传感器技术课件电感式传感器

1、14.3 电感式传感器电感式传感器把被测量转换为电感变化的一种传感器把被测量转换为电感变化的一种传感器被测信息被测信息敏感元件敏感元件转换元件转换元件辅助电源辅助电源信号调理电路信号调理电路输出信息输出信息电感元件电感元件电感元件电感元件基于电磁感应原理，把被测量基于电磁感应原理，把被测量（如位移、振动、压力、应变、（如位移、振动、压力、应变、流量、比重等）转化为电感线流量、比重等）转化为电感线圈的圈的自感自感系数或系数或互感互感系数变化系数变化的装置的装置 2【互感【互感m】由于一个电路中电流变化，而在邻近另一个电路中引起感由于一个电路中电流变化，而在邻近另一个电路中引起感生电动势的现象生电

2、动势的现象 。用。用互感系数互感系数来表示器件在互感现象方面的特性，来表示器件在互感现象方面的特性，代号代号m m。【自感【自感l】电路中因自身电流变化而引起感应电动势的现象电路中因自身电流变化而引起感应电动势的现象 。用。用自感自感系数系数来表示器件（如线圈）在自感现象方面的特性，代号来表示器件（如线圈）在自感现象方面的特性，代号l l。电感式传感器电感式传感器自感型自感型互感型互感型常为差动常为差动变压器式变压器式 涡流式涡流式变磁阻式变磁阻式变面积式变面积式变间隙式变间隙式螺线管式螺线管式32mnlr线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁 传感器由线圈、铁心和衔铁组成。工作时衔铁与被测物体连接，被测物

3、体的位移引气隙磁阻的变化，导致了线圈电感量的变化。1. 1.自感式传感器自感式传感器-变磁阻式变磁阻式4mrnl2121122002mllraaa22121122002mnnlllraaa如果空气隙较小，且忽略磁路铁损时，磁路总磁阻为：因此有：线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁2002nal由于电感传感器的铁心一般工作在非饱和状态下，其导磁率远大于空气隙的导磁率，因此铁心磁阻远较气隙磁阻小，因此：22121122002mnnlllraaa5变间隙变间隙式式变面积变面积式式2002nall l与气隙与气隙 成反比，成反比，与气隙导磁面积与气隙导磁面积a a0 0成正比。成正比。 1 1）自感传感器类型）自

4、感传感器类型: :62002ndlsda传感器灵敏度为：传感器灵敏度为： 变面积型自感传感器的自感与面积成线性关系，变面积型自感传感器的自感与面积成线性关系，但这种传感器的灵敏度较低。但这种传感器的灵敏度较低。变面积变面积式式202nal720022nadlsd 变间隙变间隙式式传感器灵敏度为：传感器灵敏度为：202nalxll200202nas 气隙气隙 愈小，则灵敏度愈小，则灵敏度s s愈高。由于愈高。由于s s不是常不是常数，会产生非线性误差，因此这种传感器常规定在数，会产生非线性误差，因此这种传感器常规定在较小气隙变化范围内工作。由于气隙变化甚小，即较小气隙变化范围内工作。由于气隙变化

5、甚小，即远小于远小于 0 0时（一般要求小于时（一般要求小于1010倍以上），倍以上），s s进一步进一步近似为：近似为：此时此时s s可近似为常数。因此，可近似为常数。因此，这种传感器一般只这种传感器一般只适用于大约适用于大约0.0010.0011mm1mm范围的小位移测量。范围的小位移测量。对于变间隙式对于变间隙式, ,改善非线性，提高灵敏度的方法如下改善非线性，提高灵敏度的方法如下: :接成差动型接成差动型8螺螺 管管 式式螺管型电感传感器的衔铁随被测对象移动，线圈磁力线路径上的磁螺管型电感传感器的衔铁随被测对象移动，线圈磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈电感量也因此而变化。线圈电感量的大

6、小与衔铁阻发生变化，线圈电感量也因此而变化。线圈电感量的大小与衔铁插入线圈的深度有关。插入线圈的深度有关。根据结构形式，自感传感器可分为：气隙型、螺线管根据结构形式，自感传感器可分为：气隙型、螺线管rx螺旋管铁心单线圈螺管型传感器结构图lrc92c2(1)rrlxllrxlrnxlsnlrr22c20220) 1() 1(铁芯可以看出，插入铁芯后，线圈电感的增量和相对增量均与铁芯的插入深度可以看出，插入铁芯后，线圈电感的增量和相对增量均与铁芯的插入深度 x 成正比。如果螺管内磁场强度均匀分布的范围大，就可以获得较大的线成正比。如果螺管内磁场强度均匀分布的范围大，就可以获得较大的线性位移传感器。

