第三章电感式传感器

1、压磁式压磁式IN L MRIN MRNL2线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁图图3-1 3-1 电感式传感器电感式传感器RRRFM222111ALALRFAR02RRF2202ANRNL图图3-1 3-1 电感式传感器电感式传感器线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁图图3-2 3-2 变截面式传感器变截面式传感器线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁衔铁移动方向衔铁移动方向，ALL= f (A)L= f ()图图3-3 3-3 电感传感器特性电感传感器特性00220ANL 衔铁下移衔铁下移 0,00000112222ANANLLL122200002AN00L0000111LL3.1.2 3.1.2 变气隙式自感传感器的输出特性变

2、气隙式自感传感器的输出特性LL衔铁衔铁忽略高次项：忽略高次项： 001LL00LLK.3020001LL时，当 10衔铁上移衔铁上移 0,00L.LL 3020002时，当 10忽略高次项：忽略高次项： 002LL00000222222ANANLLL图图3-4 3-4 差动式自感传感器差动式自感传感器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432131412344（b b） 变面积型变面积型 （c c） 螺管型螺管型变气隙型差动式自感传感器变气隙型差动式自感传感器 .LL32000011 .LL30200021衔铁下移：衔铁下移： )(

3、ANL00122)(ANL00222002LK .LLLL530000122.LLLLL5300000122螺管式自感传感器螺管式自感传感器 它由平均半径为r的螺管线圈螺管线圈、衔铁衔铁和磁性套筒磁性套筒等组成。随着衔铁插入深度的不同引起线圈泄漏路径中磁阻变化，从而使线圈的电感发生变化。螺管式自感传感器螺管式自感传感器)H(lANL72104特点特点：测量范围大，数百毫米，灵敏度低，大量：测量范围大，数百毫米，灵敏度低，大量程直线位移。程直线位移。 差动螺管式自感传感器差动螺管式自感传感器测量范围测量范围 1 200mm1 200mm线性度线性度 0.1% 1%0.1% 1%分辨率分辨率 0.

4、01um 0.01um 图图3-6 等效电路等效电路ZCLRcReZZUUAC2002LjRLjRUSSAC图图3-7 交流电桥交流电桥ZLR1R2Z2Z1ACU0U00ACUU对差动变气隙式自感传感器：对差动变气隙式自感传感器：002LL值很高时：当自感线圈的品质因数SRL Q020LLUUAC75502505075100L/mHl/mm10025LD43211234- l l2 2、变压器式交流电桥、变压器式交流电桥图图3-8 3-8 变压器交流电桥变压器交流电桥Z1Z2IABCD2ACU2ACU0UACAUZZZU212ACAUZZZU211B B点电位为点电位为2ACBUU211202

5、ZZZZUUUUUACBAAB初始位置初始位置 ZZZ210ABU衔铁下移衔铁下移 ZZZ2ZZZ1212102ZZZZUUUUUACBAABLjRLjUZZUZZZZUUACACAC22221210衔铁上移衔铁上移 ZZZ1ZZZ2）（183 20LLUUACABLjRLjUZZUZZZZUUACACAC222212110图图3-9 3-9 紧耦合电感臂电桥紧耦合电感臂电桥L LL LZ1Z20UACU0U1 初级线圈初级线圈;2.3次级线圈次级线圈;4衔铁衔铁1243(a)气隙型气隙型123(b)螺管型螺管型4(e)、(f) 变面积变面积式差动变压器式差动变压器 (a)、(b) 变隙式差动

6、变压器变隙式差动变压器(c)、(d) 螺线管式差动变压螺线管式差动变压器器螺管型差动变压器根据初、次级排列不同有二螺管型差动变压器根据初、次级排列不同有二节式、三节式、四节式和五节式等形式。节式、三节式、四节式和五节式等形式。图图3-10 3-10 差动变压器线圈各种排列形式差动变压器线圈各种排列形式1 1 初级线圈；初级线圈；2 2 次级线圈；次级线圈；3 3 衔铁衔铁(a) (a) 二节式二节式 (b) (b) 三节式三节式 (c) (c) 四节式四节式 (d) (d) 五节式五节式31121 2112212123三节式的零点电位较小，二节式比三节式灵敏度三节式的零点电位较小，二节式比三节

