第4章 电感式传感器

1、传感器原理及应用第四章电感式传感器光电工程学院光电工程学院 20122012年年 利用电磁感应原理将被测非电量如位移、压力、流量、振利用电磁感应原理将被测非电量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈自感系数动等转换成线圈自感系数L L或互感系数或互感系数MM的变化，再由测量的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出，这种装置称为电感电路转换为电压或电流的变化量输出，这种装置称为电感式传感器。式传感器。 电感式传感器具有结构简单，工作可靠，测量精度高，电感式传感器具有结构简单，工作可靠，测量精度高，零点稳定，输出功率较大等优点。其缺点是灵敏度、线性零点稳定，输出功率较大等优点。其缺点是灵敏度

2、、线性度和测量范围相互制约，传感器自身频率响应低，不适用度和测量范围相互制约，传感器自身频率响应低，不适用于快速动态测量。这种传感器能实现信息的远距离传输、于快速动态测量。这种传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制，在工业自动控制系统中被广泛采用。记录、显示和控制，在工业自动控制系统中被广泛采用。 电感式传感器的种类很多，主要分为自感式、互感式和电感式传感器的种类很多，主要分为自感式、互感式和电涡流式三大类。电涡流式三大类。 4-1自感式传感器11激励线圈；激励线圈；22铁心；铁心；33衔铁衔铁变气隙长度型变气隙长度型 变气隙截面积型变气隙截面积型 根据磁路知识，线圈的自感可按下式计算

3、根据磁路知识，线圈的自感可按下式计算式中：式中：N N 线圈的匝数；线圈的匝数； RmRm磁路的总磁阻，即铁芯、衔铁和气隙三部分磁磁路的总磁阻，即铁芯、衔铁和气隙三部分磁路磁阻之和。路磁阻之和。式中：式中：l l1 1、l l2 2、分别为铁芯、衔铁和气隙的长度；分别为铁芯、衔铁和气隙的长度； S S1 1、S S2 2、S S0 0分别为铁芯、衔铁和气隙的截面积；分别为铁芯、衔铁和气隙的截面积； 1 1、 2 2、 0 0分别为铁芯、衔铁和气隙的导磁率分别为铁芯、衔铁和气隙的导磁率。 m2RNL 00222111mimSSlSlRR 实际上由于铁芯一般工作于非饱和状态，此时铁芯的导磁实际上由

4、于铁芯一般工作于非饱和状态，此时铁芯的导磁率远远大于空气的导磁率，因而磁路的总磁阻主要由气隙长度率远远大于空气的导磁率，因而磁路的总磁阻主要由气隙长度决定决定 。如，电工纯铁：如，电工纯铁：2X102X104 4、硅钢：、硅钢：8X108X103 3、玻莫合金：、玻莫合金：1X101X105 5。通过移动衔铁的位置，即可改变气隙的长度或截面积，从通过移动衔铁的位置，即可改变气隙的长度或截面积，从而引起线圈自感的变化。使用最广泛的是变气隙厚度而引起线圈自感的变化。使用最广泛的是变气隙厚度 式电感式电感传感器。传感器。 00mSR 002S2NL m2RNL 分析：分析：当衔铁处于初始位置时，当衔

5、铁处于初始位置时，初始电感量为：初始电感量为：当衔铁上移当衔铁上移时时, , 传感器传感器气隙减小气隙减小, , 即即=0 0-, -, 则此则此时输出电感为时输出电感为L = LL = L0 0+L+L00020S2NL 00000201L)(2SNLLL 当当 / / 0 01ee。调节电位器调节电位器R R可调平衡，图中电阻可调平衡，图中电阻R R1 1=R=R2 2=R=R0 0，电容电容C C1 1=C=C2 2=C=C0 0，输出电压为输出电压为U UCDCD。当铁芯在中间时当铁芯在中间时,e=0,e=0,只有只有e er r起作用，输出电压起作用，输出电压U UCDCD0 0。若

6、铁芯上若铁芯上移，移，e0e0，设，设e e和和er er同相位，由于同相位，由于er eree，故，故er er正正半周时半周时D D1 1、D D2 2仍仍导通，但导通，但D D1 1回路内总电势为回路内总电势为er ere e，而，而D D2 2回路内总电势为回路内总电势为e er re e，故回路电流故回路电流i i1 1i i2 2输出电压输出电压U UCDCD=R=R0 0（i i1 1ii2 2）00。当。当e er r负半周时，负半周时，e21e22R1R2C2C1Ri1e1er移相器D1D4D3D2CDABi3i2i4e U UCDCD=R=R0 0(i (i4 4-i -i

