机械工程测试技术基础

1、上海大学机自学院上海大学机自学院第三章、常用传感器第三章、常用传感器3.3 3.3 电感式传感器电感式传感器 电感式传感器是基于电感式传感器是基于电磁感应原理电磁感应原理，它是把被，它是把被测量转化为电感量的一种装置。测量转化为电感量的一种装置。分类分类: :电感式传感器电感式传感器自感型自感型可变磁阻型可变磁阻型涡流式涡流式互感型互感型上海大学机自学院上海大学机自学院3.3 电感式传感器电感式传感器1 1 ，自感型，自感型-（1 1）可变磁阻式）可变磁阻式可变磁阻式传感器典型结构方案可变磁阻式传感器典型结构方案: :线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁上海大学机自学院上海大学机自学院 可变磁阻式传感器的

2、结构，它由可变磁阻式传感器的结构，它由线圈线圈、铁芯铁芯及及衔铁衔铁组组成。在铁芯和衔铁之间有空气隙成。在铁芯和衔铁之间有空气隙。根据电磁感应定。根据电磁感应定律，当线圈律，当线圈( (匝数匝数w)w)中通以电流中通以电流i i时，产生磁通时，产生磁通m m，其大小与电流其大小与电流 i i成正比，即成正比，即 根据磁路欧姆定律，磁通根据磁路欧姆定律，磁通 m m为为 所以所以线圈电感线圈电感( (自感自感) )可用下式计算可用下式计算 : :ilwmrmmiw rwml2上海大学机自学院上海大学机自学院磁路总磁阻磁路总磁阻: : 不考虑磁路的铁损时，则磁路总磁阻为不考虑磁路的铁损时，则磁路总

3、磁阻为 因此，自感因此，自感l l可写为可写为 上式表明，自感上式表明，自感l l与空气隙与空气隙成反比，而与空气成反比，而与空气隙导磁截面积隙导磁截面积s s0 0成正比。成正比。 、 s s0 0变化变化l l变化变化上海大学机自学院上海大学机自学院 当固定当固定s s0 0不变，不变， 变化变化时，时，l l 与与呈非线性呈非线性 （双曲线）关系，（双曲线）关系， 传感器的灵敏度为传感器的灵敏度为 呈非线性呈非线性上海大学机自学院上海大学机自学院灵敏度灵敏度s与气隙长度的平方成反比，与气隙长度的平方成反比，愈小，灵敏度愈高。由于愈小，灵敏度愈高。由于s不是不是常数，故会出现非线性误差，为

4、了减小这一误差，通常规定常数，故会出现非线性误差，为了减小这一误差，通常规定在较小在较小的范围内工作。的范围内工作。 例如，若间隙变化范围为（例如，若间隙变化范围为（ 0, 0+ ），则灵敏度为），则灵敏度为由上式可以看出，当由上式可以看出，当 0时时 )21 (22202000220022002)(0sswswswsssws200022为常数为常数近似线性0+0上海大学机自学院上海大学机自学院 由上式可以看出，当由上式可以看出，当 0时时 输出与输入近似成线性关系。输出与输入近似成线性关系。 实际应用中，一般取实际应用中，一般取 / 0 0.1 这种传感器适用于较小位移的测量，一般约为这种传

5、感器适用于较小位移的测量，一般约为0.0011 mm。 0+0线性关系线性关系上海大学机自学院上海大学机自学院 如将如将固定，变化空气隙导磁截面积固定，变化空气隙导磁截面积s s0 0时，自感时，自感l l与与s s0 0呈线呈线性关系如下图所示。性关系如下图所示。 2002swl 202ws 可变导磁面积型可变导磁面积型上海大学机自学院上海大学机自学院 几种常用可变磁阻式传感器的典型结构有几种常用可变磁阻式传感器的典型结构有: :可变导磁面积可变导磁面积型、差动型、单螺管线圈型、双螺管线圈差动型。型、差动型、单螺管线圈型、双螺管线圈差动型。 上海大学机自学院上海大学机自学院 双螺管线圈差动型

