1、第三节 电感式传感器,电感式传感器的工作原理是电磁感应。它是把被测量如位移等，转换为电感量变化的一种装置。按照转换方式的不同，可分为自感式（包括可变磁阻式与涡流式）和互感式（差动变压器式）两种。,特点,分辨力高，但与测量范围有关 响应慢，不宜于快速动态测量,3.1 自感式传感器,F,220V,F,用手慢慢将接触器的活动铁心（称为衔铁）往下按，我们会发现毫安表的读数逐渐减小。当衔铁与固定铁心之间的气隙等于零时，毫安表的读数只剩下十几毫安。,3.1.1 基本工作原理,总磁阻,线圈匝数,两式联立得:,图-1 变磁阻式传感器,N：线圈匝数；A ：气隙的有效截面积； 0 ：真空磁导率； ：气隙厚度。,真
2、空导磁率,而,L 与呈非线性（双曲线）关系。,1. A固定不变，变化时,衔铁下移,忽略高次项：,衔铁上移,忽略高次项：,为了减小非线性误差，在实际应用中，一般取 。这种传感器适用于较小位移的测量，一般约为0.0011 mm。,总结： 愈小，灵敏度愈高。,自感L与呈线性关系。这种传感器灵敏度较低。,2. 固定不变，A 变化时,3.1.常用自感式传感器的典型结构,1. 自感L与A成线性关系，这种传感器灵敏度较低。,2. 差动型，当衔铁有位移时，可以使两个线圈的间隙按 变化。,一个线圈自感增加，另一个线圈自感减小。将两线圈接于电桥的相邻桥臂时，其输出灵敏度可提高一倍，并改善了线性特性。,单螺管线圈型
3、，当铁芯在线圈中运动时，将改变磁阻，使线圈自感发生变化。这种传感器结构简单、制造容易，但灵敏度低，适用于较大位移(数毫米)测量。,. 双螺管线圈差动型，较之单螺管线圈型有较高灵敏度及线性，被用于电感测微计上，其测量范围为0300m，最小分辨力为0.5m。这种传感器的线圈接于电桥上，构成两个桥臂，线圈电感L1、L2随铁芯位移而变化,3.1.3 变隙式差动电感传感器,1-差动线圈 2-铁心 3-衔铁 4-测杆 5-工件,在变隙式差动电感传感器中，当衔铁随被测量移动而偏离中间位置时，两个线圈的电感量一个增加，一个减小，形成差动形式。,衔铁下移：,忽略高次项：,提高一倍,上式中不存在偶次项，显然差动式
4、自感传感器的非线性误差在工作范围内要比单个自感传感器的小得多。,差动电感传感器的特点,曲线1、2为L1、L2 的特性，3为差动特性,在变隙式差动电感传感器中，当衔铁随被测量移动而偏离中间位置时，两个线圈的电感量一个增加，一个减小，形成差动形式。,1-差动线圈 2-铁心 3-衔铁 4-测杆 5-工件,差动式电感传感器的特性,从曲线图可以看出，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。,从结构图可以看出，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。,测量转换电路,测量转换电路的作用
5、是将电感量的变化转换成电压或电流的变化，以便用仪表指示出来。但若仅采用电桥电路和普通的检波电路，则只能判别位移的大小，却无法判别输出的相位和位移的方向。如果在输出电压送到指示仪前，经过一个能判别相位的检波电路，则不但可以反映位移的大小（的幅值），还可以反映位移的方向（的相位）。这种检波电路称为相敏检波电路。,图3-7 相敏检波输出特性曲线,a）非相敏检波 b）相敏检波 1理想特性曲线 2实际特性曲线,3.2 差动变压器式传感器,差动变压器式传感器是把被测位移量转换为一次线圈与二次线圈间的互感量M的变化的装置。当一次线圈接入激励电源之后，二次线圈就将产生感应电动势，当两者间的互感量变化时，感应电
6、动势也相应变化。由于两个二次线圈采用差动接法，故称为差动变压器。目前应用最广泛的结构型式是螺线管式差动变压器。,螺管形差动变压器工作原理,差动变压器式传感器的优点：测量精度高，可达0.1m；线性范围大，可到100mm；稳定性好，使用方便。因而被广泛应用于直线位移，或可能转换为位移变化的压力、重量等参数的测量。,差动变压器式传感器输出的电压是交流量，如用交流电压表指示，则输出值只能反应铁芯位移的大小，而不能反应移动的极性；同时，交流电压输出存在一定的零点残余电压，使活动衔铁位于中间位置时，输出也不为零。因此，差动变压器式传感器的后接电路应采用既能反应铁芯位移极性，又能补偿零点残余电压的差动直流输
