第5章-电感式传感器

1、第第5章章 电感式传感器电感式传感器5.1 概述概述5.2 自感式传感器自感式传感器5.3 差动变压器式传感器差动变压器式传感器5.4 电涡流式传感器电涡流式传感器5.5 电感式传感器测量电路电感式传感器测量电路5.6 应用应用工作原理5.1概述概述电感式不圆度测量系统外形电感式不圆度测量系统外形（参考（参考洛阳汇智测控技术有限公司资料）洛阳汇智测控技术有限公司资料）旋转盘旋转盘测量头测量头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

2、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。磁阻式传感器。1.1.工作原理工作原理线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁结构：结构：线圈、铁芯和衔铁三部分线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片组成。铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫（铁镍）合金制成，在铁芯和衔或坡莫（铁镍）合金制成，在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为铁之间有气隙，气隙厚度为，传感器，传感器的运动部分与衔铁相连。的运动部分与衔铁相连。5.2 自感式（变磁阻式）传感器 气隙变小，电感变大，电流变小F F自感式传感器的工作原理演示 式中：式中：N -N -线圈匝数线圈匝数 R RM M - -磁路总

3、磁阻磁路总磁阻MRIN（磁路欧姆定律）（磁路欧姆定律）线圈自感为线圈自感为: :MMRNRINININIL2线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁000022211122SSSlSlRM 若若 很小，且不考虑磁路铁损，则磁路总磁阻为很小，且不考虑磁路铁损，则磁路总磁阻为: :铁芯磁导率远大于空气铁芯磁导率远大于空气的磁导率，因此铁芯磁的磁导率，因此铁芯磁阻远较气隙磁阻小阻远较气隙磁阻小则则线圈自感线圈自感L L为为：分类：分类：变气隙厚度变气隙厚度0的电感式传感器；的电感式传感器；变气隙面积变气隙面积S S0 0的电感式传感器；的电感式传感器；202SNL MMRNRINININIL20002 .2 .变磁

4、阻式传感器基本类型变磁阻式传感器基本类型（1）变气隙式（闭磁路）自感传感器）变气隙式（闭磁路）自感传感器MRIN l0线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁l0022lSNL设初始气隙长度为设初始气隙长度为l0，初始电感量为，初始电感量为L0，衔铁位移引起的气隙变化量为衔铁位移引起的气隙变化量为l0，则由，则由电感量表达式可知电感量表达式可知L与与l0为为非线性非线性关系，关系，特性曲线如图所示。特性曲线如图所示。变气隙式自感式传感器变气隙式自感式传感器L与与l0关系关系初始电感量为：初始电感量为：02002SNL 若衔铁下移若衔铁下移： = 0+ 2200000002()2SNSNLLLL 自感的相对变化

5、量为：自感的相对变化量为： 000011LL则电感减小，变化量为则电感减小，变化量为LL：一般一般10 ，则上式可由泰勒级数展开成级数形式为，则上式可由泰勒级数展开成级数形式为 .13020000LL忽略高次项，可得自感变化与气隙变化成忽略高次项，可得自感变化与气隙变化成近似线性关系近似线性关系： 00LL 变气隙式自感传感器的灵敏度为：变气隙式自感传感器的灵敏度为：001LLK灵敏度灵敏度K K随初始气隙的增大而减小。随初始气隙的增大而减小。因此变隙式常用于测量微小位移的场合，因此变隙式常用于测量微小位移的场合， 变气隙型电感传感器为了减小非线性误差变气隙型电感传感器为了减小非线性误差, ,

6、 实际测量中广泛实际测量中广泛采用采用差动变气隙式电感传感器差动变气隙式电感传感器，采用两个电气参数和几何尺寸完，采用两个电气参数和几何尺寸完全相同的传感线圈共用一个衔铁来构成。全相同的传感线圈共用一个衔铁来构成。 sUL1L2RoRooU122131铁芯；2线圈；3衔铁附图附图 差动变气隙型电感传感器差动变气隙型电感传感器变气隙式电感传感器位移行程很小，一般变气隙式电感传感器位移行程很小，一般 0l l=0.10.2 差动式：差动式： l=2mm， l=0.20.4mm 较大行程位移测量，常用的螺管式电感传感器较大行程位移测量，常用的螺管式电感传感器如果采用差动变隙型电感传感器，则灵敏度提高