6、双螺管线圈差动型，较之单螺管线圈型有较高灵敏度及线，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，其性，被用于电感测微计上，其测量范围为测量范围为0 0300m300m，最最小分辨力为小分辨力为0.5m0.5m。 这种传感器的线圈接于电桥上，构成两个桥臂，线圈电感这种传感器的线圈接于电桥上，构成两个桥臂，线圈电感l l1 1、l l2 2随铁芯位移而变化，其输出特性如下图所示。随铁芯位移而变化，其输出特性如下图所示。 上海大学机自学院上海大学机自学院 测量电路:交流电桥l z上海大学机自学院上海大学机自学院电感式接近传感器（金属）电感式接近传感器（金属）3.3 电感式传感器电感式传感

7、器上海大学机自学院上海大学机自学院教学用低成本四线制无二次仪表传感器教学用低成本四线制无二次仪表传感器3.3 电感式传感器电感式传感器上海大学机自学院上海大学机自学院（2 2） 涡流式涡流式原理原理: :涡流效应涡流效应3.3 电感式传感器电感式传感器涡流式传感器的变换原涡流式传感器的变换原理是利用金属导体在交理是利用金属导体在交流磁场中的流磁场中的涡电流效应涡电流效应：如图所示，金属板置于如图所示，金属板置于一只线圈的附近，它们一只线圈的附近，它们之间相互的间距为之间相互的间距为，当线圈输入一交变电流当线圈输入一交变电流i i时，便产生交变磁通量时，便产生交变磁通量，金属板在此交变磁，金属板

8、在此交变磁场中会产生感应电流场中会产生感应电流i i1 1，这种电流在金属体内是这种电流在金属体内是闭合的，所以称之为闭合的，所以称之为“涡电流涡电流”或或“涡涡流流 ” ” 。 i ii i1 1线圈线圈金属板金属板上海大学机自学院上海大学机自学院涡流式传感器的变换涡流式传感器的变换原理原理: :涡电流效应涡电流效应3.3 电感式传感器电感式传感器涡流的大小与涡流的大小与金属板金属板的电阻的电阻率率、磁导率、磁导率、厚度、厚度h、金金属板属板与线圈的距离与线圈的距离、激励、激励电流角频率电流角频率等参数有关。等参数有关。若改变其中的某两项参数，若改变其中的某两项参数，而固定其它参数不变，就可

9、而固定其它参数不变，就可根据涡流的变化测量该参数。根据涡流的变化测量该参数。 上海大学机自学院上海大学机自学院 涡流式传感器可分为涡流式传感器可分为高频反射式高频反射式和和低频透射式低频透射式两两种。种。 上海大学机自学院上海大学机自学院高频反射式涡流传感器高频反射式涡流传感器 如图所示，高频如图所示，高频(lmhz)激激励电流产生的高频磁场作用励电流产生的高频磁场作用于金属板的表面，在金属板于金属板的表面，在金属板表面将形成涡电流。与此同表面将形成涡电流。与此同时，该时，该涡流产生的交变磁场涡流产生的交变磁场又反作用于线圈又反作用于线圈，引起线圈，引起线圈自感自感l或或阻抗阻抗z的变化。线的

10、变化。线圈自感圈自感l或阻抗或阻抗z的变化与的变化与距离该金属板的电阻率距离该金属板的电阻率、磁导率磁导率、激励电流、激励电流i及角频及角频率率等有关，若只改变距离等有关，若只改变距离而保持其它参数不变，则可而保持其它参数不变，则可将位移的变化转换为线圈自将位移的变化转换为线圈自感的变化，通过测量电路转感的变化，通过测量电路转换为电压输出。换为电压输出。 高频反射式涡流传感器高频反射式涡流传感器多用于多用于位移测量位移测量。 ),(zz 原线圈的等效阻抗原线圈的等效阻抗z变化：变化：上海大学机自学院上海大学机自学院低频透射涡流式传感器低频透射涡流式传感器低频透射式涡流传感器的工作原理如低频透射

