第9章电感式传感器

1、第9章 电感式传感器 物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作传感器原理及应用传感器原理及应用自感：自感：当导体中的电流发生变化时，它周围的磁场就随着变化，并由此产生磁通量的变化，因而在导体中就产生感应电动势，这个电动势总是阻碍导体中原来电流的变化，此电动势即自感电动势。这种现象叫做自感现象。好处：自感现象在电工 无线电技术中应用广泛。自感线圈是交流电路或无线电设备中的基本元件，它和电容器的组合可以构成谐振电路或滤波器，利用线圈具有阻碍电流变化的特性可以稳定电路的电流。坏处：自感现象有时非常有害，例如具有大自感线圈的电路断开时，因电流变化很快，会产生很大的自感电动势，导致击穿

2、线圈的绝缘保护，或在电闸断开的间隙产生强烈电弧，可能烧坏电闸开关，如周围空气中有大量可燃性尘粒或气体还可引起爆炸。这些都应设法避免。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作传感器原理及应用传感器原理及应用对线圈而言，通电瞬间相当于一个极大电阻，断电瞬对线圈而言，通电瞬间相当于一个极大电阻，断电瞬间相当于一个电源，电流稳定时就是一个直流电阻。间相当于一个电源，电流稳定时就是一个直流电阻。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作传感器原理及应用传感器原理及应用互感互感当一线圈中的电流发生变化时，在临近的另一线圈中产生感应电动势，叫做互感现象。互感现象是一种常见的

3、电磁感应现象，不仅发生于绕在同一铁芯上的两个线圈之间，而且也可以发生于任何两个相互靠近的电路之间。应用互感现象在电子和电子技术中应用很广，通过互感，线圈可以使能量或信号由一个线圈很方便的传递到另外一个线圈。利用互感现象原理可以制成变压器，感应圈等。但是自感在某些情况下也会带来不利的影响，在这种情况下我们应该设法减少互感的耦合。 电感式传感器 电感式传感器电感式传感器 1 自感式传感器自感式传感器2 差动变压器式电感传感器差动变压器式电感传感器3 电涡流式传感器电涡流式传感器4 电感式传感器的应用电感式传感器的应用一、自感式传感器工作原理一、自感式传感器工作原理二、自感阻式传感器基本类型二、自感

4、阻式传感器基本类型三、变截面式自感传感器输出特性三、变截面式自感传感器输出特性四、变间隙式自感传感器输出特性四、变间隙式自感传感器输出特性五、差动式自感传感器五、差动式自感传感器六、自感式传感器的等效电路六、自感式传感器的等效电路七、自感式传感器的测量电路七、自感式传感器的测量电路1 自感式传感器自感式传感器利用电磁感应原理将被测非电量利用电磁感应原理将被测非电量转换成线圈自感系数转换成线圈自感系数L L的变化，再由测的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出，量电路转换为电压或电流的变化量输出，这种装置称为自感式传感器，也称为变这种装置称为自感式传感器，也称为变磁阻式传感器。磁阻式传感

5、器。一、变磁阻式传感器工作原理一、变磁阻式传感器工作原理1 自感式传感器线圈中电感：线圈中电感：INIL线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁传感器结构：传感器结构：线圈、铁芯和衔铁线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料如三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成，在铁芯和衔铁硅钢片或坡莫合金制成，在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为之间有气隙，气隙厚度为，传感器的，传感器的运动部分与衔铁相连。运动部分与衔铁相连。一、变磁阻式传感器工作原理一、变磁阻式传感器工作原理MMRNLRININL2;RRF2202ANRNLARRM02AR02RRRFM222111AlAlRF1 自感式传感器一、

6、变磁阻式传感器工作原理一、变磁阻式传感器工作原理工作原理：工作原理：若匝数一定，当被测量变化时，使衔铁产生若匝数一定，当被测量变化时，使衔铁产生位移，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感量变化。位移，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感量变化。因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大衔铁位移量的大小和方向小和方向。1 自感式传感器变磁阻式传感器即自感式电感传感变磁阻式传感器即自感式电感传感器的基本类型：器的基本类型：二、变磁阻式传感器基本类型二、变磁阻式传感器基本类型线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁（1 1）变气隙式）变气隙式（2 2）

