传感器技术应用-4

1、湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月6日第四章第四章 电感式传感器电感式传感器 本章的主要内容有：本章的主要内容有：1.自感式电感传感器的结构原理；自感式电感传感器的结构原理；2.互感式电感传感器的结构原理；互感式电感传感器的结构原理；3. 电感传感器的典型测量电路；电感传感器的典型测量电路；4. 电感传感器的主要应用；电感传感器的主要应用；湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与

2、检测技术（第二版）2022年3月6日 电感式传感器电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化，导致线圈电感量改变来实现测量的。分类分类: :电感式传感器电感式传感器自感型自感型互感型互感型变面积型电传感器螺线管型电传感器变间隙型电传感器湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月6日4.1 自感式电感传感器自感式电感传感器 自感式电感传感器有变间隙型、变面积型和螺管型三种。 4.1.1 原理分析原理分析 4.1.1.1 变间隙型电感传感器变间隙型电感传感器 它的

3、结构示意图如右图所示。工作时衔铁与被测物体连接，被测物体的位移将引起空气隙的变化，导致了线圈电感量的变化。线圈的电感可用下式表示：mRNL2湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月6日线圈的电感值可近似地表示为 因此，其灵敏度随气隙的增大而减小。忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为 AAlAlRm022112AAlAlNRNLm02211222202ANL 因此：湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版

4、）传感器与检测技术（第二版）2022年3月6日 铁心与衔铁之间相对覆盖面积随被测量的变化面改变，导致线圈的电感量发生变化，这种形式称之为变面积型电感传感器，见图4.1.2。L与是非线性的，但与A成正比，特性曲线参见图4.1.3。123L, AL=f(A)L=f()图4.1.3 电感传感器特性图4.1.2 变面积型电感传感器1-衔铁 2-铁芯 3-线圈可变导磁面积型可变导磁面积型4.1.1.2 4.1.1.2 变面积型电感传感器变面积型电感传感器湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）20

5、22年3月6日湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月6日下图为其结构原理图，衔铁随被测物移动，引起磁阻发生变化，导致电感量改变。lrx2ra12图 4.1.4 螺 管 型 电 感 传 感 器1-线 圈 2-衔 铁线圈电感量与衔铁进入线圈的长度可表示为 4.1.1.3 螺管型电感式传感器螺管型电感式传感器通过以上分析可得结论: I. 变间隙型灵敏度较高,但非线性误差较大； II. 变面积型灵敏度较小,但线性较好,量程较大；III. 螺管型灵敏度较低,但量程大且结构简单。72

6、222210) 1(4aamrllrlNL湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月6日 用两个相同的传感线圈共用一个衔铁,构成差动式电感传感器,这样可以提高传感器的灵敏度,减小测量误差。下图是变间隙型、变面积型及螺管型三种类型的差动结构。 l234a)b)l234l34c)图4.1.5 差动式电感传感器a) 变间隙型 b) 变面积型 c) 螺管型1-线圈 2-铁芯 3-衔铁 4-导杆4.1.1.4 差动式电感传感器差动式电感传感器湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电

7、分院苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月6日湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月6日4.1.2 测量电路测量电路 差动式结构可以提高灵敏度，改善线性，所以交流电桥大多采用双臂工作形式。下图是交流电桥的几种常用形式。 湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月6日当LR时，上式

8、可近似为： 可见交流电桥的输出电压与传感器线圈电感的相对变化量成正比。 电阻平衡臂电桥如上图a所示，工作时，Z1=Z+Z和Z2=ZZ，当ZL时，电桥的输出电压为 ZZUURZZZZRRZURRRUZZZUiiii22)()(2.21211.211.2110.LLUU2.0.4.1.2.1 电阻平衡臂电桥电阻平衡臂电桥湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月6日由于Z1=Z-Z，Z2=Z+Z，故： 同理，当衔铁上移时，则有：变压器式电桥如前图b，当负载阻抗无穷大时输出电压为：

