第三章电感传感器

1、 第三章 电感传感器 第一节 自感式传感器 第二节 差动变压器 第三节 电涡流传感器 第四节 电感传感器的应用主要特点：P42 结构简单，工作可靠，寿命长； 灵敏度高，能分辨0.01m的位移变化； 精度高，线性好，非线性误差一般为0.05%0.1%。利用磁路磁阻变化引起传感器线圈的电感（自感L或互感M）变化来检测非电量的机电转换装置。P42分类：（根据变化电感的性质划分）自感L变化：自感式互感M变化：互感式自感L和互感M均变化： 电涡流式 自感式传感器亦称变隙式自感传感器l2SS线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁Usr 1.工作原理 磁路气隙改变磁路磁阻的改变改变线圈自感气隙气隙）（线圈的电感：HINL

2、vN: :线圈的匝数线圈的匝数 I: :线圈中的电流线圈中的电流 v：磁路磁通：磁路磁通 Rm: :磁路总磁阻磁路总磁阻mRNI mRNL2式中 l1、l2、l0 分别为铁芯、衔铁和气隙的长度； s1、s2、s0 分别为铁芯、衔铁和气隙的截面积； 1、2、0 分别为铁芯、衔铁和气隙的导磁率， 式中1=2 ，0=410-7 H/m。 000222111SlSlSlRRmim 铁芯的导磁率远远大于空气的导磁率磁路的总磁阻主要由气隙长度决定0002SlNL改变气隙的长度或截面积改变线圈自感mRNL2000222111SlSlSlRRmim000SlRm若气隙长度为，截面积为S，则：202SNL 变气

3、隙长度型变气隙截面积S型 2.工作特性 变气隙长度型L0L0-+L1-L2衔铁向上移动： 0)(2002SNL)(000LLLL00011LL.)()(1 302000 2.工作特性 变气隙长度型L0L0-+L1-L2衔铁向下移动： 0)(2002SNL)(000LLLL00011LL.)()(1 3020001）越小，灵敏度越大，一般取0=0.10.5mm；2）L与为非线性关系，且/ 越大，非线性越大；3）非线性与测量范围的要求相矛盾，一般取/ =0.10.2，所以变隙式电感式传感器用于测量微小位移时是比较精确的；4） 减小与增大时引起的L变化大小不同，且越大， L相差越大。变气隙长度型20

4、22SNddLK202SNL 灵敏度为变气隙式自感传感器的激励线圈匝数N=2500，衔铁断面积 S=44mm2，气隙初始长度l=2=0.8mm，最大位移l= =0.08mm，磁导率0=410-7H/m，求线圈初始电感，电感最大变化量。mHlSNL157108 . 0104410425003672020mHllSNL1311008. 02108 . 010441042500233672021mHllSNL1961008. 02108 . 010441042500233672022mHLLL26011mHLLL39022变气隙截面积型灵敏度为自感L与S成线性关系，灵敏度较低0002SlNL2,20

5、0lSSSNL0222000(2)2NNSLLLSS 202NS202SNdLKdS螺管式电感传感器工作原理:基于线圈磁力线泄漏路径上磁阻变化；线圈电感量:与衔铁插入深度有关；当铁芯在线圈中运动时，使线圈自感发生变化。特点：结构简单、制造容易，灵敏度低，适用于较大位移(数毫米)测量。令线圈的长径比（l/r）足够大，则线圈内部的磁场是均匀的。此时，未插入衔铁的空心线圈自感为：lrNlSNL22000020当衔铁局部插入线圈时，被线圈覆盖的部分电感增大。令x为衔铁的插入深度，rc为衔铁的半径，Nx为覆盖衔铁的线圈匝数，r为衔铁的导磁率，则其增量为：xrNLcxr220) 1(xrNLcxr220)

6、 1(NlxNx2220) 1(lxrNLcrlrNlSNL22000020lxrrLLcr220) 1(自感L与x成线性关系，灵敏度较低螺管式电感传感器测量位移推杆与传感器棒内孔同心度没有要求无接触测量，工作寿命长应用：电感式传感器测液位三种自感式传感器的性能比较：1）变气隙式灵敏度最高，螺管式灵敏度最低；2）变气隙式非线性严重，变截面式和螺管式线性好；3）变气隙式示值范围较小，变截面式和螺管式的示值范 围较大。灵敏度低可由放大电路方面解决（采用差动电桥方式），故，目前螺管式自感传感器的应用越来越多。 三、差动自感传感器测量电路 1. 基本交流测量电桥工作时两线圈的自感呈反相变化，形成差动输