7、式灵敏度高、线性范围大，四节式和五节式改善了传感器高、线性范围大，四节式和五节式改善了传感器线性度。线性度。差动变压器的等效电路差动变压器的等效电路LPRS2LS1M1M2LS2RS1RPiU0U差动变压器工作在理想情况下（差动变压器工作在理想情况下（忽略涡流损耗、忽略涡流损耗、磁滞损耗和分布电容等影响磁滞损耗和分布电容等影响）时的等效电路：）时的等效电路：MM1 1、MM2 2初级绕组与初级绕组与两个次级绕组间的互感；两个次级绕组间的互感；L LP P、R RP P初级绕组的电初级绕组的电感和有效电阻；感和有效电阻；L LS1S1、L LS2S2两个次级绕两个次级绕组的电感；组的电感；R R

8、S1S1、R RS2S2两个次级绕两个次级绕组的有效电阻；组的有效电阻；当当衔铁移向次级绕组衔铁移向次级绕组L LS1S1一边一边，互感，互感MM1 1增增大，大，MM2 2减小，因而次级绕组减小，因而次级绕组L LS1S1内的感应电动内的感应电动势大于次级绕组势大于次级绕组L LS2S2内的感应电动势，这时差动内的感应电动势，这时差动变压器输出电动势不为零。在传感器的量程内，变压器输出电动势不为零。在传感器的量程内，衔铁位移越大，差动输出电动势就越大。衔铁位移越大，差动输出电动势就越大。当当衔铁移向次级绕组衔铁移向次级绕组L LS2S2一边一边，差动输出电，差动输出电动势仍不为零，但由于移动

9、方向改变，所以输动势仍不为零，但由于移动方向改变，所以输出电动势反相。出电动势反相。因此因此通过差动变压器输出电动势的大小和通过差动变压器输出电动势的大小和相位可以知道衔铁位移量的大小和方向相位可以知道衔铁位移量的大小和方向。 当次级开路时，初级绕组的交流电流为：当次级开路时，初级绕组的交流电流为：PP.iP.LjRUI次级绕组的感应电动势为：次级绕组的感应电动势为：.P.IMjU11.P.IMjU22由于次级绕组反向串接，故差动变压器输出电压为由于次级绕组反向串接，故差动变压器输出电压为19-4 LjRUMMjUPP.i210其有效值为其有效值为22210PPiLRUMMU 铁芯处于中间位置

10、时，铁芯处于中间位置时，MM1 1 = = M M2 2 = = MM，U U0 0 = 0 = 0 铁芯上升时，铁芯上升时，MM1 1= = M M + +MM，MM2 2= = M M - -MM LRMUUPPi2202 铁芯下降时，铁芯下降时，MM1 1 = = M M - -MM，MM2 2 = = M M +MM LRMUUPPi2202e21e22差动变压器输出差动变压器输出电势电势与衔铁与衔铁位移位移x x的关系。的关系。其中其中x x表示衔铁表示衔铁偏离中心位置的偏离中心位置的距离。距离。 0 x图图3-123-12差动变压器输出特性差动变压器输出特性1 1、激励电压幅值与频

11、率的影响、激励电压幅值与频率的影响激励电源电压幅值的波动，会使线圈激励磁激励电源电压幅值的波动，会使线圈激励磁场的磁通发生变化，直接影响输出电势。而频率场的磁通发生变化，直接影响输出电势。而频率的波动，影响传感器原边阻抗，也影响输出。的波动，影响传感器原边阻抗，也影响输出。3.2.2 3.2.2 差动变压器的输出特性差动变压器的输出特性2 2、温度变化的影响、温度变化的影响周围环境温度的变化，引起线圈及导磁周围环境温度的变化，引起线圈及导磁体磁导率的变化，从而使线圈磁场发生变化体磁导率的变化，从而使线圈磁场发生变化产生温度漂移。当线圈品质因数较低时，影产生温度漂移。当线圈品质因数较低时，影响更