7、截面积式）截面积式（3 3）螺管式螺管式线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁衔铁移动方向衔铁移动方向1 自感式传感器二、变磁阻式传感器基本类型二、变磁阻式传感器基本类型第一种灵敏度高；第二种类型的优点是具第一种灵敏度高；第二种类型的优点是具有较好的线性，示值范围较大，自由行程有较好的线性，示值范围较大，自由行程也较大；第三种类型灵敏度低，但示值范也较大；第三种类型灵敏度低，但示值范围大，自由行程大，且其主要优点是结构围大，自由行程大，且其主要优点是结构简单，制造装配容易。灵敏度低是其缺点，简单，制造装配容易。灵敏度低是其缺点，但可以在放大电路方面加以解决。但可以在放大电路方面加以解决。1 自感式传感器自自

8、 感感 传传 感感 器器 的的 特特 性性 曲曲 线线2202ANRNL 1 自感式传感器三、变截面式自感传感器输出特性三、变截面式自感传感器输出特性气隙截面面积气隙截面面积A A0 0时自感系数时自感系数20020ANL 当传感器截面增加当传感器截面增加A时，则输出时，则输出电感为电感为2)(0020AANLLL线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁衔铁移动方向衔铁移动方向202ANL00AALL因此，输出电感的变化与截面面积因此，输出电感的变化与截面面积的变化成线性关系。的变化成线性关系。1 自感式传感器三、变截面式自感传感器输出特性三、变截面式自感传感器输出特性当传感器截面减小或增加当传感器截面减小或

9、增加A时时线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁衔铁移动方向衔铁移动方向0001/AALLK00AALL输出电感灵敏度与初始截面面积的输出电感灵敏度与初始截面面积的成反比关系。成反比关系。00AALL因此既可确定衔铁位移量的大小又因此既可确定衔铁位移量的大小又可确定方向。可确定方向。输出电感灵敏度输出电感灵敏度1 自感式传感器三、变截面式自感传感器的输出特性三、变截面式自感传感器的输出特性1 自感式传感器四、变间隙式自感传感器输出特性四、变间隙式自感传感器输出特性线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁气隙厚度气隙厚度0 0时自感系数时自感系数00220ANL 当衔铁下移当衔铁下移时，传感时，传感器气隙增加器气隙增加，即，

10、即=0+，则输出电感为则输出电感为0000201)(2LANLLL1 自感式传感器四、变间隙式自感传感器输出特性四、变间隙式自感传感器输出特性000/11LL线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁当当/0R，则有，则有Z1+Z2j(L1+L2)电感式传感器的测量电路：电感式传感器的测量电路：交流电桥、变压器式交流电桥等。交流电桥、变压器式交流电桥等。 1 1、交流电桥式测量电路、交流电桥式测量电路1 自感式传感器电桥输出电压为电桥输出电压为七、自感式传感器的测量电路七、自感式传感器的测量电路线性处理后电桥输出电压为线性处理后电桥输出电压为1 1、交流电桥式测量电路、交流电桥式测量电路)(221LLUZZUo

11、差动式传感器的电感灵敏度差动式传感器的电感灵敏度K0为为0002/LLK 变间隙差动式电感传感器的灵敏变间隙差动式电感传感器的灵敏度是单线圈式的两倍。度是单线圈式的两倍。 差动式的非线性误差明显改善。差动式的非线性误差明显改善。 002LUo输出电压与输出电压与成正比。成正比。1 自感式传感器曲线曲线1、2为两线圈各自电感特性；为两线圈各自电感特性；曲线曲线3为两线圈差接时的电感特性；为两线圈差接时的电感特性；曲线曲线4为差接后电桥输出电压与衔铁为差接后电桥输出电压与衔铁位移的特性曲线。位移的特性曲线。七、自感式传感器的测量电路七、自感式传感器的测量电路1 1、交流电桥式测量电路、交流电桥式测