7、出，称之为差动自感传感器。当衔铁有位移变化时，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，其输出灵敏度提高一倍，并改善了线性特性。Z1Z2R3R4UiABCDUo0021021oULLL起始时，衔铁处于中间位置021oULL021oULLZ1Z2R3R4UiABCDUo0201向左移动：0201向右移动：ioUZZZZZZZZU)(43213241043002010RZZjLRZZZ其中：10101LjZZZZ20202LjZZZZioUZZZZZZZZU)(43213241ioULjLjZLjLjU)2(221021)(4210LLLjRjUi令衔铁左移为正方向L0L

8、0-+L1-L2气隙减小时：.)()(1 3020000LL即：.)()(1 30200001LL气隙增大时：.)()(1 3020000LL即：.)()(1 30200002LL.)()(1 30200001LL.)()(1 30200002LL.)(1 2200021LLL002 L)(4210LLLjRjUUio00212LLL0002LjRLjUUio输出灵敏度提高一倍，改善了线性特性0002LjRLjUUio00000)()(2LjRLjRLjRLjUi2022000)()(2LRLRLjUi1)(122000LRLRjUi1)(122000LRLRjUUioRL串联谐振电路的品质因

9、数Q为：RLQ代入上式得：1)1(11220QQjUUio1）输出包含与电源同相和正交两个分量。2）Q值大可以减小正交分量。输出电压的大小可以反映衔铁的位移大小；输出电压的极性可以反映衔铁的位移方向。 2带相敏整流的交流电桥交流电压表不能指示输出极性无法确定动铁位移方向引入相敏整流电路，以直流电压表测量电桥输出电压+ +- - + +- -1）交流电表测得的曲线2）直流电表测得的曲线 3紧耦合测量电桥 紧耦合测量电桥具有较高的稳定性和灵敏度静态时：Z1=Z2=Z ，N1=N2两线圈N1与N2的耦合互感为M，且 M = KL0L0：两线圈N1和N2的自感K为耦合系数紧耦合两线圈中电流方向相反：耦

10、合系数K=-1紧耦合线圈的T 形等效电路 ZS =j（L0M）=j 2L 0 ZP =jM =jL 0 ZAC =2ZS =j 4L 0 ZAE =ZCE =ZS+ZP =jL 0 紧耦合测量电桥等效电路 （1）测量桥输出电压 初态时， 动铁左移时，Z1=Z +Z，Z2=ZZ 则 SSBDZZZZZ21/2)(2)(22SSSZZZZZZZ0ACoUUUUZZZUPBDBDBDUZZZZZSPS2UZZZZZUSPSBD2ADCDoUUUBDSSBDSSUZZZZUZZZZBDSSUZZZZZ22)(2BDSSUZZZZ2)(2UZZZZZZZZZSPSSS2)(22SPSSZZZUZZZZ2

11、2动铁左移时：SPSSoZZZUZZZZU22同理可得，动铁右移时：SPSSoZZZUZZZZU22SPSSoZZZUZZZZU22 （2）测量桥灵敏度KB 将Z=R+jL，Z=R+jL，ZS=j2L0，ZP= -jL0分别代入紧耦合测量桥的灵敏度为 ULLUKoBLLLL/21/400 由于RL，R线圈间互感的变化量 其本质是差动输出的开磁路变压器 P49 一、工作原理 abcdcdVV铁芯线圈组合衔铁VVVoutR1、L1：初级线圈电阻与自感R21、R22：次级线圈电阻L21、L22：次级线圈自感M1、M2：初级线圈与两次级线圈间互感e21、e22：感应电动势u2 ：差动输出电压，次级线圈

12、反向串联u2=e21-e22 初级线圈中激磁电流为：1111LjRUI次级线圈中的磁通为：2112211121,mmRINRINN1：初级线圈匝数；次级线圈匝数：N21=N22=N2Rm1、Rm2： 和 的通道磁阻2122 初级线圈与两次级线圈的互感为：221122222121121211;mmRNNINMRNNINM 次级线圈中感应电动势12221121;IMjEIMjE是初级线圈电流的角频率差动变压器空载时的输出电压为：11222212)(IMMjEEU11112)(LjRUMMj111122)(LjRUMMjU12121122)()(ULRMMU有效值：22212221LjLjRRZ22