7、一倍。如果采用差动变隙型电感传感器，则灵敏度提高一倍。 螺管型电感传感器螺管型电感传感器（2）螺管式自感（开磁路）传感器）螺管式自感（开磁路）传感器传感器工作时，衔铁在线圈中伸入长度的变化将引起螺管线圈电感传感器工作时，衔铁在线圈中伸入长度的变化将引起螺管线圈电感量的变化。量的变化。对于长螺管线圈对于长螺管线圈l lrr，当衔铁工作在螺管的中部时，可以认为线圈，当衔铁工作在螺管的中部时，可以认为线圈内磁场强度是均匀的，线圈电感量内磁场强度是均匀的，线圈电感量L L与衔铁的插入深度大致上成正比。与衔铁的插入深度大致上成正比。这种传感器结构简单，制作容易，灵敏度较低，适用这种传感器结构简单，制作容

8、易，灵敏度较低，适用于测量较大的位移量。于测量较大的位移量。rx螺管线圈螺管线圈铁芯铁芯l012(coscos)2BWIl12, 载流螺线管在轴线上任一点载流螺线管在轴线上任一点P（P点位移为点位移为x）处产生的磁场，根）处产生的磁场，根据图和据图和毕奥毕奥沙伐尔沙伐尔拉普拉斯定律拉普拉斯定律(简称毕简称毕沙拉拉定律)可得可得式中，式中，l螺管长；螺管长；W线圈总匝数；线圈总匝数；I线圈电流强度；线圈电流强度；P P点至两端点连线与轴线的夹角点至两端点连线与轴线的夹角；122cosxxr222cos()lxlxr ；r螺管内径。螺管内径。 假设假设 , 则可认为则可认为B值沿径向均匀分布，且沿

9、轴向值沿径向均匀分布，且沿轴向B随随x变化，这变化，这样，当样，当P点位于轴线上不同位置时，其点位于轴线上不同位置时，其B值也不同，为计算方便，取其值也不同，为计算方便，取其平均值，即平均值，即rl22001220011coscos()2llCPWIWIBBdxdxrlrllll当线圈空心时，其当线圈空心时，其电感值电感值为为22222002()C PW BrWrWLrlrIIIl当当rl，上式可近似为，上式可近似为2200WrLl222202()mcFecccWrLrlrl 2222222002()()FecmcccWLLLrrlrrrlrlrlccrl22202()cm cWLr lrll

10、当半径为当半径为rc，磁导率为，磁导率为m的铁心插入螺管线圈时，的铁心插入螺管线圈时，插入部分的磁阻下降，插入部分的磁阻下降，磁感应强度磁感应强度B值增大，从而使电感值增加值增大，从而使电感值增加。根据以上求法可以求得当运动铁心插入线圈内长度为根据以上求法可以求得当运动铁心插入线圈内长度为lc时，电感值为时，电感值为此时，螺管内电感总量为此时，螺管内电感总量为当当 , ,，上式可近似为，上式可近似为 当传感器的结构和材料确定以后，式中只有当传感器的结构和材料确定以后，式中只有lc为变量，即为变量，即L=f(lc)，（近似线性关系）所以当铁心随外作用产生不同（近似线性关系）所以当铁心随外作用产生

11、不同lc时，就有相应的电感时，就有相应的电感值值L。2222002()WrLrlrl因此，线圈空心时，其电感值为因此，线圈空心时，其电感值为 由螺管型单极式自感传感器的工作原理可知，由于由螺管型单极式自感传感器的工作原理可知，由于线圈线圈电流电流的存在，运动铁心受到单向电磁力的作用，而且线圈电的存在，运动铁心受到单向电磁力的作用，而且线圈电感量易受电源电压和频率及温度变化等因素的影响，测量精感量易受电源电压和频率及温度变化等因素的影响，测量精度较低。因此，为了度较低。因此，为了改善灵敏度及线性度，提高测量精度改善灵敏度及线性度，提高测量精度，常采用差动技术以改善其性能，由两个单一结构的对称组合