11、式涡流传感器的工作原理如图所示，发射线圈图所示，发射线圈1和接收线圈和接收线圈2分分别置于被测金属板材料别置于被测金属板材料g的上、下方。的上、下方。由于低频磁场渦电流小，渗透深，当由于低频磁场渦电流小，渗透深，当低频低频(音频范围音频范围)电压电压e1加到线圈加到线圈1的两的两端后，所产生磁力线的一部分透过金端后，所产生磁力线的一部分透过金属板材料属板材料g，使线圈，使线圈2产生感应电动产生感应电动势势e2。但由于。但由于涡流消耗部分磁场能量涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势使感应电动势e2减少，当金属板材料减少，当金属板材料g越厚时，损耗的能量越大，输出电动越厚时，损耗的能量越大，输出电动

12、势势e2越小。因此，越小。因此，e2的大小与的大小与g的厚度的厚度及材料的性质有关，试验表明，及材料的性质有关，试验表明，e2随材随材料厚度料厚度h的增加按负指数规律减少的增加按负指数规律减少,如如图所示，因此，若金属板材料的性质图所示，因此，若金属板材料的性质一定，则利用一定，则利用e2的变化即可测量其厚度。的变化即可测量其厚度。 低频透射式涡流传感器可用于低频透射式涡流传感器可用于金金属板材厚度属板材厚度。e2 金属板金属板厚度厚度h上海大学机自学院上海大学机自学院 涡流式传感器的应用涡流式传感器的应用: 涡流式电感传感器主要用于位移、振涡流式电感传感器主要用于位移、振动、转速、距离、厚度

13、等参数的测量。动、转速、距离、厚度等参数的测量。上海大学机自学院上海大学机自学院3.3 电感式传感器电感式传感器上海大学机自学院上海大学机自学院3.3 电感式传感器电感式传感器上海大学机自学院上海大学机自学院产品：产品：3.3 电感式传感器电感式传感器上海大学机自学院上海大学机自学院案例：连续油管的椭圆度测量案例：连续油管的椭圆度测量coiled tubeeddy sensor reference circle3.3 电感式传感器电感式传感器上海大学机自学院上海大学机自学院案例：无损探伤案例：无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。火车轮检测火车轮检测油管检测油管检测3.3 电感式传感器电感式

14、传感器上海大学机自学院上海大学机自学院2 2 互感型互感型-差动变压器差动变压器工作原理:互感现象3.3 电感式传感器电感式传感器互感型电感传感器是利用互感型电感传感器是利用互感互感m的变化的变化来反映被测量的变化。来反映被测量的变化。这种传感器实质上是一个输出电压可变的变压器。当变压器初这种传感器实质上是一个输出电压可变的变压器。当变压器初级线圈输入稳定交流电压后，次级线圈便会有感应电压输出，级线圈输入稳定交流电压后，次级线圈便会有感应电压输出，该电压随被测量的变化而变化。该电压随被测量的变化而变化。 eweout两次级线圈两次级线圈什么引起互感什么引起互感m的变化呢的变化呢?一初级线圈一初

15、级线圈上海大学机自学院上海大学机自学院eweout3.3 电感式传感器电感式传感器常用的互感型传感器常用的互感型传感器是是差动变压器式差动变压器式电感电感传感器传感器两次级线圈反接两次级线圈反接上海大学机自学院上海大学机自学院ww1w2esx-x3.3 电感式传感器电感式传感器传感器主要由线圈、铁芯和活动衔传感器主要由线圈、铁芯和活动衔铁三部分组成。线圈包括一个初级铁三部分组成。线圈包括一个初级线圈和线圈和两个反接两个反接的次级线圈，当初的次级线圈，当初级线圈输入交流激励电压时，次级级线圈输入交流激励电压时，次级线圈将产生感应电动势线圈将产生感应电动势e1和和e2。 eweout上海大学机自学