7、3 3)0)0，因此因此铁 芯 上 移 时 输 出 电 压铁 芯 上 移 时 输 出 电 压U UCDCD00。当铁芯下移时，当铁芯下移时，e e和和e er r相位相反。同理可得相位相反。同理可得U UCDCD00。由此可见，该电路能判别由此可见，该电路能判别铁芯移动的方向。铁芯移动的方向。 五、应用五、应用测量振动、厚度、应变、压力、加速度等各种物理量。测量振动、厚度、应变、压力、加速度等各种物理量。1. 1. 差动变压器式加速度传感器差动变压器式加速度传感器 用于测定振动物体的频率和振幅时其激磁频率必须是振动用于测定振动物体的频率和振幅时其激磁频率必须是振动频率的十倍以上，才能得到精确的

8、测量结果。可测量的振幅为频率的十倍以上，才能得到精确的测量结果。可测量的振幅为(0.1(0.15)mm5)mm，振动频率为振动频率为(0 (0150)Hz150)Hz。 稳压电源振荡器检波器滤波器(b)(a)220V加速度加速度a a方向方向a输出1211 1 弹性支承弹性支承 2 2 差动变压器差动变压器2. 2. 微压力变送器微压力变送器将差动变压器和弹性敏感元件（膜片、膜盒和弹簧管等）相结合，将差动变压器和弹性敏感元件（膜片、膜盒和弹簧管等）相结合，可以组成各种形式的压力传感器。可以组成各种形式的压力传感器。220V1 1接头接头 2 2 膜盒膜盒 3 3 底座底座 4 4 线路板线路板

9、 5 5 差动变压器差动变压器 6 6 衔铁衔铁 7 7 罩壳罩壳V振荡器稳压电源差动变压器相敏检波电路1234567这种变送器可分档测量这种变送器可分档测量(5(510105 56 610105 5)N/m)N/m2 2压力，输出信号电压力，输出信号电压为压为(0 (050)mV50)mV，精度为精度为1.51.5级。级。 当导体置于交变磁场或在磁场中运动时，导体上引起感生电当导体置于交变磁场或在磁场中运动时，导体上引起感生电流流i ie e，此电流在导体内闭合，称为涡流。涡流大小与导体电阻此电流在导体内闭合，称为涡流。涡流大小与导体电阻率率 、磁导率磁导率 以及产生交变磁场的线圈与被测体之

10、间距离以及产生交变磁场的线圈与被测体之间距离x x，线圈激励电流的频率线圈激励电流的频率f f有关。显然磁场变化频率愈高，涡流的有关。显然磁场变化频率愈高，涡流的集肤效应集肤效应愈显著。即涡流穿透深度愈小，其穿透深度愈显著。即涡流穿透深度愈小，其穿透深度h h可表示可表示 导体电阻率导体电阻率(cm)(cm)； r r导体相对磁导率；导体相对磁导率； f f交变磁场频率交变磁场频率(Hz)(Hz)。可见，涡流穿透深度可见，涡流穿透深度h h和激励电流频率和激励电流频率f f有关，所以涡流传感器有关，所以涡流传感器根据激励频率：高频反射式或低频透射式两类。根据激励频率：高频反射式或低频透射式两类

11、。 目前高频反射式电涡流传感器应用广泛。目前高频反射式电涡流传感器应用广泛。 ffhr 5030 4-3电涡流式传感器电涡流式传感器一、一、 结构和工作原理结构和工作原理 主要由一个安置在框架上的扁平圆形线圈构成。此线圈主要由一个安置在框架上的扁平圆形线圈构成。此线圈可以粘贴于框架上，或在框架上开一条槽沟，将导线绕在槽可以粘贴于框架上，或在框架上开一条槽沟，将导线绕在槽内。下图为内。下图为CZF1CZF1型涡流传感器的结构原理，它采取将导线绕型涡流传感器的结构原理，它采取将导线绕在聚四氟乙烯框架窄槽内，形成线圈的结构方式。在聚四氟乙烯框架窄槽内，形成线圈的结构方式。 1234561 1 线圈线

12、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iedM电涡流传感器原理图电涡流传感器原理图 传感器线圈由高频信号激励，使它产生一个高频交变磁场传感器线圈由高频信号激励，使它产生一个高频交变磁场i i，当被测导体靠近线圈时，在磁场作用范围的导体表层，产当被测导体靠近线圈时，在磁场作用范围的导体表层，产生了与此磁场相交链的电涡流生了与此磁场相交链的电涡流ie ie，而此电涡流又将产生一交变而此电涡流又将产生一交变磁场磁场ee阻碍外磁场的变化。从能量角度来看，在被测导体内存阻碍外磁场的变化。从能量角度来看，在被测导体内存在着电涡流损耗（当频率较高时，忽略磁