12、量电路U0L/mH/mmL043211234-电桥输出特性：电桥输出特性：电桥输出电压大小与衔铁位移量电桥输出电压大小与衔铁位移量有关，相位与衔铁移动方向有关。有关，相位与衔铁移动方向有关。若设衔铁向上移动若设衔铁向上移动为负，则为负，则U0为为负；衔铁向下移动负；衔铁向下移动为正，则为正，则U0为正，为正，相位差相位差180。1 自感式传感器变压器式交流电桥测量电路，电桥变压器式交流电桥测量电路，电桥两桥臂分别为传感器两线圈的阻抗，另两桥臂分别为传感器两线圈的阻抗，另外两桥臂分别为电源变压器的两次级线外两桥臂分别为电源变压器的两次级线圈，其阻抗为次级线圈总阻抗的一半。圈，其阻抗为次级线圈总阻

13、抗的一半。七、自感式传感器的测量电路七、自感式传感器的测量电路2 2、变压器式交流电桥、变压器式交流电桥测量时被测件与传感器测量时被测件与传感器衔铁相连，当衔铁处于中间衔铁相连，当衔铁处于中间位置，即位置，即Z1=Z2=Z时电桥输时电桥输出电压为零，电桥平衡。出电压为零，电桥平衡。 Z1Z2IABCD0U2U2UoU2212112212UZZZZUUZZZUUUBAo当负载阻抗为无穷大时，桥路输出当负载阻抗为无穷大时，桥路输出电压为电压为 1 自感式传感器当传感器衔铁上移时，当传感器衔铁上移时，Z1=Z+Z，Z2=Z-Z，若线圈的，若线圈的Q值很高，损耗电值很高，损耗电阻可忽略，则阻可忽略，则

14、桥路输出电压为桥路输出电压为 七、自感式传感器的测量电路七、自感式传感器的测量电路2 2、变压器式交流电桥、变压器式交流电桥当衔铁上下移动相同距当衔铁上下移动相同距离时，电桥输出电压大小相离时，电桥输出电压大小相等而相位相反。要判断衔铁等而相位相反。要判断衔铁方向需要经过相敏检波电路方向需要经过相敏检波电路的处理。的处理。 Z1Z2IABCD0U2U2UoU2222112ULLUZZUZZZZUo2222112ULLUZZUZZZZUo当传感器衔铁下移时，当传感器衔铁下移时，Z1=Z-Z，Z2=Z+Z，桥路输出电压为桥路输出电压为 1 自感式传感器 衔铁中间位置衔铁中间位置七、自感式传感器的测

15、量电路七、自感式传感器的测量电路3 3、相敏检波测量电路、相敏检波测量电路1L2LEFJKGH21LL HGUU 衔铁上移衔铁上移L1增大，自感电动势增加；增大，自感电动势增加；L2减小，自感电动势减少。减小，自感电动势减少。 正半周正半周E点电势高，点电势高，F点低点低通路通路EJGF，UG降低降低通路通路EKHF，UH升高升高HGUU 负半周负半周F点电势高，点电势高，E点低点低通路通路EJHF，UG降低降低通路通路EKGF，UH升高升高HGUU 结论：结论：无论是正半周还是负半周，无论是正半周还是负半周，衔铁上移时衔铁上移时UGUH。衔铁下移时，衔铁下移时，UGUH;衔铁上移时，衔铁上移

16、时，UGU68，U20；衔铁下移时，衔铁下移时，U24U68，U20 。U2的正负表示衔铁位移方向的正负表示衔铁位移方向;U2的大小表示衔铁位移大小。的大小表示衔铁位移大小。 68242UUU差动整流电路具有结构简单差动整流电路具有结构简单, 不需要考虑相位调整和零点残余不需要考虑相位调整和零点残余电压的影响电压的影响, 分布电容影响小和便于远距离传输等优点，因而获分布电容影响小和便于远距离传输等优点，因而获得广泛应用。得广泛应用。一、电涡流式传感器基本原理一、电涡流式传感器基本原理二、电涡流式传感器输出特性二、电涡流式传感器输出特性三、电涡流式传感器基本类型三、电涡流式传感器基本类型四、电涡

