第3 章电感式传感器

1、第第3章章 电感式传感器电感式传感器 被测量被测量 自感自感L(互感互感M) UO（IO）电感式传感器的优缺点电感式传感器的优缺点优点：优点： 具有结构简单，工作可靠；具有结构简单，工作可靠； 测量精度高，零点稳定；测量精度高，零点稳定； 灵敏、分辨率高（位移变化可达灵敏、分辨率高（位移变化可达0.01 m)； 输出功率较大等。输出功率较大等。缺点：缺点： 灵敏度、线性度和测量范围相互制约灵敏度、线性度和测量范围相互制约,传感器自身频率响传感器自身频率响应低应低,不适用于快速动态测量。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、记录、显示和控制这种传感器能实现信息的远距离传输、记

2、录、显示和控制,在工业自动控制系统中被广泛采用。在工业自动控制系统中被广泛采用。 电感式传感器的分类电感式传感器的分类电感式传感器电感式传感器 自感式传感器（电感式传感器）自感式传感器（电感式传感器） 互感式传感器互感式传感器 差动变压器差动变压器 电涡流式传感器电涡流式传感器章节章节3.13.1 电感式传感器电感式传感器3.23.2 差动式变压器差动式变压器3.33.3 电涡流式传感器电涡流式传感器3.1 3.1 电感式传感器电感式传感器3.1.1 气隙型电感式传感器气隙型电感式传感器1.结构原理结构原理: 如图如图3-1所示所示 它由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。当衔铁移动时，气它由线圈、铁

3、芯和衔铁三部分组成。当衔铁移动时，气隙厚度隙厚度发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致线圈发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致线圈的电感值变化，即测出电感量的变化，就能确定衔铁位移的电感值变化，即测出电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。量的大小和方向。 图图3-1 气隙型电感式传感器气隙型电感式传感器3.1.1 3.1.1 气隙型电感式传感器气隙型电感式传感器 电感量电感量L：由上式可得由上式可得(并考虑一般情况下，并考虑一般情况下， 1= 2=0） 即：即：mRWL/2 SSlSlRm0222111 1、 2铁芯、衔铁材料的导磁率；铁芯、衔铁材料的导磁率；l1、l2铁芯、衔铁磁路

4、的长度；铁芯、衔铁磁路的长度； 空气隙的总长度；空气隙的总长度； S1、S2铁芯、衔铁的截面积；铁芯、衔铁的截面积；S气隙的截面积；气隙的截面积； 0空气的导磁率，空气的导磁率， 0=410 7H/m。 SWSSlSlWRWLm02022211122 常数常数S|f(S)| )()S,( ff3.1.13.1.1气隙型电感式传感器气隙型电感式传感器.特性分析：特性分析： 设磁路总长为设磁路总长为l,当当 1= 2= r 0，S1=S2=S0=S时，并考时，并考虑虑 r 1这样这样式中，式中， r导磁材料的相对磁导率；导磁材料的相对磁导率； e传感器磁路等效相对磁导率；传感器磁路等效相对磁导率；

5、 K常数，常数，K= 0W2S。 SllSlSlSRerrrrrm 00001111 rrmlKlSWRWL 12023.1.1 3.1.1 气隙型电感式传感器气隙型电感式传感器 传感器工作时，若衔铁移动使气隙总长度减少传感器工作时，若衔铁移动使气隙总长度减少（ ）,则线圈电感增加则线圈电感增加 L1 （L L+ L1 ），由上式得），由上式得:rlKLL 11 rrrrllKllKL 111 21111111111111111rrrrrrrrrrlllllllKlllKLL 3.1.1 3.1.1 气隙型电感式传感器气隙型电感式传感器 因为：因为： 同理，当气隙总长度增加同理，当气隙总长度增

6、加（ +），则线圈电感减），则线圈电感减小小 L2 （L LL2 ） 111 rl 221111111rrrrllllLL 3.1.1 3.1.1 气隙型电感式传感器气隙型电感式传感器略去非线性项，则电感变化略去非线性项，则电感变化灵敏度灵敏度为：为：若只考虑一次非线性项时，其若只考虑一次非线性项时，其线性度线性度为：为：rLlLLK 11%10011 rLl 3.1.1 3.1.1 气隙型电感式传感器气隙型电感式传感器单线圈变气隙电感传感器特性如图，可以看出：单线圈变气隙电感传感器特性如图，可以看出： 当气隙当气隙 变化时，电感的变化与气隙变化呈非线性关系，变化时，电感的变化与气隙变化呈非线

7、性关系，非线性程度随气隙相对变化非线性程度随气隙相对变化/ 的的增大而增大；增大而增大； 气隙减少气隙减少所引起的电感变化所引起的电感变化 L1与增加相同与增加相同所引起的电感变所引起的电感变化化 L2并不相等，并不相等， L1L2，其差，其差值随值随/ 的增加而增大。的增加而增大。 L 特性特性 3.1.1 3.1.1 气隙型电感式传感器气隙型电感式传感器：为了改善电感式传感器的灵敏度和线为了改善电感式传感器的灵敏度和线性度，常采用下图所示的差动结构。性度，常采用下图所示的差动结构。差动变隙式电感传感器及其特性差动变隙式电感传感器及其特性线圈电感电感线圈气隙3.1.1 3.1.1 气隙型电感

