第4章--电感传感器

1、第第4 4章章 电感式传感器电感式传感器位移、振动、压位移、振动、压力、应变、流量、力、应变、流量、力、力矩、重量、力、力矩、重量、密度等密度等被测非电量被测非电量电感变换电感变换元件元件电感变化量电感变化量D DL L、D DM M被测被测电路电路可用电量可用电量U, I, fU, I, f电感式传感器电感式传感器电感式传感器电感式传感器- -实例实例电感式传感器电感式传感器- -实例实例 电感式传感器的工作基础电感式传感器的工作基础：电磁感应电磁感应即利用线圈自感或互感的改变来实现非电量测量即利用线圈自感或互感的改变来实现非电量测量电感式传感器电感式传感器- -工作原理工作原理电感式传感器

2、的分类电感式传感器的分类电感式传感器电感式传感器电涡流式传感器电涡流式传感器互感式传感器互感式传感器自感式传感器自感式传感器线圈中电感：线圈中电感：INIL传感器结构：传感器结构：线圈、铁芯和衔铁三部分。线圈、铁芯和衔铁三部分。铁芯和衔铁由导磁材料制成铁芯和衔铁由导磁材料制成在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为传感器的运动部分与衔铁相连。传感器的运动部分与衔铁相连。4.1 4.1 变磁阻感变磁阻感式传感器式传感器4.1.14.1.1工作工作原理原理衔铁衔铁铁芯铁芯线圈线圈MMRNLRININL2;ARRM02AR02RRRFM222111AlAlRFFRR220

3、2NANLR4.1.14.1.1工作工作原理原理8 8 20NALl4.1.14.1.1工作工作原理原理式式2202NANLR线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁衔铁移动方向衔铁移动方向4.1.14.1.1工作工作原理原理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 1. 1. 当当衔铁上移衔铁上移时，传感器气隙时，传感器气隙为为=0-0-，则输出电感变化量为：，则输出电感变化量为：22000002()2NANALLLD D4.1.2 4.1.2 输出特性输出特性.)(1 20000DDDDLLDDDD00000200022)11(2ANANL

4、.)1 (11000000DDDDDLLL2. 2. 当当衔衔铁下移铁下移时，传感器气隙为时，传感器气隙为=0 0+ +，则输，则输出电感变化量为出电感变化量为：4.1.2 4.1.2 输出特性输出特性.)()(1 3020000DDDDDLL00200202)(2ANANLLLDDDDDD00000200022)11(2ANANL.)(1 1120000000DDDDDDLLL传传 感 器 气感 器 气 隙 变 化 量隙 变 化 量 很 小 ， 且很 小 ， 且0 0 4.1.2 4.1.2 输出特性输出特性00DDLL0D.)(1 1120000000DDDDDDLLL可忽略可忽略总结总结

5、1. 1. 当衔铁上移当衔铁上移时时2. 2. 当衔铁下移当衔铁下移时时.)(1 1120000000DDDDDDLLL传传 感 器 气感 器 气 隙 变 化 量隙 变 化 量 很 小 ， 且很 小 ， 且0 0 4.1.2 4.1.2 输出特性输出特性D可忽略可忽略DDDD00000200022)11(2ANANLDDD0000LLDDD001/ LLK电感灵敏电感灵敏度度K K 电感灵敏度电感灵敏度 0001/DDDDLLKDD0/ LLK00011/DDDLLK1.1.气隙气隙 与灵敏度与灵敏度K KD忽略高次项忽略高次项线性处理线性处理%1000DLe非线性误差非线性误差 4.1.2

6、4.1.2 输出特性输出特性2.2.气隙气隙 与线性度与线性度D传传感器气感器气隙变化量隙变化量很小，很小，RR，则有，则有ZZ1 1+Z+Z2 2j(Lj(L1 1+L+L2 2) )电桥输出电压为电桥输出电压为如为变气隙结构，则可写为如为变气隙结构，则可写为02DUUo输出电压与输出电压与成正比。成正比。4.1.3 4.1.3 测测量电路量电路1.1.交流电交流电桥桥2oULULD曲线曲线1 1、2 2为两线圈各自电感特性为两线圈各自电感特性；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