7、出电路。实际测量时，常常采用差动整流电路和相敏检波电路。,. 用于小位移的差动相敏检波电路,当没有信号输入时，铁芯处于中间位置，调节电阻R，使零点残余电压减小；当有信号输入时，铁芯移上或移下，其输出电压经交流放大、相敏检波、滤波后得到直流输出。由表头指示输入位移量的大小和方向。,. 差动整流电路,这种电路是把差动变压器的两个次级输出电压分别整流， 然后将整流的电压或电流的差值作为输出。,从图（c）电路结构可知，不论两个次级线圈的输出瞬时电压极性如何，流经电容C1的电流方向总是从2到4，流经电容C2的电流方向总是从6到8， 故整流电路的输出电压为,4. 二极管相敏检波电路的一般形式,. 涡流式传
8、感器,金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应电流，称之为电涡流或涡流。这种现象称为涡流效应。涡流式传感器就是在这种涡流效应的基础上建立起来的。涡流式电感传感器可分为高频反射式和低频透射式两类。,.工作原理,高频（数MHz以上）激励电流 施加于邻近金属板一侧的线圈，由线圈产生的高频电磁场作用于金属板的表面。在金属板表面薄层内产生涡流 ，涡流 又产生反向的磁场，反作用于线圈上，由此引起线圈自感L或线圈阻抗 的变化。 当被测位移量发生变化时，使线圈与金属板的距离发生变化，从而导致线圈阻抗 的变化，通过测量电路转化为电压输出。高频反射式涡流式传感器常用于位移测量。,. 高频反射式涡流传感器,(
9、1) 集肤效应,集肤效应与激励源频率f、工件的电导率、磁导率等有关。频率f越高，电涡流的渗透的深度就越浅，集肤效应越严重。,当高频（100kHz左右）信号源产生的高频电压施加到一个靠近金属导体附近的电感线圈L1时，将产生高频磁场H1。如被测导体置于该交变磁场范围之内时，被测导体就产生电涡流i2。i2在金属导体的纵深方向并不是均匀分布的，而只集中在金属导体的表面，这称为集肤效应（也称趋肤效应）。,(2) 等效阻抗分析,电涡流线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的函数表达式为：Z=R+jL=f（i1、f、r、x）,(3)等效阻抗与非电量的测量,检测深度的控制：由于存在集肤效应，电涡流只能检测导体表面的各
10、种物理参数。改变f，可控制检测深度。激励源频率一般设定在100kHz1MHz。频率越低，检测深度越深。,间距x的测量：如果控制上式中的i1、f、r不变，电涡流线圈的阻抗Z就成为间距x的单值函数，这样就成为非接触地测量位移的传感器。多种用途：如果控制x、i1、f不变，就可以用来检测与表面电导率有关的表面温度、表面裂纹等参数，或者用来检测与材料磁导率有关的材料型号、表面硬度等参数。,高频电流通过励磁线圈，产生交变磁场，在铁质锅底会产生无数的电涡流，使锅底自行发热，烧开锅 内 的 食 物。,.低频透射式涡流传感器,低频透射式涡流传感器多用于测定材料厚度。发射线圈 和接收线圈 分别放在被测材料G的上下
11、，低频(音频范围)电压 加到线圈 的两端后，在周围空间产生一交变磁场，并在被测材料G中产生涡流 ，此涡流损耗了部分能量，使贯穿 的磁力线减少，从而使 产生的感应电势 减小。感应电势的大小与G的厚度及材料性质有关，实验与理论证明， 随材料厚度h增加按负指数规律减小。因而按负指数的变化便可测得材料的厚度。,.测量电路,（）调幅电路（）调频电路（）调相电路,.电感式传感器的应用,. 位移测量,航空插头,红宝石测头,轴向式电感测微器的外形,轴向式电感测微器的内部结构,1引线电缆 2固定磁筒 3衔铁 4线圈 5测力弹簧 6防转销 7钢球导轨（直线轴承） 8测杆 9密封套 10测端 11被测工件 12基准面,.直径分选,1气缸 2活塞 3推杆 4被测滚柱 5落料管 6电感测微器 7钨钢测头 8限位挡板 9电磁翻板 10容器（料斗）,直径分选装置外形,落料振动台,滑道,11个分选仓位,废料仓,. 在仿形机床中的应用,1标准靠模样2测端（靠模轮）3电感测微器 4铣刀龙门框架5立柱 6伺服电动机 7铣刀 8毛坯,.电感式不圆度计,该圆度计采用旁向式电感测微头,电感式不圆度测量系统外形,旋转盘,测量头,.压力测量,5差动线圈6衔铁,. 在粗糙度测量中的应用,金刚石测头,