16、院上海大学机自学院 由于两个次级线圈极性反接，因此，传感器的输出电压为两者之由于两个次级线圈极性反接，因此，传感器的输出电压为两者之差，即差，即ey=e1-e2。活动衔铁能改变线圈之间的藕合程度活动衔铁能改变线圈之间的藕合程度。输出。输出e ey y的大小的大小随活动衔铁的位置而变。当活动衔铁的位置居中时，随活动衔铁的位置而变。当活动衔铁的位置居中时，e1=e2，ey=0；当；当活动衔铁向上移时，活动衔铁向上移时，e1e2，ey0；当活动衔铁向下移时，；当活动衔铁向下移时，e1e2，ey0。活动衔铁的位置往复变化，其输出电压也随之变化。活动衔铁的位置往复变化，其输出电压也随之变化。上海大学机自

17、学院上海大学机自学院 值得注意的是：首先，差动变压器式传感器输出值得注意的是：首先，差动变压器式传感器输出的电压是交流量，如用的电压是交流量，如用交流电压表交流电压表指示，则输出指示，则输出值只能反应铁芯位移的大小，而不能反应移动的值只能反应铁芯位移的大小，而不能反应移动的方向；其次，交流电压输出存在一定的方向；其次，交流电压输出存在一定的零点残余零点残余电压电压，零点残余电压是由于两个次级线圈的结构，零点残余电压是由于两个次级线圈的结构不对称，以及初级线圈铜损电阻、铁磁材质不均不对称，以及初级线圈铜损电阻、铁磁材质不均匀、线圈间分布电容等原因所形成的。所以，即匀、线圈间分布电容等原因所形成的

18、。所以，即使活动衔铁位于中间位置时，输出也不为零。使活动衔铁位于中间位置时，输出也不为零。 鉴于这些原因，差动变压器式传感器的后接电路鉴于这些原因，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余电压的差动相敏检波直流输出电路相敏检波直流输出电路。 上海大学机自学院上海大学机自学院差动相敏检波电路差动相敏检波电路 下图所示为用于小位移的差动相敏检波电路的工作原理，下图所示为用于小位移的差动相敏检波电路的工作原理，当没有信号输入时，铁芯处于中间位置，调节电阻当没有信号输入时，铁芯处于中间位置，调节电阻r，使，使零点残余

19、电压减小；当有信号输入时，铁芯移上或移下，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。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由表头指示输入位移量的大小和方向大小和方向。上海大学机自学院上海大学机自学院差动变压器位移传感器差动变压器位移传感器3.3 电感式传感器电感式传感器上海大学机自学院上海大学机自学院案例：案例：板的厚度测量板的厚度测量 3.3 电感式传感器电感式传感器上海大学机自学院上海大学机自学院案例：案例：张力测量张力测量3.3电感式传感器电感式传感器上海大学机自学院上海大学机自学院差动变压器

20、式微位移测量头差动变压器式微位移测量头有精度高（达0.lm量级），线圈变化范围大(可扩大到l00mm，视结构而定)，结构简单，稳定性好等优点，被广泛应用于直线位移测量及其它压力、振动等参量的测量 上海大学机自学院上海大学机自学院这种传感器经分挡可测量41046104pa的压力，精度为1.5。微压传感器微压传感器上海大学机自学院上海大学机自学院利用差动变压器加上悬臂梁弹性支承可以构成振动测量加速度计，如图所示。由于结构上的限制，该加速度计能测量的振动频率上限一般在150hz以下。1-悬臂梁；2-差动变压器差动变压器式加速度传感器上海大学机自学院上海大学机自学院第三章、常用传感器第三章、常用传感器

21、3.4 3.4 电容式传感器电容式传感器 变换原理变换原理: :将被测量的变化转化为电容量变化将被测量的变化转化为电容量变化ac0+ a 以最简单的平行极板电容器以最简单的平行极板电容器为例说明其工作原理。在忽为例说明其工作原理。在忽略边缘效应的情况下，平板略边缘效应的情况下，平板电容器的电容量为电容器的电容量为: 式中式中0真空的介电常数，真空的介电常数，0=8.85410-12f/m；a极板的遮盖面积，极板的遮盖面积，m2； 极板间介质的相对介极板间介质的相对介电系数，在空气中，电系数，在空气中，=1；两平行极板间的距离。两平行极板间的距离。 上海大学机自学院上海大学机自学院3.4 3.4