13、22122221LLRRZ输出阻抗其大小为：MMM21衔铁在中间位置时：衔铁左移：MMMMMM21;12121122)()(ULRMMU02U121212)(2ULRMU0衔铁右移:MMMMMM21;121212)(2ULRMU0可测量位移的大小，亦能判定位移的方向。 二、工作特性 1输出电压特性Um：动铁与次级某线圈完全耦合时的输出电压；该线圈磁路的磁阻最小，互感M 最大，感应电动势e 最大Uo:动铁与次线某线圈完全不耦合时的输出电压，称为残余电压X :动铁与次级某线圈实际位移的范围单个次级线圈输出电压与动铁位移的关系曲线差动两线圈输出电压线性工作范围大大增加次级线圈反向串联时，差动输出电压

14、与动铁位移关系曲线 2灵敏度 差动变压器在单位电压激励下，动铁移动单位距离时所产生的输出电压，以mv/mm/V表示，一般大于50mv/mm/V 在初级线圈热容量允许范围内适当增加激励电压 适当增加动铁截面积，以减小磁路磁阻，同时减小铁损:M ,M , R 适当增加次级线圈的匝数N2，一般取N2=（12）N1 在低频段，若R1L1 此时，适当，也可以提高灵敏度11212)(UMMRU3 频率特性12121122)()(ULRMMU低频时：11LR112MURU中频时：11LR112ULMU与无关高频时： 当增加到某一数值时（视铁芯材料而异），导线存在趋肤效应使得R大幅提升。导致灵敏度下降趋肤效应

15、频率低频率低频率高频率高v直流:电流在导线截面上均匀分布流动v交流:电流有集中在外部周围流动，而在中心部位不怎么流动的倾向，这种现象叫趋肤效应 4零点残余电压消除方法 差动变压器零点残余电压是由于结构及电磁特性不对称等多方面影响造成的，减小的方法主要是： 提高差动变压器的组成结构及电磁特性的对称性 引入相敏整流电路 采用外电路补偿 三、测量电路 差动整流电路电流输出型:用于连接低阻抗负载电路电压输出型:用于连接高阻抗负载电路其他结构差动变压器式传感器1 1、电磁炉、电磁炉2 2、电涡流探雷器、电涡流探雷器电涡流现象与我们的生活电涡流现象与我们的生活第三节第三节 电涡流传感器电涡流传感器涡流效应

16、：涡流效应：线圈置于导体附近线圈置于导体附近: :金属导体内产生涡流金属导体内产生涡流线圈中通以高频信号线圈中通以高频信号 i1 1正弦交变磁场正弦交变磁场 H1H1涡流产生电磁场涡流产生电磁场反作用于线圈反作用于线圈 , ,改变了改变了电感电感式中式中, 导体电阻率导体电阻率(cm)； 导体磁导率；导体磁导率； 激磁电源频率激磁电源频率(Hz)。穿透深度h为：()hcmf根据激磁电源频率的高低可分为：1、高频反射式：适用于非接触式位移测量；2、低频透射式：仅适用于金属板厚度测量。高频反射式电涡流传感器高频反射式电涡流传感器 2 2、基本原理、基本原理 3 3、等效电路、等效电路 1 1、传感

17、器的结构、传感器的结构1 1、传感器的结构：、传感器的结构：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-插头插头高频反射式电涡流传感器高频反射式电涡流传感器 由安置在框架上的扁平圆形线圈构成。此线圈可粘由安置在框架上的扁平圆形线圈构成。此线圈可粘贴于框架上，或在框架上开一槽，将导线绕在槽内。贴于框架上，或在框架上开一槽，将导线绕在槽内。电涡流传感器外形电涡流传感器外形（参考德国图尔克公司资料）（参考德国图尔克公司资料）电涡流电涡流传感器外形传感器外形（参考德国图尔克公司资料）（参考德国图尔克公司资料）高频反射式电涡流传感器高频反

