 （3）采用补偿线路减小零点残余电动势。,2018/8/19,39,4.2.2 测 量 电 路,差动变压器输出的是交流电压，若用交流电压表测量，只能反映衔铁位移的大小
13、，而不能反映移动方向。另外，其测量值中将包含零点残余电压。为了达到能辨别移动方向及消除零点残余电动势目的，实际测量时，常常采用差动整流电路和相敏检波电路。,2018/8/19,40,1差动整流电路,2018/8/19,41,差动整流电路,2018/8/19,42,2差动相敏检波电路,差动相敏检波电路,2018/8/19,43,等效电路1,2018/8/19,44,等效电路2,2018/8/19,45,（2）工作原理,传感器衔铁上移 传感器衔铁下移,2018/8/19,46,（3）波形图,2018/8/19,47,4.2.3 差动变压器式传感器的应用,差动变压器不仅可以直接用于位移测量，而且还可
14、以测量与位移有关的任何机械量，如振动、加速度、应变、压力、张力、比重和厚度等。,2018/8/19,48,1振动和加速度的测量,衔铁受振动和加速度的作用，使弹簧受力变形，与弹簧联接的衔铁的位移大小反映了振动的幅度和频率以及加速度的大小。,振动传感器及其测量电路 1弹性支撑 2差动变压器,2018/8/19,49,2力和压力的测量,当力作用于传感器时，弹性元件产生变形，从而导致衔铁相对线圈移动。线圈电感量的变化通过测量电路转换为输出电压，其大小反映了受力的大小。,差动变压器式力传感器,1上部 2衔铁 3线圈 4变形部 5下部,2018/8/19,50,微压力传感器,在无压力作用时，膜盒在初始状态
15、，与膜盒联接的衔铁位于差动变压器线圈的中心部位。当压力输入膜盒后，膜盒的自由端产生位移并带动衔铁移动，差动变压器产生一正比于压力的输出电压。,1差动变压器 2衔铁 3罩壳 4插头5通孔 6底座 7膜盒 8接头 9线路板,电感式微压力传感器,2018/8/19,51,4.3电涡流传感器,根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。按照电涡流在导体内的贯穿情况， 此传感器可分为高频反射式和低频透射式两类，但从基本工作原理上来说仍是相似的。电涡流式传感器最大的特点是能对位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等进行非接触式连续测量，另外还具有体积小、灵敏度高、频率响应宽等特点，应用极其广泛。,2
16、018/8/19,52,4.3.1 电涡流传感器的工作原理,电涡流传感器原理图,2018/8/19,53,如果保持式中其他参数不变，而只改变其中一个参数，传感器线圈阻抗Z就仅仅是这个参数的单值函数。通过与传感器配用的测量电路测出阻抗Z的变化量，即可实现对该参数的测量。,2018/8/19,54,4.3.2 电涡流传感器基本结构和类型,1电涡流传感器基本结构 2电涡流传感器基本类型,2018/8/19,55,1电涡流传感器基本结构,一种是单独绕成一只无框架的扁平圆形线圈，由胶水将此线圈粘接于框架的顶部,图4-26 CZF3型电涡流式传感器1壳体 2框架 3线圈 4保护套5填料 6螺母 7电缆,2
17、018/8/19,56,另一种是在框架的接近端面处开一条细槽，用导线在槽中绕成一只线圈，如图4-27所示的CZF1型电涡流式传感器。,图4-27 CZF1型电涡流式传感器 1电涡流线圈 2前端壳体 3位置调节螺 4信号处理电路 5夹持螺母 6电源指示灯阈值指示灯 8输出屏蔽电缆线 9电缆插头,2018/8/19,57,2电涡流传感器基本类型,电涡流在金属导体内的渗透深度与传感器线圈的激励信号频率有关，故电涡流式传感器可分为高频反射式和低频透射式两类。目前高频反射式电涡流传感器应用较广泛。,2018/8/19,58,（1）高频反射式,高频激励电流产生的高频磁场作用于金属板的表面，在金属板表面将形