22、 电容式传感器电容式传感器 + a 、a a或或发生变发生变化时，都会引起化时，都会引起电容的变化。电容的变化。上式表明，当被测量上式表明，当被测量、a a或或发生变化时，都会引起电容的发生变化时，都会引起电容的变化。如果保持其中的两个参变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化，再通过配套一电容量的变化，再通过配套的测量电路，将电容的变化转的测量电路，将电容的变化转换为电信号输出。换为电信号输出。 上海大学机自学院上海大学机自学院 电容式传感器的类型电容式传感器的类型: : 根据电容器参

23、数变化的特性，电容式根据电容器参数变化的特性，电容式传感器可分为传感器可分为极距变化型极距变化型、面积变化型面积变化型和和介质变化型介质变化型三种，其中极距变化型和面积三种，其中极距变化型和面积变化型应用较广。变化型应用较广。上海大学机自学院上海大学机自学院3.4 电容式传感器电容式传感器 a)a)极距极距变化型变化型+sc0+如果两极板相互覆盖面积及极间介质不变，则当两极板在被如果两极板相互覆盖面积及极间介质不变，则当两极板在被测对象作用下发生位移变化时所引起的电容量变化为测对象作用下发生位移变化时所引起的电容量变化为 由此可得到传感器的由此可得到传感器的灵敏度灵敏度为为 非线性非线性上海大

24、学机自学院上海大学机自学院sc0 由于灵敏度由于灵敏度k与极距与极距呈呈非线性关系非线性关系，故将引起非线性误，故将引起非线性误差。差。 灵敏度灵敏度k与极距平方成反比与极距平方成反比，极距愈小，灵敏度愈高。，极距愈小，灵敏度愈高。 一般通过减小初始极距来提高灵敏度。一般通过减小初始极距来提高灵敏度。为了减小这一非线性误差，通常规定测量范围为了减小这一非线性误差，通常规定测量范围0。一般。一般取极距变化范围为取极距变化范围为/ 0 0.1，此时，传感器的灵敏度近似，此时，传感器的灵敏度近似为常数。为常数。 上海大学机自学院上海大学机自学院 极距变化型电容传感器的特点极距变化型电容传感器的特点

25、优点优点:1):1)动态非接触测量动态非接触测量; ; 2)2)灵敏度高灵敏度高, ,适用于较小位移测量适用于较小位移测量(0.01m(0.01m数百微米）数百微米） 缺点：传感器的杂散电容对灵敏度和测量精度有影响，后缺点：传感器的杂散电容对灵敏度和测量精度有影响，后续电子线路要求较高。续电子线路要求较高。上海大学机自学院上海大学机自学院3.4 电容式传感器电容式传感器 电容式传声器电容式传声器上海大学机自学院上海大学机自学院3.4 电容式传感器电容式传感器 电容式传声器电容式传声器上海大学机自学院上海大学机自学院b)b)面积变化型面积变化型sc03.4 电容式传感器电容式传感器 改变极板间覆

26、盖面积的电容式传感器，改变极板间覆盖面积的电容式传感器， s c常用的有常用的有角位移型角位移型和和线位移型线位移型两种。两种。 上海大学机自学院上海大学机自学院角位移型角位移型+3.4 电容式传感器电容式传感器 当动板有一转角时，与定板之间相互覆盖的面积就发生变化，因而导致电容量变化。 上海大学机自学院上海大学机自学院 当覆盖面积对应的中心角为当覆盖面积对应的中心角为a a、极板半径为、极板半径为r r时，时，覆盖面积为覆盖面积为 电容量为电容量为 其灵敏度为其灵敏度为 角位移型角位移型上海大学机自学院上海大学机自学院 线位移型电容式传感器有线位移型电容式传感器有平面线位移型平面线位移型和和