7、衔铁向上移动若设衔铁向上移动为负，则为负，则U U0 0为负；衔铁向下移动为负；衔铁向下移动为正，则为正，则U U0 0为为正，相位差正，相位差180180。曲曲线线3 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；U U0 0- 02DUUo电桥两桥臂分别为传感器两线圈的阻抗，电桥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另外两桥臂分别为电源变压器的两次级线圈，线圈，其阻抗为次级线圈总阻抗的一半其阻抗为次级线圈总阻抗的一半。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衔铁测量时被测件与传感器衔铁相连，当衔铁处于中间位置，相连，当衔铁处于中间位置

8、，即即Z Z1 1=Z=Z2 2=Z=Z时电桥输出电压为时电桥输出电压为零，电桥平衡。零，电桥平衡。 Z Z1 1Z Z2 2I IA AB BC CD D 0U2U2UoU2212112212UZZZZUUZZZUUUBAo当负载阻抗为无穷大时，桥路输出电压当负载阻抗为无穷大时，桥路输出电压为为 4.1.3 4.1.3 测测量电路量电路当传感器衔铁上移时，当传感器衔铁上移时，Z Z1 1=Z+Z=Z+Z，Z Z2 2=Z-Z=Z-Z，若线圈的，若线圈的Q Q值很高，损耗电阻值很高，损耗电阻可忽略，则可忽略，则桥路输出电压为桥路输出电压为 2 2、变压器式交流电桥、变压器式交流电桥当衔铁上下移

9、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。 Z Z1 1Z Z2 2I IA AB BC CD D 0U2U2UoU2222112ULLUZZUZZZZUoDD2222112ULLUZZUZZZZUoDD当传感器衔铁下移时，当传感器衔铁下移时，Z Z1 1=Z-Z=Z-Z，Z Z2 2=Z+Z=Z+Z，桥路输出电压为桥路输出电压为 4.1.3 4.1.3 测测量电路量电路2727Z Z1 1Z Z2 2I IA AB BC CD D 0U2U2UoU

10、A A）电桥电路）电桥电路B B）输出特性）输出特性两类谐振式测量电路：两类谐振式测量电路：谐振式调幅电路；谐振式调频电路谐振式调幅电路；谐振式调频电路（1 1）谐振式调幅电路）谐振式调幅电路传感器电感传感器电感L L与电容与电容C C、 变压器原边串联在变压器原边串联在一起，接入交流电源，变压器副边输出电压，一起，接入交流电源，变压器副边输出电压，电压的频率与电源频率相同，而幅值随着电感电压的频率与电源频率相同，而幅值随着电感L L而变化。而变化。输出电压与电感的关系曲线中输出电压与电感的关系曲线中L L0 0为谐振点为谐振点的电感值的电感值，电路灵敏度很高，电路灵敏度很高， 但线性差，适用

11、但线性差，适用于线性度要求不高的场合。于线性度要求不高的场合。3 3、谐振式测量电路、谐振式测量电路4.1.3 4.1.3 测测量电路量电路（2 2）谐振式调频电路）谐振式调频电路调频电路的基本原理：调频电路的基本原理：传感器电感传感器电感L L的变的变化引起输出电压频率的变化。化引起输出电压频率的变化。通常传感器电感通常传感器电感L L和电容和电容C C接入一个振荡回接入一个振荡回路中，其振荡频率为路中，其振荡频率为当当L L变化时，振荡频率随之变化，根变化时，振荡频率随之变化，根据据频率频率的大小即可测出被测量的值。的大小即可测出被测量的值。振荡频率振荡频率与与电感变化之间电感变化之间具有

12、严重的具有严重的非线性关系。非线性关系。 LCf213 3、谐振式测量电路、谐振式测量电路4.1.3 4.1.3 测测量电路量电路4.1.4 4.1.4 变磁阻电感式传感器的应用变磁阻电感式传感器的应用4.1.4 4.1.4 变磁阻电感式传感器的应用变磁阻电感式传感器的应用 线圈线圈1为为原边线圈原边线圈线圈线圈2为为副边线圈副边线圈由变压器原理可知：由变压器原理可知： 当当原边原边通过通过交变电流交变电流 i1时，在磁通全回路上的时，在磁通全回路上的磁通磁通存在存在交变变化交变变化在在副边副边上可感生的上可感生的感应电势感应电势E21为：为： 互互感式传感器工作原理与结构感式传感器工作原理与