9、2112.221.20.222ZZZZUUZZZUUIZUZZUU2.0.ZZUU2.0.4.1.2.2 4.1.2.2 变压器式电桥变压器式电桥可见，输出电压反映了传感器线圈阻抗的变化，还需辩向。 湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月6日 该电桥如前图c所示。它以差动电感传感器的两个线圈作电桥工作臂，而紧耦合的两个电感作为固定臂组成电桥电路。采用这种测量电路可以消除与电感臂并联的分布电容对输出信号的影响，使电桥平衡稳定，另外简化了接地和屏蔽的问题。 4.1.2.3 紧

10、耦合电感臂电桥紧耦合电感臂电桥湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月6日电感式接近开关（金属）电感式接近开关（金属）湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月6日4.2 差动变压器差动变压器 1.1.工作原理工作原理: :互感现象互感现象EwEoutWW1W2Esx-x湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职

11、业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月6日2. 差动变压器式传感器构成 该类型的传感器主要包括有衔铁、一次绕组和二次绕组等。 一、二次绕组间的耦合能随衔铁的移动而变化，即绕组间的互感随被测位移改变而变化。由于在使用时采用两个二次绕组反向串接，以差动方式输出，所以把这种传感器称为差动变压器式电感传感器，通常简称差动变压器。湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月6日3. 等效电路等效电路 L21E2L22E22E21U1R22R21R1M

12、1M2等效电路如上图所示，输出采用差动结构，随着被测物的变化而改变。湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月6日 （3） 当衔铁向二次绕组L22一边移动时输出也不为零，但由于移动方向改变，所以输出电动势反相。因此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。 （1）当衔铁处于中间位置时，两个二次绕组互感相同，所以差动输出电动势为零。（2）当衔铁移向二次绕组一边时，输出不为零，在量程内移越大，输出就越大。湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院苏

13、州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月6日 4. 4. 差动变压器的输出特性曲线差动变压器的输出特性曲线如左图所示，其中E2的实线表示理想的输出特性，而虚线部分表示实际的输出特性。E0为零点残余电动势。 零点残余使得传感器的输出特性在零点附近不灵敏，给测量带来误差，它的大小是衡量差动变压器性能好坏的重要指标。湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月6日减小零点残余的方法：减小零点残余的方法： I. 尽

14、可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数玫磁路的对称。磁性材料要经过处理，消除内部的残余应力，使其性能均匀稳定。 II. 选用合适的测量电路，如采用相敏整流电路。既可判别衔铁移动方向双可改善输出特性，减小零点残余电动势。 . 采用补偿线路减小零点残余电动势在差动变压器二次侧串、并联适当数值的电阻电容元件，当调整这些元件时，可使零点残余电动势减小。 湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月6日4.2.2 常用测量电路常用测量电路 湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院苏

15、州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月6日移相器ABCDEFV1V2V3V4在输入信号的正半周，V1、V3导通，V2、V4截止，F点电位等于A点电位UF=UA。若衔铁位于中央，则UA=UD=UE=UF，电表指零；若衔铁上移，则UAUD，UEUF，电表正偏；若衔铁下移，则UAUF，电表反偏。在输入信号的负半周，V1、V3截止，V2、V4导通，F点电位等于D点电位UF=UD。若衔铁位于中央，则UA=UD=UE=UF，电表指零；若衔铁上移，则UAUD，UEUD，UEUF，电表反偏。2)(DAEUUU2)(CBFUUU湖州职业技

16、术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月6日 差动整流电路结构简单，一般不需要调整相位，不考虑零点残余电动势的影响，适于远距离传输。4.2.2.1 差动相敏检波电路差动相敏检波电路 相敏检波电路要求比较电压与差动变压器二次侧输出电压的频率相同，相位相同或相反。另外还要求比较电压的幅值尽可能大，一般情况下，其幅值应为信号电压的35倍。4.2.2.2 差动整流电路差动整流电路湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（

17、第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月6日4.2.3 差动变压器式传感器的应用差动变压器式传感器的应用 1. 测量位移测量位移湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月6日例：例：板厚的测量板厚的测量 湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月6日2. 测量力或压力测量力或压力例：例：张力测量张力测量湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院