18、射式电涡流传感器2 2、基本原理、基本原理高频信号使线圈产生高频交高频信号使线圈产生高频交变磁场变磁场磁场作用范围内的导体表层磁场作用范围内的导体表层产生电涡流产生电涡流ie涡流产生交变磁场涡流产生交变磁场ee阻碍外阻碍外磁场的变化磁场的变化导体内的涡流损耗改变导体内的涡流损耗改变线圈线圈的的Q Q值值和和等效阻抗等效阻抗Z ZiedMed d 改变改变涡流损耗涡流损耗Q Q值值等效阻抗等效阻抗Z Z线圈电感线圈电感L L等效电路 类似于副边短路的空心变压器R1和L1：传感线圈的电阻和自感R2和L2：金属导体（短路线圈）的电阻和自感M ：传感线圈与被测体间磁耦合等效互感121111UIMjIL

19、jIR 按 KVL列出电路电压平衡方程022221LjIRIMjI等效电路 类似于副边短路的空心变压器R1和L1：传感线圈的电阻和自感R2和L2：金属导体（短路线圈）的电阻和自感M ：传感线圈与被测体间磁耦合等效互感121111UIMjILjIR022221LjIRIMjI联立求解，得：2211122122()()()URj LRj LMIRj L2221221121222()R Rj R Lj R LL LMRj L2221212211222()R RL LMj R Lj R LRj L2221212211222()R RL LMj R Lj R LZRj L2221212211222222

20、2()()()()R RL LMj R Lj R LRj LRj LRj L22222122122211221223232222221222122122()/() R RR L LM Rj R Lj R R Lj R R LjL LjL MR L LL RRL222232322212221122212222()R RM Rj R LjL LjL ML RRL222222323212212211222222()R RL RM Rj R LjL LjL MRL222222323212212211222222()R RL RM Rj R LjL LjL MZRL2222222222122212222

21、222()()()R RLM RjL RLL MRL2222121222222222()()MMRRjLLRLRL22,222222()MRRRL涡流回路的反射电阻22222222()MLLRL，涡流回路的反射电感 电涡流传感器等效阻抗Z： Z =FZ =F（、f f、r r）高频反射式涡流传感器的应用：1、当被测体材料及激磁频率一定(、f、r确定确定)时，阻抗Z 是的单值函数。即，仅利用位移量为变量，可用于测量位移、厚度、振动、转速等，也可作为接近开关和计数器。2、仅利用作为变量，可测量温度、判断材质。3、仅利用作为变量，可测量应力、硬度等。4、利用、等综合因素，可实现探伤和金属探寻。 1.

22、 交流电桥交流电桥高频反射式电涡流传感器的转换电路高频反射式电涡流传感器的转换电路U U0 0交流电桥测量电路交流电桥测量电路L L1 1振荡器振荡器R R1 1R R2 2C C2 2 C C1 1L L2 2检波放大L L1 1、L L2 2是两个差动传感器线圈，是两个差动传感器线圈，与电容与电容C C1 1 、C C2 2的并联阻抗的并联阻抗Z Z1 1、Z Z2 2作为电桥的两个桥臂作为电桥的两个桥臂. . 222C/LZ 111C/LZ 2. 调幅电路调幅电路 涡流传感器线圈与电容并联组成涡流传感器线圈与电容并联组成LCLC并联谐振回并联谐振回路，由恒流源石英晶体振荡器供电。路，由恒

23、流源石英晶体振荡器供电。 测量时，金属材料在高频磁场中产生电涡流，测量时，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，最终输出的电压引起电涡流线圈端电压的衰减，最终输出的电压U Uo o反映了金属体对电涡流线圈的影响（例如两者之间反映了金属体对电涡流线圈的影响（例如两者之间的的距离距离等参数）。等参数）。 调幅式测量电路原理框图调幅式测量电路原理框图晶体振荡器晶体振荡器C C输出输出L L放大放大检波检波滤波滤波R R金属导体金属导体高频反射式电涡流传感器的转换电路高频反射式电涡流传感器的转换电路例：例：调幅度法测量振动的波形调幅度法测量振动的波形 用电用电涡流探涡流探头、调头、调幅法测幅法测量简谐量简谐振动时，振动时，探头的探头的输出波输出波形。形。2. 调频电路调频电路高频反射式电涡流传感器的转换电路高频反射式电涡流传感器的转换电路以LC 谐振回路的频率作为输出量，测量输出频率例：调频法测量振动的波形例：调频法测量振动的波形 二、低频透射式电涡流传感器发射线圈1 和接收线圈2分别放在被测材料G的上下低频(音频范围)电压e1 加到线圈1 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2的磁力线减少,从而使2产生的