17、流式传感器测量电路四、电涡流式传感器测量电路3 电涡流式传感器 一、电涡流式传感器基本原理一、电涡流式传感器基本原理涡流式传感器的基本原理：利用金属涡流式传感器的基本原理：利用金属导体在交流磁场中的电涡流效应。导体在交流磁场中的电涡流效应。电涡流：电涡流：若一金属板置于一只线圈的附近，当若一金属板置于一只线圈的附近，当线圈输入一交变电流线圈输入一交变电流 时，便产生交变磁时，便产生交变磁通量，金属板在此交变磁场中会产生感应通量，金属板在此交变磁场中会产生感应电流，这种电流在金属体内是闭合的，称电流，这种电流在金属体内是闭合的，称之为电涡流或涡流。之为电涡流或涡流。若固定某些参数，就若固定某些参

18、数，就可根据涡流的变化测量另可根据涡流的变化测量另一个参数。一个参数。3 电涡流式传感器 涡流的大小与金属板的电阻率涡流的大小与金属板的电阻率、磁、磁导率导率、厚度、厚度h、金属板与线圈的距离、金属板与线圈的距离、激励电流角频率激励电流角频率等参数有关。等参数有关。激励激励线圈线圈金属金属导体导体二、电涡流式传感器输出特性二、电涡流式传感器输出特性被测导体上形成的电涡流等效成一被测导体上形成的电涡流等效成一个短路环中的电流，短路环可认为是一个短路环中的电流，短路环可认为是一匝短路线圈，电阻为匝短路线圈，电阻为R2、电感为、电感为L2。线圈与被测导体等效为两个相互耦线圈与被测导体等效为两个相互耦

19、合的线圈。线圈与导体间存在一个互感合的线圈。线圈与导体间存在一个互感M，随线圈与导体间距的减小而增大。，随线圈与导体间距的减小而增大。电涡流式传感器等效电路电涡流式传感器等效电路3 电涡流式传感器 根据基尔霍夫第二定律，有根据基尔霍夫第二定律，有1 1、等效电路、等效电路12222121111IMjILjIRUIMjILjIR二、电涡流式传感器输出特性二、电涡流式传感器输出特性解方程得等效阻抗的表达式为解方程得等效阻抗的表达式为线圈受电涡流影响后线圈受电涡流影响后的等效电感的等效电感 3 电涡流式传感器 线圈受电涡流影响后的等效电阻线圈受电涡流影响后的等效电阻 2 2、等效阻抗与品质因数、等效

20、阻抗与品质因数222222221RLRMRReqeqeqLjRLLRMLjRLRMRIUZ22222222122222222111222222221LLRMLLeq线圈等效品质因数线圈等效品质因数 222212222212011)()(LMRRLMLLQZReZImQ特性参数影响因素：特性参数影响因素： Q： L2, R2, L1, R1, , MReq、Leq、Q是是M2的函数的函数三、电涡流式传感器的基本类型三、电涡流式传感器的基本类型电涡流式传感器可分为高频反射电涡流式传感器可分为高频反射式和低频透射式两类。式和低频透射式两类。3 电涡流式传感器 高频信号激励传感器线圈产生高高频信号激励

21、传感器线圈产生高频交变磁场，当被测导体靠近线圈时，频交变磁场，当被测导体靠近线圈时，产生电涡流，而电涡流又产生一交变产生电涡流，而电涡流又产生一交变磁场阻碍外磁场的变化。磁场阻碍外磁场的变化。1 1、高频反射式、高频反射式从能量角度分析，被测导体内存从能量角度分析，被测导体内存在着电涡流损耗，使传感器的在着电涡流损耗，使传感器的Q值和值和等效阻抗等效阻抗Z降低。当被测体与传感器降低。当被测体与传感器间距离改变时，传感器的间距离改变时，传感器的Q和和Z、电感、电感L均发生变化，位移量转换成电量。均发生变化，位移量转换成电量。三、电涡流式传感器基本类型三、电涡流式传感器基本类型3 电涡流式传感器