18、苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月6日4.3 电涡流式传感器电涡流式传感器 它能实现非接触测量，如位移、振动、厚度、转速、应力、硬度等参数。这种传感器还可用于无损探伤。原理如下图示。 这是一种建立在这是一种建立在涡流效应涡流效应原理上的传感器原理上的传感器。湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月6日4.3.1 结构原理与特性结构原理与特性 如下图，当通过金属体的磁通变化时，就会在导如下图，当通

19、过金属体的磁通变化时，就会在导体中产生感生电流，这种电流在导体中是自行闭合的，体中产生感生电流，这种电流在导体中是自行闭合的，这就是所谓这就是所谓电涡流电涡流。电涡流的产生必然要消耗一部分。电涡流的产生必然要消耗一部分能量，从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化，这一物能量，从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化，这一物理现象称为理现象称为涡流效应涡流效应。 线圈的阻抗变化与导体线圈的阻抗变化与导体的电导率、磁导率、几何的电导率、磁导率、几何形状，线圈的几何参数，形状，线圈的几何参数，激励电流频率以及线圈到激励电流频率以及线圈到被测导体间的距离等因素被测导体间的距离等因素有关。有关。湖州职业技术学院机电分

20、院湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月6日MR1R2L2L1U1I1I2 线圈与金属导体系统的阻抗、电感都是该系统互线圈与金属导体系统的阻抗、电感都是该系统互感平方的函数。而互感是随线圈与金属导体间距离的感平方的函数。而互感是随线圈与金属导体间距离的变化而改变的变化而改变的。 其等效电路如上图所示，其等效电路如上图所示，R1、L1为传感器线圈的为传感器线圈的电阻和电感。短路环可以认为是一匝短路线圈，其电电阻和电感。短路环可以认为是一匝短路线圈，其电阻为阻为R2、电感为电感为L2。线圈与导体间存

21、在一个互感线圈与导体间存在一个互感M，它随线圈与导体间距的减小而增大。它随线圈与导体间距的减小而增大。湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月6日4.3.1.1 高频反射式电涡流传传感器高频反射式电涡流传传感器 1 1、结构：由一个固定在框架上的扁平线圈、结构：由一个固定在框架上的扁平线圈组成。组成。湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月6日 为了充分

22、有效地利用电涡流效应，对于平板为了充分有效地利用电涡流效应，对于平板型的被测体则要求被测体的半径应大于线圈半径型的被测体则要求被测体的半径应大于线圈半径的的1.81.8倍，否则灵敏度要降低。当被测物体是圆倍，否则灵敏度要降低。当被测物体是圆柱体时，被测导体直径必须为线圈直径的柱体时，被测导体直径必须为线圈直径的3.53.5倍倍以上，灵敏度才不受影响。以上，灵敏度才不受影响。2、原理、原理 电涡流传感器的线圈与被测金属导体间是磁电涡流传感器的线圈与被测金属导体间是磁性耦合，电涡流传感器是利用这种耦合程度的变性耦合，电涡流传感器是利用这种耦合程度的变化来进行测量的。因此，被测物体的物理性质，化来进

23、行测量的。因此，被测物体的物理性质，以及它的尺寸和开关都与总的测量装置特性有关。以及它的尺寸和开关都与总的测量装置特性有关。一般来说，被测物的电导率越高，传感器的灵敏一般来说，被测物的电导率越高，传感器的灵敏度也越高。度也越高。湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月6日1. 结构结构 传感器包括发射和传感器包括发射和接收线圈，并分别位于接收线圈，并分别位于被测材料上、下方。被测材料上、下方。4.3.1.2 低频透射式电涡流传感器低频透射式电涡流传感器 这种传感器采用低频激

24、励，因而有较大的贯穿这种传感器采用低频激励，因而有较大的贯穿深度，适合于测量金属材料的厚度。深度，适合于测量金属材料的厚度。2. 原理原理 由振荡器产生的由振荡器产生的e1加到发射线圈加到发射线圈L1两端。两端。湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月6日 若两线圈间无金属导体，则若两线圈间无金属导体，则L2的磁力能较多的磁力能较多穿过穿过L2，在在L2上产生的感应电压上产生的感应电压e2最大。最大。 如果在两个线圈之间设置一金属板，由于在金如果在两个线圈之间设置一金属板，