27、圆柱线位移型圆柱线位移型两种。两种。 上海大学机自学院上海大学机自学院ac0平面线位移型平面线位移型3.4 电容式传感器电容式传感器 上海大学机自学院上海大学机自学院 对于平面线位移型电容式传感器，当宽度为对于平面线位移型电容式传感器，当宽度为b b的动的动板沿箭头板沿箭头x x方向移动时，覆盖面积变化，电容量也方向移动时，覆盖面积变化，电容量也随之变化，电容量为随之变化，电容量为 变换关系变换关系:xc:xc 其灵敏度为其灵敏度为 上海大学机自学院上海大学机自学院柱面线位移型柱面线位移型. .ac03.4 电容式传感器电容式传感器 上海大学机自学院上海大学机自学院 对于圆柱线位移型电容式传感

28、器，当覆盖长度对于圆柱线位移型电容式传感器，当覆盖长度x x变变化时，电容量也随之变化，其电容为化时，电容量也随之变化，其电容为 r r1 1、r r2 2外圆筒内半径与内圆筒外半径，外圆筒内半径与内圆筒外半径， xx外圆筒与内圆筒覆盖部分长度外圆筒与内圆筒覆盖部分长度 其灵敏度为其灵敏度为 上海大学机自学院上海大学机自学院 面积变化型电容传感器无论是角位移型、面积变化型电容传感器无论是角位移型、平面线位移型、柱面线位移型平面线位移型、柱面线位移型 特点：特点：输出与输入成线性关系，但与极距输出与输入成线性关系，但与极距变化型电容式传感器相比，灵敏度较低，变化型电容式传感器相比，灵敏度较低，适

29、用于较大量程范围的角位移和直线位移适用于较大量程范围的角位移和直线位移的测量。的测量。上海大学机自学院上海大学机自学院产品产品. .陶瓷电容压力传感器陶瓷电容压力传感器 液体压力液体压力作用在陶作用在陶瓷膜片的瓷膜片的表面，使表面，使膜片产生膜片产生 位移。位移。 压力变送器压力变送器3.4电容式传感器电容式传感器 上海大学机自学院上海大学机自学院c) c) 介质变化型介质变化型ac03.4 电容式传感器电容式传感器 上海大学机自学院上海大学机自学院 这种传感器大多用于测量电介质的厚度这种传感器大多用于测量电介质的厚度( (图图a a) )、位移、位移( (图图b b) )、液位、液位( (图

30、图c c) )，还可根据极板间介质的介电常数，还可根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、随温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量容量( (图图d d) )等。等。 上海大学机自学院上海大学机自学院产品产品. .电容式液位传感器（液位计电容式液位传感器（液位计/ /料位计）料位计）3.4电容式传感器电容式传感器 上海大学机自学院上海大学机自学院其它：电容式接近开关其它：电容式接近开关振荡电路振荡电路被测物体被测物体 感应电极感应电极被测电容被测电容测量头构成电容器的一个极板，测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体另一个极板是物体本身，当

31、物体移向接近开关时，物体和接近开移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发测量头相连的电路状态也随之发生变化生变化. .接近开关的检测物体，接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。缘的液体或粉状物体。3.4 电容式传感器电容式传感器 上海大学机自学院上海大学机自学院3.4 电容式传感器电容式传感器 上海大学机自学院上海大学机自学院电容传感器测量电路电容传感器测量电路 将电容量转换成电量 (电压或电流)的电路称作电容式传感器的转换电路，它们的种类很多，目前较常采用的有电桥

32、电路、谐振电路、调频电路及运算放大电路等。上海大学机自学院上海大学机自学院a)a)电桥电路电桥电路 3.4电容式传感器电容式传感器 上海大学机自学院上海大学机自学院b) b) 谐振电路谐振电路 3.4电容式传感器电容式传感器 电容传感器的电容cx作为谐振回路(l2、c2、cx)调谐电容的一部分。谐振回路通过电感藕合，从稳定的高频振荡器取得振荡电压。当传感器电容发生变化时，使得谐振回路的阻抗发生相应的变化，而这个变化被转换为电压或电流，再经过放大、检波即可得到相应的输出。上海大学机自学院上海大学机自学院为了获得较好的线性关系，一般谐振电路的工作点为了获得较好的线性关系，一般谐振电路的工作点选在谐振曲线