12、常采用差动技术以改善其性能，由两个单一结构的对称组合就构成了螺管型差动式自感传感器。就构成了螺管型差动式自感传感器。 螺线管差动式自感传感器螺线管差动式自感传感器螺管型差动式自感传感器由于由于组合的两个螺线管是对称的组合的两个螺线管是对称的，设初始时铁心位于中央位置，因此设初始时铁心位于中央位置，因此铁心两边的初始电感是相等的，为铁心两边的初始电感是相等的，为222010202()cm cWLLLr lrll当铁心由中间位置当铁心由中间位置向右移动向右移动l lc c后，将使后，将使右边电感增加而左边电感减少右边电感增加而左边电感减少，即它们的，即它们的电感值分别为电感值分别为 222012(

13、)cmccWLr lrlll 222022()cmccWLr lrlll 螺管型差动式自感传感器可以推导，每边的可以推导，每边的灵敏度灵敏度：因此，要使初始电感因此，要使初始电感L10和和L20 增大，必使增大，必使lc和和rc增增大，但从灵敏度来看，大，但从灵敏度来看，lc的增大又使灵敏度降低，的增大又使灵敏度降低，两者是矛盾的，综合考虑通常取两者是矛盾的，综合考虑通常取lc=l/2。 222010202()cm cWLLLr lrllK=(L0-L1)/l/cKL l0(5.8)5.3 5.3 互感式互感式( (变压器式变压器式) )传感器传感器 应用最多的是螺线管式互感传感器应用最多的是

14、螺线管式互感传感器, 它可以测量它可以测量1100mm范范围内的机械位移。围内的机械位移。 互感式传感器：互感式传感器：把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化的把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化的传感器。该传感器工作原理很象变压器的工作原理，次级绕组传感器。该传感器工作原理很象变压器的工作原理，次级绕组采用差动形式连接采用差动形式连接, 故又称故又称变压器式传感器变压器式传感器。 结构形式：结构形式：1 1 初级线圈初级线圈;2.3;2.3次级线圈次级线圈;4;4衔铁衔铁4123螺管型螺管型 基本元件有衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈框架等。初级线圈作为差动变压器激励用，相当于变压器的原边，

15、而次级线圈由结构尺寸和参数相同的两个线圈反相串接而成，相当于变压器的副边。两个次级绕组反向串联，在忽略铁损、导磁体磁阻和绕组分布电容的理想条件下，螺管型互感式传感器等效电路如图所示。根据互感知识，输出电压：根据互感知识，输出电压：222abUEE12222,0abMMEEU衔铁处于中间位置衔铁处于中间位置衔铁左移衔铁左移衔铁右移衔铁右移12222,0abMMEEU12222,0abMMEEU即随着衔铁即随着衔铁偏离中心位置的偏离中心位置的xx变变化，互感式传感器的化，互感式传感器的输出电压输出电压也将也将发生变化。发生变化。 理想情况下当铁心位于中心平衡理想情况下当铁心位于中心平衡位置时，差动

16、变压器输出电压应为零，位置时，差动变压器输出电压应为零，但实际上存在有零点残余电压但实际上存在有零点残余电压 U U0 0，必须必须设法减小。设法减小。根据电磁感应定律，次级绕组中感应电动势的表达式分别为根据电磁感应定律，次级绕组中感应电动势的表达式分别为 1111jUIrL当次级开路时当次级开路时112IMjEa122IMjEb在两个次级绕组反向串联和次级开路的条件下在两个次级绕组反向串联和次级开路的条件下11121222)(LjrUMMjEEUba12122211()()MMUUrL输出电压的有效值输出电压的有效值 注意问题：(2)(2)线性度线性度一般差动变压器的线性范围约为线圈骨架长度