12、为严重，因此，采用响更为严重，因此，采用恒流源恒流源激励比恒压激励比恒压源激励有利。适当提高线圈品质因数并采用源激励有利。适当提高线圈品质因数并采用差动电桥可以减少温度的影响。差动电桥可以减少温度的影响。 0 x1 1 基波正交分量基波正交分量(b)(b)波形分析波形分析13245UZtUiUZUt2 2 基波同相分量基波同相分量 3 3 二次谐波二次谐波4 4 三次谐波三次谐波 5 5 电磁干扰电磁干扰U0+x-x210相敏检波后的输出特性相敏检波后的输出特性CR(a)1U0U(b)CR1U0UCR(a)1U0UR2WR1C(c)1U0ULW(d)1U0UR2图3-15 全波差动整流电路电压

13、波形R1abhgcfde1U0UhgdcghdcUUUUU0铁芯在零位以上铁芯在零位以上铁芯在零位铁芯在零位tttUdcUghU0Udc图3-15 全波差动整流电路电压波形tttUghU0tttUdcUghU0铁芯在零位以下铁芯在零位以下图图3-14 3-14 全波差全波差动整流电路动整流电路D2u1u2RRLRD3D1D4RRT1T2e1e21U2Uu1u2RRLRD3D2D1D4RRT1T20U 12Ui4u1u2-R+RLRD3D2D1D4RRT1T2i3+-0U 12ULRRui14L3RRui2L2RRui1L1RRui2i1u1u2+R-RLRD3D2D1D4RRT1T2i2-+0

14、U 12ULRReui214L2RReui23D2i4u1u2-R+RLRD3D1D4RRT1T2i3+-0U 12Ue1e2-+-+D2L121RReuiL112RReuii1u1u2+R-RLRD3D1D4RRT1T2i2-+0U 12Ue1e2+-+-LRReui214L2RReui23D2i4u1u2-R+RLRD3D1D4RRT1T2i3+-0U 12Ue1e2+-+-L121RReuiL112RReui-+D2i1u1u2-R+RLRD3D1D4RRT1T2i2-0U 12Ue1e2+-电感式传感器的应用电感式传感器的应用1.差动变压器位移传感器差动变压器位移传感器板的厚度测量板的

15、厚度测量 张力测量张力测量力和压力的测量力和压力的测量振动和加速度的测量振动和加速度的测量液液位位测测量量位移测量位移测量3.3电涡流式传感器电涡流式传感器电涡流式传感器是利用电涡流效应进行工作的。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，并能进行非接触测量，适用范围广，它一问世就受到各国的重视。目前，这种传感器已广泛用来测量位移、振动、厚度、转速、温度、硬度等参数，以及用于无损探伤领域。一一. .工作原理工作原理图3.25 电涡流式传感器的基本原理如图3.25所示，有一通以交变电流的传感器线圈。由于电流的存在，线圈周围就产生一个交变磁场H1。若被测导体置于该磁场范围内，导体内

16、便产生电涡流，也将产生一个新磁场H2，H2与H1方向相反，力图削弱原磁场H1,从而导致线圈的电感、阻抗和品质因数发生变化。这些参数变化与导体的几何形状、电导率、磁导率、线圈的几何参数、电流的频率以及线圈到被测导体间的距离有关。如果控制上述参数中一个参数改变，余者皆不变，就能构成测量该参数的传感器。图3.26 等效电路 为分析方便，我们将被测导体上形成的电涡流等效为一个短路环中的电流。这样，线圈与被测导体便等效为相互耦合的两个线圈，如图3.26所示。设线圈的电阻为R1，电感为L1，阻抗为Z1=R1+jL1；短路环的电阻为R2，电感为L2；线圈与短路环之间的互感系数为M。 M随它们之间的距离x减小

17、而增大。加在线圈两端的激励电压为U1。根据基尔霍夫定律，可列出电压平衡方程组022221121111ILjIRIMjUIMjILjIR2222121222212222222212222222111)()()()(LRIMRjILMLRIMjILLRMLjRLRMRUI解之得由此可求得线圈受金属导体涡流影响后的等效阻抗为2222222122222221)()(LRMLLjLRMRRZ线圈的等效电感为22222221)( LRMLLL由式(3-39)可见，由于涡流的影响，线圈阻抗的实数部分增大，虚数部分减小，因此线圈的品质因数Q下降。阻抗由Z1变为Z，常称其变化部分为“反射阻抗”。由式(3-39)