7、性位移传感器。这种传感器结构简单、制造容易，但灵敏度低，适用于较大位移测量。这种传感器结构简单、制造容易，但灵敏度低，适用于较大位移测量。为了提高灵敏度和线性度，常采用差动螺管式电感传感器。为了提高灵敏度和线性度，常采用差动螺管式电感传感器。10变间隙型变间隙型：气隙型自感传感器灵敏度高，它的主要缺点是非线性严重，为了限制线性误差，示值范围只能较小；它的自由行程小，因为衔铁在运动方向上受铁心限制，制造装配困难。变面积型：变面积型：灵敏度较低，优点是具有较好的线性，因而测量范围可取大些。螺管型：螺管型：灵敏度比变面积型的更低，但示值范围大，线性也较好，得到广泛应用。三种类型比较： 112 2）差

8、动式自感传感器）差动式自感传感器: :在实际使用中，常采用两个相同的传感线圈共用一个衔铁，构成差动式自感传感器，两个线圈的电气参数和几何尺寸要求完全相同。这种结构除了可以改善非线性、提高灵敏度外，对温度变化、电源频率变化等的影响也可以进行补偿，从而减少了外界影响造成的误差。12下图是变气隙型及螺管型的差动式自感传感器的结构示意图。当衔铁3移动时，一个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减少，形成差动形式。1-1-线圈线圈 2-2-铁芯铁芯 3-3-衔铁衔铁 4-4-导杆导杆（a a） 变气隙型变气隙型31412344（c c） 螺管型螺管型13变气隙型差动式自感传感器10000231.ll20

9、003201.ll衔铁下移： 01022()nal 02022()nal 210000352.llll2100035002.lllll上式中不存在偶次项，显然差动式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。 002lk忽略高次项： 提高一倍 14较大行程的位移测量较大行程的位移测量,常利用差动螺管式自感传感器常利用差动螺管式自感传感器3142lclc2l线圈线圈rx将两差动电感接入交流电桥的相邻桥臂将两差动电感接入交流电桥的相邻桥臂差动式螺管式传感器是一种开磁路的电感传感器，磁路中相当部分差动式螺管式传感器是一种开磁路的电感传感器，磁路中相当部分是空气，无明显的边界，因此分

10、析复杂。是空气，无明显的边界，因此分析复杂。主要特点主要特点是可构成较长是可构成较长的线性区，用于测量大线位移。的线性区，用于测量大线位移。缺点缺点是灵敏度比变气隙传感器低，是灵敏度比变气隙传感器低，体积较大。体积较大。15何谓涡流？何谓涡流？在许多电工设备中都存在大块导体在许多电工设备中都存在大块导体(如发电机和变压器的铁心和端盖等如发电机和变压器的铁心和端盖等)。当这些大块导体处在变化的磁场中或在磁场中切割磁力线时，其内部都当这些大块导体处在变化的磁场中或在磁场中切割磁力线时，其内部都会感应出电流。会感应出电流。这些电流的特点是：在大块导体内部自成闭合回路，呈这些电流的特点是：在大块导体内

11、部自成闭合回路，呈旋涡状流动旋涡状流动。因此，称之为涡旋电流，简称涡流。例如，含有圆柱导体。因此，称之为涡旋电流，简称涡流。例如，含有圆柱导体芯的螺管线圈中通有交变电流时，圆柱导体芯中出现的感应电流或涡流，芯的螺管线圈中通有交变电流时，圆柱导体芯中出现的感应电流或涡流，如图所示。如图所示。 当交变电流通过导线时，感应电流（涡流）当交变电流通过导线时，感应电流（涡流）将集中在导体表面流通，尤其当频率较高将集中在导体表面流通，尤其当频率较高时，此电流几乎是在导体表面附近的一薄时，此电流几乎是在导体表面附近的一薄层中流动，这就是所谓的层中流动，这就是所谓的集肤效应集肤效应现象。现象。2.2.自感式传

12、感器自感式传感器-涡流式涡流式16交变电流频率越高，涡流的集肤效应越显著，即涡流穿透深度越小，其穿交变电流频率越高，涡流的集肤效应越显著，即涡流穿透深度越小，其穿透深度透深度 ：h)(5030cmfhr可见，涡流穿透深度与激励电流频率有关，可见，涡流穿透深度与激励电流频率有关，所以根据激励频率高低，涡所以根据激励频率高低，涡流传感器可分为：流传感器可分为：高频反射式和低频透射式两大类高频反射式和低频透射式两大类。前者用于非接触式前者用于非接触式位移变量的检测，后者仅用于金属板厚度的测量。位移变量的检测，后者仅用于金属板厚度的测量。由于结构简单、灵敏度高、频响范围宽、不受油污等介质的影响，并能由

13、于结构简单、灵敏度高、频响范围宽、不受油污等介质的影响，并能进行非接触测量，适用范围广。用来测量位移、厚度、转速、进行非接触测量，适用范围广。用来测量位移、厚度、转速、 振动等振动等参数，以及用于无损探伤领域。参数，以及用于无损探伤领域。由于目前高频反射式电涡流传感器应用广泛，因此本节主要介绍高频反由于目前高频反射式电涡流传感器应用广泛，因此本节主要介绍高频反射式电涡流传感器。射式电涡流传感器。rf导体的电阻率导体相对磁导率交变磁场频率17高频反射高频反射式式如图所示，金属板置于一只线圈的附近，它们之间相互的间距为，当线圈输入一交变电流i1 时，便产生交变磁通量1 ，金属板在此交变磁场中会产生