17、的一般差动变压器的线性范围约为线圈骨架长度的1/101/4。(3)(3)温度特性温度特性差动变压器的使用温度通常为差动变压器的使用温度通常为8080（1 1）应用时激磁频率一般在）应用时激磁频率一般在400Hz400Hz到到5kHz5kHz的范围内选择的范围内选择 。 随着频率的变化，实际上不只是灵敏度而且线性度也要受到影响。如果希望有良好的线性度，对某一激磁频率，必须相应选择适的铁芯长度。v根据法拉第电磁感应原理，成块的金属置于变化的磁场中，或者在磁场中作切割磁力线运动时，金属导体内就要产生呈涡旋状的感应电流，感应电流的流线在金属导体内是闭合的，所以称为电涡流，这种现象称为电涡流效应。根据电

18、涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。 5.4 电涡流式传感器电涡流式传感器目前生产的变间隙位移传感器，量程范围为300800mm。电磁炉的工作原理电磁炉的工作原理 高频电流通过励高频电流通过励磁线圈，产生交变磁磁线圈，产生交变磁场，在铁质锅底会产场，在铁质锅底会产生无数的电涡流，使生无数的电涡流，使锅底发热，烧开锅锅底发热，烧开锅 内内 食食 物。物。电磁炉内部的励磁线圈电磁炉内部的励磁线圈v电涡流传感器结构很简单，由传感器线圈和被测金属导体两部分组成。 高频电流线圈靠近被测金属，线圈上的高频电流所产生的高频电磁场在金属表面上产生电涡流。线圈通入交变电流I1，在线圈的周围产生交变的磁场H1

19、位于该磁场中的金属导体上产生感应电动势并形成涡流I2涡流I2也产生相应的磁场H2，H2与H1方向相反H H2 2的作用的作用引起线圈等效阻抗、等效电感和品质因素等发生相应的变引起线圈等效阻抗、等效电感和品质因素等发生相应的变化。化。 电涡流传感器原理图电涡流传感器原理图3.3.1 3.3.1 工作原理工作原理v其中，传感器线圈受电涡流效应时等效阻抗Z的函数关系式为Z=F (,r,f,x)，线圈等效阻抗的变化反映了金属导体的涡流效应。 如果保持上式中其它参数不变，只改变其中一个参数，传感器线圈阻抗Z就仅仅是这个参数的单值函数。通过与传感器配用的转换电路测出阻抗Z的变化量，即可实现对该参数的测量，

20、从而构成测量该参数的传感器。v常用的常用的电涡流测距传感器，电涡流测距传感器，即是在即是在（金属电阻率），（金属电阻率），（金属磁导率），（金属磁导率），r（金属厚度），（金属厚度），I（励磁电流），（励磁电流），f（励（励磁频率）恒定不变时，阻抗仅是距离磁频率）恒定不变时，阻抗仅是距离x的单值函数。的单值函数。R1、L1为传感器线圈的电阻和电感；为传感器线圈的电阻和电感；短路线圈电阻为短路线圈电阻为R2、电感为、电感为L2；由于传感器线圈与金属导体之间存在磁性联系，故它们间存在互感由于传感器线圈与金属导体之间存在磁性联系，故它们间存在互感M，互感随线圈与金属导体间距离的减小而增大。互感随线圈

21、与金属导体间距离的减小而增大。11传感器线圈；传感器线圈；22电涡流短路线电涡流短路线圈圈 电涡流式传感器等效电路电涡流式传感器等效电路 简化模型及等效电路简化模型及等效电路根据等效电路可列出电路方程组：根据等效电路可列出电路方程组： 解方程组，可得线圈复阻抗：解方程组，可得线圈复阻抗： 线圈的等效电感：线圈的等效电感：22222221)( LRMLLL等),(xffZ111121222210R IjL IjM IUR IjL IjM I因此，电涡流传感器的工作原理，因此，电涡流传感器的工作原理，实际上是由于受到交变磁场实际上是由于受到交变磁场作用的导体产生的电涡流起到调整线圈原来阻抗作用的结