18、可得22221222221201/1ZMRRZMLLQQ式中 无涡流影响时线圈的无涡流影响时线圈的Q Q值； 短路环的阻抗。短路环的阻抗。110/RLQ222222LRZQ值的下降是由于涡流损耗所引起，并与金属材料的导电性和距离x直接有关。当金属导体是磁性材料时，影响Q值的还有磁滞损耗与磁性材料对等效电感的作用。在这种情况下，线圈与磁性材料所构成磁路的等效磁导率e的变化将影响L。当距离x减小时，由于e增大而使L1变大。由前面讨论可知，线圈-金属导体系统的阻抗、电感和品质因数都是该系统互感系数平方的函数。而互感系数又是距离x的非线性函数，因此当构成电涡流式位移传感器时，Z=f1(x)、L=f2(

19、x)、Q=f3(x)都是非线性函数。但在一定范围内，可以将这些函数近似地用一线性函数来表示，于是在该范围内通过测量Z、L或Q的变化就可以线性地获得位移的变化。传感器的结构传感器的结构线圈线圈 2.框架框架 3框架衬套框架衬套4 支架支架 5电缆电缆 6插头插头二二. 测量电路测量电路根据电涡流式传感器的工作原理，其测量电路有三种：谐振电路、电桥电路与Q值测试电路。这里主要介绍谐振电路。目前电涡流式传感器所用的谐振电路有三种类型：定频调幅式、变频调幅式与调频式。1.定频调幅电路定频调幅电路图3.27为这种电路的原理框图。图中图中L为传感器线圈电感，与电容为传感器线圈电感，与电容C组成并联组成并联

20、谐振回路，晶体振荡器提供高频激励信号。谐振回路，晶体振荡器提供高频激励信号。在无被测导体时，在无被测导体时，LC并联谐振回路调谐在与并联谐振回路调谐在与晶体振荡器频率一致的谐振状态，这时回路晶体振荡器频率一致的谐振状态，这时回路阻抗最大，回路压降最大阻抗最大，回路压降最大(图图3.28中之中之U0)。图图3.273.27 定频调幅电路框图定频调幅电路框图当传感器接近被测当传感器接近被测导体时，损耗功率导体时，损耗功率增大，回路失谐，增大，回路失谐，输出电压相应变小。输出电压相应变小。这样，在一定范围这样，在一定范围内，输出电压幅值内，输出电压幅值与间隙与间隙(位移位移)成近成近似线性关系。由于

21、似线性关系。由于输出电压的频率输出电压的频率f0始终恒定，因此称始终恒定，因此称定频调幅式。定频调幅式。2.变频调幅电路变频调幅电路定频调幅电路虽然有很多优点，并获得广泛应用，但线路较复杂，装调较困难，线性范围也不够宽。因此，人们又研究了一种变频调幅电路，这种电路的基本原理基本原理是将传感器线圈直接接入电容三点式振荡回路。当导体接近传感器线圈时，由于涡流效应的作用，振荡器输出电压的幅度和频率都发生变化，利用振荡幅度的变化来检测线圈与导体间的位移变化，而对频率变化不予理会。变频调幅电路的谐振曲线如图3.29所示。图3.29 变频调幅谐振曲线无被测导体时，振荡回路的无被测导体时，振荡回路的Q值最高

22、，振荡电压值最高，振荡电压幅值最大，振荡频率为幅值最大，振荡频率为f0。当有金属导体接近线。当有金属导体接近线圈时，涡流效应使回路圈时，涡流效应使回路Q值降低，谐振曲线变钝，值降低，谐振曲线变钝，振荡幅度降低，振荡频率也发生变化。当被测导振荡幅度降低，振荡频率也发生变化。当被测导体为软磁材料时，由于磁效应的作用，谐振频率体为软磁材料时，由于磁效应的作用，谐振频率降低，曲线左移；被测导体为非软磁材料时，谐降低，曲线左移；被测导体为非软磁材料时，谐振频率升高，曲线右移。所不同的是，振荡器输振频率升高，曲线右移。所不同的是，振荡器输出电压不是各谐振曲线与出电压不是各谐振曲线与f0的交点，而是各谐振的