18、成涡电流。与此同时，该涡流产生的交变磁场又反作用于线圈，引起线圈自感L或阻抗ZL的变化。这一变化与金属板距离h、金属板的电阻率、磁导率、激励电流i及角频率等有关，若只改变h而其他参数不变，则可将位移的变化转换为线圈自感的变化，通过测量电路转换为电压输出。,高频反射式电涡流传感器,2018/8/19,59,（2）低频透射式,低频透射式电涡流传感器,2018/8/19,60,4.3.3 测量电路,1电桥电路 2调幅式（AM）电路 3调频（FM）式电路（100kHz1MHz）,2018/8/19,61,1电桥电路,静态时，电桥平衡，桥路输出UAB0。 工作时，传感器接近被测体，由于电涡流效应使等效电
19、感L发生变化，测量电桥失去平衡，即UAB0，经线性放大后送检波器检波后输出直流电压U。,2018/8/19,62,2调幅式（AM）电路,传感器由线圈L、电容器C 和石英晶体组成。石英晶体振荡器起恒流源的作用，给谐振回路提供一个频率（f0）稳定的激励Ui 。 金属材料在高频磁场中产生电涡流，引起电涡流线圈端电压的衰减，再经高放、检波、低放电路，最终输出的直流电压。Uo反映了金属体对电涡流线圈的影响。,2018/8/19,63,当金属导体远离或去掉时， LC谐振回路上的谐振频率即为石英振荡初始频率fo，回路呈现的阻抗最大，谐振回路上的输出电压也最大 当金属导体靠近传感器线圈时，线圈的等效电感L发生
20、变化，导致回路失谐，从而使输出电压降低，L的数值随距离x的变化而变化。因此，输出电压随x而变化。输出电压经放大、 检波后， 由指示仪表直接显示出x的大小。,2018/8/19,64,3调频（FM）式电路（100kHz1MHz）,2018/8/19,65,传感器线圈接入LC振荡回路，当传感器与被测导体距离X改变时，在涡流影响下，传感器的电感L变化，将导致振荡频率的变化，该变化的频率是距离X的函数，即f=L(X), 该频率可由数字频率计直接测量，或者通过f-V变换，用仪表测量对应的电压。 振荡器的频率为,为了避免输出电缆的分布电容的影响，通常将L、C装在传感器内。 此时电缆分布电容并联在大电容C2
21、、C3上，因而对振荡频率f的影响将大大减小。,2018/8/19,66,4.3.4 电涡流传感器的应用, 利用位移x作为变换量，可以做成测量位移、厚度、振幅、振摆、转速等传感器，也可做成接近开关、计数器等 利用材料电阻率作为变换量，可以做成测量温度，材质判别等传感器 利用导磁率作为变换量，可以做成测量应力，硬度等传感器 利用变换量x、等的综台影响，可以做成探伤装置。,2018/8/19,67,1测量转速,在软磁材料制成的输入轴上加工一键槽（或装上一个齿轮状的零件），在距输入表面d0处设置电涡流传感器，输入轴与被测旋转轴相连。,（a）实物图,2018/8/19,68,转速测量,2018/8/19
22、,69,2测位移,接通电源后，在电涡流探头的有效面（感应工作面）将产生一个交变磁场。当金属物体接近此感应面时，金属表面将吸取电涡流探头中的高频振荡能量，使振荡器的输出幅度线性地衰减，根据衰减量的变化，可计算出与被检物体的距离、振动等参数。,2018/8/19,70,3电涡流接近开关,接近开关又称无触点行程开关。常用的接近开关有电涡流式（俗称电感接近开关）、电容式、磁性干簧开关、霍尔式、光电式、微波式、超声波式等 它能在一定的距离（几毫米至几十毫米）内检测有无物体靠近。当物体与其接近到设定距离时，就可以发出“动作”信号。接近开关的核心部分是“感辨头”，它对正在接近的物体有很高的感辨能力。,2018/8/19,71,实物,接近开关外形图,2018/8/19,72,原理,利用金属物体接近产生交变电磁场的振荡感辨头时，物体内部产生涡流。这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。这种接近开关所能检测的物体必须是导电性能良好的金属物体。,2018/8/19,73,接近开关外形,接近开关外形,2018/8/19,74,偏心和振动检测,2018/8/19,75,电涡流表面探伤,掌上型 电涡流 探伤仪,