13、结构4.2 差动变压器电感式传感器1121IMjE4.2 差动变压器电感式传感器互感式传感器：互感式传感器：被测的非电量变被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器。化转换为线圈互感变化的传感器。M基本结构：主要包括有衔铁、初级绕基本结构：主要包括有衔铁、初级绕组、次级绕组和线圈框架等。次级绕组、次级绕组和线圈框架等。次级绕组用差动形式连接，也差动变压器式组用差动形式连接，也差动变压器式传感器传感器。工工作原理类似于变压器。初、次作原理类似于变压器。初、次级绕组的耦合能随衔铁的移动而级绕组的耦合能随衔铁的移动而变化，即变化，即绕组间的互感随被测位绕组间的互感随被测位移的改变而变化。移的改变而变

14、化。1 1、工作原、工作原理理当被测体没有位移当被测体没有位移时，衔时，衔铁处于铁处于初始平衡位置初始平衡位置，与两个铁芯的，与两个铁芯的间间隙相等隙相等，则两绕组的互感相等，则两个次级绕组的互感电势相等。，则两绕组的互感相等，则两个次级绕组的互感电势相等。因次级绕组反相串联，差动变压器因次级绕组反相串联，差动变压器输出电压为零输出电压为零。 N N1a1aN N1b1bN N2a2aN N2b2b在在A A、B B两个铁芯上绕两个铁芯上绕有有两个初级绕组两个初级绕组N N1a1a=N=N1b1b=N=N1 1两个次级绕组两个次级绕组N N2a2a=N=N2b2b=N=N2 2。两两个个初级初

15、级绕组的同名端绕组的同名端顺向顺向串联，串联， 两两个个次级次级绕组的同名端则绕组的同名端则反向反向串联。串联。 0,2121SCUUUMM4.2.1 4.2.1 变气隙式变压器变气隙式变压器输出电压的大小与相输出电压的大小与相位位反映反映出位出位移的大小和方向。移的大小和方向。当被测体有位移时当被测体有位移时衔铁衔铁的位置发生变化的位置发生变化，两次，两次级绕组的级绕组的互感电势不相互感电势不相等等，即差动变压器有，即差动变压器有电电压输出压输出。上移时：上移时：N N1a1aN N1b1bN N2a2aN N2b2bbabaMM baee22.2.2.0baeeUU U0 000babaM

16、M baee22.2.2.0baeeUU U0 00UU6868，U U2 200；衔铁下移时，衔铁下移时，U U2424UU6868，U U2 20 0 。U U2 2的正负表示衔铁位移方向的正负表示衔铁位移方向; ;U U2 2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电不需要考虑相位调整和零点残余电压的影响压的影响, , 分布电容影响小和便于远距离传输等优点，因而获得广泛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。应用。2 2、全波电压输出差动整流电路、全波电压输出差动

17、整流电路一、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：涡流式传感器的基本原理：利用金属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

18、数。一个参数。4.3 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 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R R2 2、电感为、电感为L L2 2。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合的线圈。线圈与导体间存

19、在一个互感合的线圈。线圈与导体间存在一个互感M 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4.3 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 4.3 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、等效阻抗与品质因

20、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 Q： L L2 2, R, R2 2, L, L1 1, R, R1 1, , , M, MR Reqeq、L Leqeq、Q Q是是M M2 2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电涡流式传感器可分为高频反射高频反射式式和和低频透射式低频透射式两类

21、。两类。4.3 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 Q值和等值和等效阻抗效阻抗Z Z降低。当被测体与传感器间距降低。当被测体与传感器间距离改变时，传感器的离改变时，传感器的Q Q和和Z Z、电感、电感L L均发均发生变化，位移量转换成电量。生变化

22、，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4.3 电涡流式传感器 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 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 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

23、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

24、器的电感变化，导致振荡频率的变化。的变化。4.3 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。 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 L、电、电容器容器C 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f fo o，回路呈现的阻抗最大，谐振回路

25、，回路呈现的阻抗最大，谐振回路上的输出电压也最大；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 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 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。4.3 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f f0 0稳定的激励电流稳定的激励电流i io o，LCLC回路的阻抗为回路的阻抗为Z Z时输时输出电压出电压载有交变电流的线圈产载有交变电流的

26、线圈产生交变磁场生交变磁场H Hp p，金属物平，金属物平面感应出电涡流，产生交面感应出电涡流，产生交变涡流磁场变涡流磁场H Hs s ，均在检，均在检测线圈（反向差动线圈）测线圈（反向差动线圈）中产生感应电动势。中产生感应电动势。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 被测金属物上无缺被测金属物上无缺陷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4.4 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 被测金属物上有缺被测金属物上有缺陷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