23、交点，而是各谐振曲线峰点的连线。曲线峰点的连线。 这种电路除结构简单、成本较低外，还具这种电路除结构简单、成本较低外，还具有灵敏度高、线性范围宽等优点，因此监有灵敏度高、线性范围宽等优点，因此监控等场合常采用它。必须指出，该电路用控等场合常采用它。必须指出，该电路用于被测导体为软磁材料时，虽由于磁效应于被测导体为软磁材料时，虽由于磁效应的作用使灵敏度有所下降，但磁效应时对的作用使灵敏度有所下降，但磁效应时对涡流效应的作用相当于在振荡器中加入负涡流效应的作用相当于在振荡器中加入负反馈，因而能获得很宽的线性范围。所以反馈，因而能获得很宽的线性范围。所以如果配用涡流板进行测量，应选用软磁材如果配用涡

24、流板进行测量，应选用软磁材料。料。3.调频电路调频电路调频电路与变频调幅电路一样，将传感器线圈接入调频电路与变频调幅电路一样，将传感器线圈接入电容三点式振荡回路，所不同的是，以振荡频率的电容三点式振荡回路，所不同的是，以振荡频率的变化作为输出信号。如欲以电压作为输出信号，则变化作为输出信号。如欲以电压作为输出信号，则应后接鉴频器。应后接鉴频器。这种电路的关键是提高振荡器的频率稳定度。通常这种电路的关键是提高振荡器的频率稳定度。通常可以从环境温度变化、电缆电容变化及负载影响三可以从环境温度变化、电缆电容变化及负载影响三方面考虑。方面考虑。提高谐振回路元件本身的稳定性也是提高频率稳定提高谐振回路元

25、件本身的稳定性也是提高频率稳定度的一个措施。为此，传感器线圈度的一个措施。为此，传感器线圈L可采用热绕工艺可采用热绕工艺绕制在低膨胀系数材料的骨架上，并配以高稳定的绕制在低膨胀系数材料的骨架上，并配以高稳定的云母电容或具有适当负温度系数的电容云母电容或具有适当负温度系数的电容(进行温度补进行温度补偿偿)作为谐振电容作为谐振电容C。此外，提高传感器探头的灵敏。此外，提高传感器探头的灵敏度也能提高仪器的相对稳定性。度也能提高仪器的相对稳定性。低频透射式涡流传感器 透射式涡流传感器原理透射式涡流传感器原理 线圈感应电势与厚度关系曲线线圈感应电势与厚度关系曲线测厚的依据测厚的依据: E的大小间接反映了

26、的大小间接反映了M的厚度的厚度t当选用不同的测试频率时，渗透深度当选用不同的测试频率时，渗透深度Q渗渗的值是不同的，的值是不同的，从而使从而使Et曲线的形状发生变化。曲线的形状发生变化。 在在t较小的情况下，较小的情况下，Q小小曲线的斜率大于曲线的斜率大于Q大大曲线的斜率曲线的斜率而在而在t较大的情况下，较大的情况下，Q大大曲线的斜率大于曲线的斜率大于Q小小曲线的斜曲线的斜率。率。 测量薄板时应选较高的频率，测量厚材时应选较测量薄板时应选较高的频率，测量厚材时应选较低的频率。低的频率。x, x被被 测测 参参 数数变变 换换 量量特特 征征位移、厚度、振动位移、厚度、振动 （1） 非接触测量，

27、连续测非接触测量，连续测量量 （2） 受剩磁的影响。受剩磁的影响。表面温度、电解质表面温度、电解质浓度浓度材质判别、速度（材质判别、速度（温度）温度） （1） 非接触测量，连续测非接触测量，连续测量；量； （2） 对温度变化进行补偿对温度变化进行补偿应力、硬度应力、硬度 （1） 非接触测量，连续测非接触测量，连续测量；量； （2） 受剩磁和材质影响受剩磁和材质影响探伤探伤 可以定量测量可以定量测量1位移测量位移测量(a) 汽轮机主轴的轴向位移测量示意图汽轮机主轴的轴向位移测量示意图(b) 磨床换向阀、先导阀的位移测量示意图磨床换向阀、先导阀的位移测量示意图(c) 金属试件的热膨胀系数测量示意图