14、感应电流i2，这种电流在金属体内是闭合的，所以称之为“涡电流”或“涡流”。这种涡电流也将产生交变磁场2，与线圈的磁场变化方向相反， 2总是抵抗1的变化，由于涡流磁场2的作用的作用使原线圈的等效阻抗发生变化。1i12i2涡电流式传感器是利用涡流效应，将非电量转换为阻抗的变化而进涡电流式传感器是利用涡流效应，将非电量转换为阻抗的变化而进行测量的。行测量的。1mhz18一般讲，线圈的阻抗变化与金属导体的电阻率 、磁导率 、线圈与金属导体的距离 以及线圈激励电流的频率 等参数有关 。f即，线圈阻抗即，线圈阻抗 是这些参数是这些参数的函数，可写成的函数，可写成(,)zff z1i12i219若能控制其中

15、大部分参数恒定不变，只改变其中一个参数，这样阻抗就能成为这个参数的单值函数。涡流式传感器的特点是结构简单，易于进行非接触的连续测量，灵敏度涡流式传感器的特点是结构简单，易于进行非接触的连续测量，灵敏度较高，适用性强，因此得到了广泛的应用。较高，适用性强，因此得到了广泛的应用。利用变换量利用变换量 、 、 等的综合影响，可以做成探伤装置等。等的综合影响，可以做成探伤装置等。其应用大致有下列四个方面：其应用大致有下列四个方面：利用位移利用位移 作为变化量，可以测被测量位移、厚度、振动、转速等传作为变化量，可以测被测量位移、厚度、振动、转速等传感器，也可做成接近开关、计数器等；感器，也可做成接近开关

16、、计数器等；利用材料电阻率利用材料电阻率 作为变换量，可以做成温度测量、材质判别等传感器作为变换量，可以做成温度测量、材质判别等传感器利用磁导率利用磁导率 作为变换量，可以做成测量应力、硬度等传感器；作为变换量，可以做成测量应力、硬度等传感器；(,)zff 20基本结构： 1234561 1 线圈线圈 2 2 框架框架 3 3 衬套衬套4 4 支架支架 5 5 电缆电缆 6 6 插头插头高频反射电涡流传感器主要由线圈和框架组成。高频反射电涡流传感器主要由线圈和框架组成。由于电涡流式传感器的主体是激磁线圈，所以线圈的性能和几何尺寸、形状由于电涡流式传感器的主体是激磁线圈，所以线圈的性能和几何尺寸

17、、形状对整个测量系统的性能将产生重要的影响。一般情况下，线圈的导线采用高对整个测量系统的性能将产生重要的影响。一般情况下，线圈的导线采用高强度漆包线；要求较高的场合，可以用银或银合金线；在较高温度条件下，强度漆包线；要求较高的场合，可以用银或银合金线；在较高温度条件下，需要用高温漆包线。需要用高温漆包线。下图为下图为czf1czf1型涡流传感器的结构原理，它采取将导线绕在聚四氟乙烯框架窄型涡流传感器的结构原理，它采取将导线绕在聚四氟乙烯框架窄槽内，形成线圈的结构方式。槽内，形成线圈的结构方式。21型号线性范围/m线圈外径/mm分辨力/m线性误差（%）使用温度/cczf1-1000 1000 7

18、 1 3 -15+80 czf1-30003000 1533 -15+80czf1-5000500028 5 e。调节电位器。调节电位器r可调平衡，图中电阻可调平衡，图中电阻r1=r2=r0，电容，电容c1=c2=c0，输出电压为，输出电压为ucd。ri1e1r1r2e21e22c2c1er移相器d1d4d3d2cdabi3i2i4e当铁芯下移时当铁芯下移时，e和和er相位相反。同理可得相位相反。同理可得ucde，故，故 er 正半周时正半周时d1、d2仍导通，仍导通，但但d1回路内总电势为回路内总电势为er(1/2)e，而，而d2回路内总电势为回路内总电势为er (1/2) e，故回路电流，

19、故回路电流 i1i2 输出电压输出电压 ucd=r0（i1i2）0。当。当er负半周时，负半周时， ucd=r0(i4-i3)0，因此，因此铁芯铁芯上移时输出电压上移时输出电压ucd0。由此可见，该电路能由此可见，该电路能判别铁芯移动的方向。判别铁芯移动的方向。 43经过相敏检波电路后，正位移输出正电压，经过相敏检波电路后，正位移输出正电压， 负位移输出负电负位移输出负电压。差动变压器的输出经过相敏检波以后，特性曲线由图（压。差动变压器的输出经过相敏检波以后，特性曲线由图（a）变成（变成（b），残存电压自动消失。），残存电压自动消失。 44测量振动、厚度、应变、压力、加速度等各种物理量。测量振动、厚度、应变、压力、加速度等各种物理量。1. 1. 差动变压器式加速度传感器差动变压器式加速度传感器用于