22、果。作用的导体产生的电涡流起到调整线圈原来阻抗作用的结果。为同时研究阻抗实、虚两部分，常用品质因数为同时研究阻抗实、虚两部分，常用品质因数Q来表示。来表示。222211212eqeq222222221()()UMMZRRjLLRj LRLRLI110LjRZ222222221RLRMRReq222222221LLRMLLeq可见：因涡流效应，等效阻抗Z的实部增大，虚部减少，即等效的品质因素Q减小。说明电涡流将消耗电能，在导体上产生热量。品质因素：线圈质量参数Q=L/R，Q越大线圈损耗越小，反之损耗越大2222222122222221.)()(LLRMLjRLRMRIUZ111 5.5 电感式传

23、感器的测量电路电感式传感器的测量电路 电感式传感器实现了把被测量的变化为电感量的变化。电感式传感器实现了把被测量的变化为电感量的变化。为了测出电感量的变化，就要用转换电路把电感量的变化转为了测出电感量的变化，就要用转换电路把电感量的变化转换成电压（或电流）的变化。换成电压（或电流）的变化。1.电感式传感器的测量电路（1）脉冲调宽式测量电路（参见第4章电容式传感器）（2）交流电桥电路）交流电桥电路2.差动变压器式传感器的测量电路 （3）精密）精密2极管检波电路极管检波电路3.电涡流式传感器的测量电路 （4）调频式（参见第4章电容式传感器） （5）调幅式）调幅式图中图中B B点的电压为点的电压为：

24、2BEU 212AZUEZZ图中图中A A点的电压为点的电压为：输出电压：输出电压：201212ABZUUUEZZ讨论：讨论：（1 1）当铁芯处于中间位置时，）当铁芯处于中间位置时，Z Z1 1=Z=Z2 2=Z=Z，这时，这时U U0 0=0,=0,电桥平衡；电桥平衡；（2 2）当铁芯向下移动时，下面线圈的阻抗增加，）当铁芯向下移动时，下面线圈的阻抗增加，Z Z2 2=Z+Z=Z+Z，上面线圈的阻，上面线圈的阻抗减小，抗减小，Z Z1 1=Z-Z=Z-Z得：得：12222SOSRjLZZZEUEEZZRj L （2）交流电桥电路）交流电桥电路（3 3）当铁芯向上移动同样大小的距离时，）当铁芯

25、向上移动同样大小的距离时，Z Z2 2=Z-Z, Z=Z-Z, Z1 1=Z+Z=Z+Z，得：，得： 01222ZZEZUEZZ 幅值为：幅值为：222222222SOSSLRLUEERLRL 输出电压幅值为输出电压幅值为:ELRLUsO222（2 2）、（）、（3 3）两种情况的输出电压大小相等，方向相反，由于）两种情况的输出电压大小相等，方向相反，由于E E是交流电是交流电压，难以区分，所以输出电压压，难以区分，所以输出电压U U0 0在输入到指示器前必须先进行整流、滤在输入到指示器前必须先进行整流、滤波。波。 当当L Rs时，时，U0= 浮 子铁 芯液 罐 衔铁中间位置衔铁中间位置21L

26、L 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：无论是正半周还是负半周，结论：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，衔铁上移时，UGUH。通过相敏检波电路输出电压的通过相敏检波电路输出电压的正负可判断衔铁位移的方向。正负可判断衔铁位移的方向。相敏检波电路输出电压的大小和正负判断衔铁位移的大小和方向。相敏检波电路输出电压的大小和正负判断衔铁位移的大小和方向。 （3）精密）精密2极管检波电路极管检波电路v课本107页 图5.19由精密整流电路，滤波器和加法器组成。当当vi 0时，运放的输出电压时，运放的输出电压Vo为负，二极管为负，二极管D2截止，截止，D1导通，输出电压导通，输