13、损耗）。能量损耗使在着电涡流损耗（当频率较高时，忽略磁损耗）。能量损耗使传感器的传感器的Q Q值和等效阻抗值和等效阻抗Z Z降低，因此当被测体与传感器间的降低，因此当被测体与传感器间的距离距离d d改变时，传感器的改变时，传感器的Q Q值和等效阻抗值和等效阻抗Z Z、电感电感L L均发生变化，均发生变化，于是把位移量转换成电量。这便是电涡流传感器的基本原理。于是把位移量转换成电量。这便是电涡流传感器的基本原理。 二、等效电路被 测 导 体线 圈图 4.3.1 电 涡 流 传 感 器 原 理 图H1H2HMR1R2L2L1图 4.3.2 电 涡 流 传 感 器 等 效 电 路 图U1I1I1I2

14、I2E EIMjILjIRIMjILjIR21111122220 22222221222222211)()(LLRMLjRLRMRIEZ 22222221)( LRMLLL 线圈与金属导体系统的阻抗、电感都是该系统互感平方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变化而改变的。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。电涡流强度与距离的关系电涡流强度与距离的关系电涡流的径向形成范围电涡流的径向形成范围ffhr 5030 22121asrxxII电涡流的轴向分布电涡流的轴向分布CZF-1CZF-1系列传感器的性能系列传感器的性能 采取将导

15、线绕在聚四氟乙烯框架窄槽内，形成线圈的结构方式。采取将导线绕在聚四氟乙烯框架窄槽内，形成线圈的结构方式。低频透射式工作原理低频透射式工作原理检测范围可达检测范围可达1100mm1100mm分辨率达分辨率达0.1m 0.1m 非线性误差为非线性误差为1%1%左右左右电涡流传感器使用注意事项电涡流传感器使用注意事项被测体的半径不能小于线圈半径的被测体的半径不能小于线圈半径的1.81.8倍；倍；被测体为圆柱体时，其直径必须大于线圈直径被测体为圆柱体时，其直径必须大于线圈直径的的3.53.5倍以上倍以上 ；被测导体的厚度不能太薄；被测导体的厚度不能太薄；安装位置要正确，线圈尽量不要与能够产生电安装位置

16、要正确，线圈尽量不要与能够产生电涡流的其他任何金属接触涡流的其他任何金属接触 。三、电涡流传感器的应用电涡流接近开关电涡流接近开关电涡流式传感器测位移电涡流式传感器测位移 使用电涡流式传感器可以测使用电涡流式传感器可以测量各种形状试件的位移量，测量各种形状试件的位移量，测量位移的范围为量位移的范围为01mm01mm或或0 030mm30mm。 凡是可以变成位移变化的非电量，如钢水液位、纱线张凡是可以变成位移变化的非电量，如钢水液位、纱线张力和流体压力等，都可使用涡流式传感器来测量。力和流体压力等，都可使用涡流式传感器来测量。试件试件传感器传感器电涡流传感器测位移电涡流传感器测位移电涡流式传感器

17、测振幅电涡流式传感器测振幅振幅测量原理图振幅测量原理图11试件试件 22传感器传感器 电涡流式传感器还可以用来测量各种振动的振幅。为电涡流式传感器还可以用来测量各种振动的振幅。为了研究机床等各部位的振动，可用多个电涡流传感器同时了研究机床等各部位的振动，可用多个电涡流传感器同时检测各点的振动情况。检测各点的振动情况。电涡流式传感器测转速电涡流式传感器测转速电涡流式传感器测转速电涡流式传感器测转速 当转轴转动时，传感器与当转轴转动时，传感器与转轴之间的距离在周期地改变转轴之间的距离在周期地改变着。于是它的输出信号也周期着。于是它的输出信号也周期性地发生变化，此输出信号经性地发生变化，此输出信号经

18、放大、变换后。可以用频率计放大、变换后。可以用频率计测出其变化频率，从而测出转测出其变化频率，从而测出转轴的转速。若转轴上开轴的转速。若转轴上开Z Z个槽，个槽，频率计的读数为频率计的读数为f f，则转轴的，则转轴的转速转速n n的数值为：的数值为：Zf6060n n 在金属旋转体上开一条或数条槽，或做成齿，旁边安装一在金属旋转体上开一条或数条槽，或做成齿，旁边安装一个电涡流式传感器。个电涡流式传感器。电涡流式传感器测厚度电涡流式传感器测厚度 涡流式传感器也可以用来检测金属板厚度和非金属板的涡流式传感器也可以用来检测金属板厚度和非金属板的镀层厚度。镀层厚度。厚度测量原理图厚度测量原理图11试件试件 22传感器传感器 当金属板厚度变化时，将使金属板和传感器间的距离改变，当金属板厚度变化时，将使金属板和传感器间的距离改变，从而引起输出电容的变化。由于在工作过程中金属板会上下移从而引起输出电容的变化。由于在工作过程中金属板会上下移动，影响测量精度，因