28、金属试件的热膨胀系数测量示意图 2 振幅测量振幅测量(a)汽轮机和空气压缩机用监控主轴的径向振动的示意图汽轮机和空气压缩机用监控主轴的径向振动的示意图(b)测量发动机涡轮叶片的振幅的示意图测量发动机涡轮叶片的振幅的示意图(c) 通常使用数个传感器探头并排地安置在轴附近通常使用数个传感器探头并排地安置在轴附近3厚度测量厚度测量 电涡流式厚度计的测量原理图电涡流式厚度计的测量原理图 4转速测量转速测量60nfN f频率值频率值(Hz)； n旋转体的槽旋转体的槽(齿齿)数；数； N被测轴的转速被测轴的转速(rmin)。 5. 涡流探伤涡流探伤 可以用来检查金属的表面裂纹、热处理可以用来检查金属的表面

29、裂纹、热处理裂纹以及用于焊接部位的探伤等。裂纹以及用于焊接部位的探伤等。 综合参数综合参数(x, , )的变化将引起传感器参的变化将引起传感器参数的变化，通过测量传感器参数的变化数的变化，通过测量传感器参数的变化即可达到探伤的目的。即可达到探伤的目的。 在探伤时导体与线圈之间是有着相对运在探伤时导体与线圈之间是有着相对运动速度的，在测量线圈上就会产生调制动速度的，在测量线圈上就会产生调制频率信号频率信号 a)比较浅的裂缝信号比较浅的裂缝信号 b)经过幅值甄别后的信号经过幅值甄别后的信号 在探伤时，重要的是缺陷信号和干扰信号比。在探伤时，重要的是缺陷信号和干扰信号比。为了获得需要的频率而采用滤波

30、器，使某一频率的信号通为了获得需要的频率而采用滤波器，使某一频率的信号通过，而将干扰频率信号衰减。过，而将干扰频率信号衰减。 用涡流探伤时的测量信号用涡流探伤时的测量信号电涡流传感器测温度，由于测量范围宽、反应电涡流传感器测温度，由于测量范围宽、反应速度快、可实现非接触测量，常用于在线检测速度快、可实现非接触测量，常用于在线检测。图3.32 测温用涡流式传感器1-补偿线圈；2-管架；3-测量线圈；4-隔热衬垫；5-温度敏感元件6.温度测量在较小的温度范围内，导体的电阻率与温在较小的温度范围内，导体的电阻率与温度的关系为度的关系为 式中式中 1、0分别为温度分别为温度t1与与t0时的电阻率；时的

31、电阻率； a在给定温度范围内的电阻温度系数。在给定温度范围内的电阻温度系数。若保持电涡流式传感器的机、电、磁各参数不变，若保持电涡流式传感器的机、电、磁各参数不变，使传感器的输出只随被测导体电阻率而变，就可使传感器的输出只随被测导体电阻率而变，就可测得温度的变化。上述原理可用来测量液体、气测得温度的变化。上述原理可用来测量液体、气体介质温度或金属材料的表面温度，适合于低温体介质温度或金属材料的表面温度，适合于低温到常温的测量。到常温的测量。）（0101t -ta1优点是：(1)不受金属表面涂料、油、水等介质的影响；(2)可实现非接触测量；(3)反应快。 目前已制成热惯性时间常数仅1ms的电涡流温度计。 除上述应用外，电涡流式传感器还可利用磁导率与硬度有关的特性实现非接触式硬度硬度连续测量等。一、压磁效应一、压磁效应铁磁材料在磁场中磁化时，在磁场方向会伸长或缩短，这种现象称为磁致伸缩效应。材料随磁场强度的增加而伸长或缩短不是无限制的，最终会达到饱和。各种材料的饱和伸缩比是定值，称为磁致伸缩系数，用s表示，即 压磁式传感器压磁式传感器Sll /S(3-43)式中 伸缩比。ll /在一定的磁场范围内，一些材料(