25、由于在金属板内产生电涡流，该电涡流消耗了部分能量，使属板内产生电涡流，该电涡流消耗了部分能量，使到达线圈到达线圈L2的磁力线减小，从而引起的磁力线减小，从而引起e2的下降。的下降。 线圈线圈L2的感应电压与被测厚度的增大按负幂指的感应电压与被测厚度的增大按负幂指数的规律减小，数的规律减小， 为了较好地进行厚度测量，激励为了较好地进行厚度测量，激励频率应选得较低。频率太高，贯穿深度小于被测频率应选得较低。频率太高，贯穿深度小于被测厚度，不利进行厚度测量，通常选厚度，不利进行厚度测量，通常选1kHz左右。左右。湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业

26、技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月6日 一般地，测薄金属板时，频率应略高些，测厚一般地，测薄金属板时，频率应略高些，测厚金属板时，频率应低些。如下图在测量金属板时，频率应低些。如下图在测量较小的较小的材料时，应选较低的频率（如材料时，应选较低的频率（如500500HzHz），），测量测量较较大的材料，则应选用较高的频率（如大的材料，则应选用较高的频率（如2 2kHzkHz），），从从而保证在测量不同材料时能得到较好的线性和灵而保证在测量不同材料时能得到较好的线性和灵敏度。敏度。湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院苏州工

27、业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月6日4.3.2 4.3.2 测量电路测量电路 4.3.2.1 电桥电路电桥电路 在进行测量时，由于传感器线圈的阻抗发生变化，使电桥失去平衡，将电桥不平衡造成的输出信号进行放大并检波，就可得到与被测量成正比的输出。4.3.2.2 谐振法。谐振法。 谐振法主要有调幅式电路和调频式电路两种基本形式。调幅式由于采用了石英晶体振荡器，因此稳定性较高，而调频式结构简单，便于遥测和数字显示。湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技

28、术（第二版）2022年3月6日4.4 电感式传感器的典型应用电感式传感器的典型应用 可用于测量压力、力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位等物理量。 4.4.1 位移测量位移测量 湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月6日湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月6日案例：连续油管的椭圆度测量案例：连续油管的椭圆度测量Coiled TubeEdd

29、y Sensor Reference Circle湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月6日案例：无损探伤案例：无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月6日4.4.2 振动检测振动检测 4.4.2.1 RS9300低频振动速度传感器低频振动速度传感器 其外形如右图，它是利用磁电感应原理把振动信号变换成电信号。主要

30、由磁路系统、惯性质量、弹簧阻尼等部分组成。在传感器壳体中刚性地固定着磁铁，惯性质量（线圈组件）用弹簧元件悬挂于壳体上。 工作时，将传感器安装在机器上，在机器振动时，线圈与磁铁相对运动、切割磁力线，产生感应电压，该信号正比于被测物体的振动速度值，对该信号进行积分放大处理即可得到位移信号。 湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月6日 1）特点：）特点： I. 传感器有很低的使用频率，可以适用于低转速的转动机器。 II. 相对于其它类型的振动传感器而言，RS9300传感器有较低

31、的输出阻抗，较好的信噪比。它同一般通用交流电压表或示波器配合就能工作。对输出插头和传输电缆也无特殊要求，使用方便。 III. 传感器设计中取消了有摩擦的活动元件，因此使用寿命相对很长。传感器有一定抗横向振动能力（不大于10g）。 湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院苏州工业园区职业技术学院苏州工业园区职业技术学院传感器与检测技术（第二版）传感器与检测技术（第二版）2022年3月6日2）技术指标技术指标 I. 频响范围：0.5Hz200Hz(-3dB) II. 灵敏度：8mV/m5%、 5mV/m5%、 4mV/m5% (或根据用户要求调整) III. 量程：1mm（2mm、3mm 等） IV. 线性度：2% V. 最大输出电压：8V（单峰） VI. 使用温度范围，-30-80 VII. 工作方向：H 水平型 V 垂直型 VIII. 工作电源：12VDC .安装方式： 在56的圆周角上用2个M5