22、发射线圈和接收线圈置于被测金发射线圈和接收线圈置于被测金属板上下方。当低频电压加到线圈属板上下方。当低频电压加到线圈1的的两端后，产生磁场线的一部分透过金两端后，产生磁场线的一部分透过金属板，使线圈属板，使线圈2产生感应电动势。但涡产生感应电动势。但涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势流消耗部分磁场能量，使感应电动势减少，当金属板越厚时，损耗的能量减少，当金属板越厚时，损耗的能量越大，输出电动势越小。越大，输出电动势越小。2 2、低频透射式、低频透射式电动势的大小与金属板的厚度及电动势的大小与金属板的厚度及材料的性质有关。电动势随材料厚度材料的性质有关。电动势随材料厚度的增加按负指数规律减少。若

23、金属板的增加按负指数规律减少。若金属板材料的性质一定，即可测厚度。材料的性质一定，即可测厚度。三、电涡流式传感器测量电路三、电涡流式传感器测量电路1 1、调频式电路、调频式电路 电涡流传感器的测量电路主要有调电涡流传感器的测量电路主要有调频式、频式、 调幅式电路和交流电桥等。调幅式电路和交流电桥等。 )()(0 xUfxLx传感器线圈接入振荡回路，当传感传感器线圈接入振荡回路，当传感器与被测导体距离改变时，在涡流影响器与被测导体距离改变时，在涡流影响下，传感器的电感变化，导致振荡频率下，传感器的电感变化，导致振荡频率的变化。的变化。3 电涡流式传感器 频率变化是距离的函数，频率可由频率变化是距

24、离的函数，频率可由数字频率计直接测量，或通过频率数字频率计直接测量，或通过频率电压电压变换，用电压表测量对应的电压。变换，用电压表测量对应的电压。 物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作传感器原理及应用传感器原理及应用三、电涡流式传感器测量电路三、电涡流式传感器测量电路2 2、调幅式电路、调幅式电路 )(ZfiUoo传感器线圈传感器线圈L、电、电容器容器C和石英晶体组成和石英晶体组成石英晶体振荡电路。石英晶体振荡电路。当金属导体远离传感器线圈时，谐振回路当金属导体远离传感器线圈时，谐振回路谐振频率谐振频率fo，回路呈现的阻抗最大，谐振回路，回路呈现的阻抗最大，谐振回路上的输

25、出电压也最大；当金属导体靠近时，线上的输出电压也最大；当金属导体靠近时，线圈的等效电感圈的等效电感L发生变化，导致回路失谐，输发生变化，导致回路失谐，输出电压降低，出电压降低，L的数值随距离的变化而变化。的数值随距离的变化而变化。因此，输出电压也随而变化。因此，输出电压也随而变化。3 电涡流式传感器 石英晶体振荡器石英晶体振荡器起恒流源的作用，给起恒流源的作用，给谐振回路提供一个频谐振回路提供一个频率率f0稳定的激励电流稳定的激励电流io，LC回路的阻抗为回路的阻抗为Z时时输出电压输出电压载有交变电流的线圈产载有交变电流的线圈产生交变磁场生交变磁场Hp，金属物平，金属物平面感应出电涡流，产生交

26、面感应出电涡流，产生交变涡流磁场变涡流磁场Hs ，均在检测，均在检测线圈（反向差动线圈）中线圈（反向差动线圈）中产生感应电动势。产生感应电动势。一、电涡流式传感器应用一、电涡流式传感器应用4 电感式传感器的应用1 1、无损金属材料探伤、无损金属材料探伤金属物交流电流激励线圈检测线圈pH交变磁通sH 被测金属物上无缺陷被测金属物上无缺陷穿过检测线圈的两个线穿过检测线圈的两个线圈的磁通量相等，感应电圈的磁通量相等，感应电势相互抵消，输出为零。势相互抵消，输出为零。一、电涡流式传感器应用一、电涡流式传感器应用4 电感式传感器的应用1 1、无损金属材料探伤、无损金属材料探伤 被测金属物上有缺陷被测金属物上有缺陷穿过两个检测线圈的磁穿过两个检测线圈的磁通量不相等，检测线圈输通量不相等，检测线圈输出感应电势不为零。出感应电势不为零。金属物交流电流激励线