8、式传感器气隙型电感式传感器当气隙改变当气隙改变 时，其电感相对变化为：时，其电感相对变化为：其电感其电感灵敏度灵敏度为：为：其其线性度线性度为：为：由上两式得出：由上两式得出： 差动式电感传感器的灵敏度比单线圈电感传感器提高一倍；差动式电感传感器的灵敏度比单线圈电感传感器提高一倍； 差动式电感传感器的线性失真小差动式电感传感器的线性失真小。 221111112rrllLLLLL rLlLLK 112%100112 rLl . . .螺管式电感传感器螺管式电感传感器 （a a）单线圈）单线圈 （b b）差动式）差动式螺管式线圈插棒式铁芯线圈1线圈2铁芯（a)(b)3.1.33.1.3电感线圈的等

9、效电路电感线圈的等效电路电感线圈的电感线圈的等效电路等效电路（如图）（如图）式中，式中，Rc为铜耗电阻；为铜耗电阻；Re为涡流损耗电阻；为涡流损耗电阻；Rh为磁滞损耗为磁滞损耗电阻；电阻；C为线圈的匝间电容和分布电容。为线圈的匝间电容和分布电容。3.1.43.1.4测量电路测量电路 交流电桥电路如下图所示。交流电桥电路如下图所示。 其输出电压可以表示为其输出电压可以表示为: 当电桥平衡时，即当电桥平衡时，即Z1Z4=Z2Z3，电桥的输出为零。若桥臂的，电桥的输出为零。若桥臂的阻抗相对变化阻抗相对变化 ZiZ i（i=1,2,3,4），且负载阻抗），且负载阻抗ZL为无穷大为无穷大（一般情况下成立

10、）时，交流电桥输出电压可近似表示为（一般情况下成立）时，交流电桥输出电压可近似表示为: 2143432143213241ZZZZZZZZZZZZZEZZZZZULLO ZOEZZZZZZZZU443322114144332211ZZZZZZZZZ 3.1.4.13.1.4.1电桥的输出特性电桥的输出特性1单臂工作单臂工作 设工作臂为设工作臂为Z1，变化量为，变化量为 Z1，且，且 Z1Z1，负载阻抗，负载阻抗ZL为为无穷大，则电桥输出电压简化为无穷大，则电桥输出电压简化为:式中，式中， Z1= Z1/Z1为桥臂的阻抗为桥臂的阻抗Z1相对变化；相对变化；m=Z2/Z1=Z4/Z3为电桥同一支路桥

11、臂阻抗比。为电桥同一支路桥臂阻抗比。 EmmEZZZZZZZZEZZZZZZEZZZZZZZZZZUZO12341234114321414321132411111/)()()( 3.1.4.13.1.4.1电桥的输出特性电桥的输出特性 （1）桥臂阻抗相对变化）桥臂阻抗相对变化 Z1对输出对输出Uo的影响的影响 电桥用于测量纯电阻变化，则电桥用于测量纯电阻变化，则 Z1= R1，故，故 电桥用于测量纯电抗变化，则电桥用于测量纯电抗变化，则 Z1= X1，则，则 式中，式中， X1= X1/X1电抗电抗X1的相对变化。的相对变化。 由此可见，由此可见， Z1不仅正比于不仅正比于 R1或或 X1，而

12、且还与桥臂阻抗的相角，而且还与桥臂阻抗的相角 1有有关。在纯电阻变化时，要求关。在纯电阻变化时，要求 1=0，桥臂阻抗为纯电阻；在纯电抗变化，桥臂阻抗为纯电阻；在纯电抗变化时，要求时，要求 1= /2，桥臂阻抗为纯电抗。传感器阻抗为纯电阻（电阻式传，桥臂阻抗为纯电抗。传感器阻抗为纯电阻（电阻式传感器）或纯电抗（电感式传感器或电容式传感器）时，电桥的输出最大感器）或纯电抗（电感式传感器或电容式传感器）时，电桥的输出最大11111 jeZjXRZ 111111111111111cos jRjjZeeZRRReZRjXRR 12111sin jXZe3.1.4.13.1.4.1电桥的输出特性电桥的输

13、出特性（2）电桥阻抗比）电桥阻抗比m对输出对输出Uo的影响的影响 要使输出要使输出Uo为最大，则另一个要求是使为最大，则另一个要求是使m/(1+m)2=K有极大值有极大值 由由: 得得: 式中式中 ，a=1（桥臂阻抗模相等）时，（桥臂阻抗模相等）时， K 有极有极大值，大值，1/(2+2cos ） 增大相角差增大相角差 = 21，可以进一步提高电桥输出灵敏度。，可以进一步提高电桥输出灵敏度。 =0时，时， K =1/4； = /2时，时， K =1/2，且，且 与与 同位相。同位相。 sincos1212jaaeaeZZmjj jjeKjaaaeK 2sincos12cos21aaaK 0UE

14、3.1.4.13.1.4.1电桥的输出特性电桥的输出特性2 2双臂工作（差动形式）双臂工作（差动形式） 传感器接成差动形式，可以提高灵敏度和改善线性度。差动传感器接成差动形式，可以提高灵敏度和改善线性度。差动结构传感器接成差动交流电桥电路如图所示：结构传感器接成差动交流电桥电路如图所示：(a)(a)电阻平衡臂电桥；电阻平衡臂电桥；(b)(b)变压器电桥；变压器电桥；(b) (c) (a) 3.1.4.13.1.4.1电桥的输出特性电桥的输出特性（1）电阻平衡臂电桥）电阻平衡臂电桥 (如图如图) Z1、Z2为差动工作臂，为差动工作臂，R1、R2为电阻平衡臂，为电阻平衡臂，R1=R2=R；Z1=Z

15、2=Z=Rs+j L。差动工作时，。差动工作时，若若Z1=ZZ，则，则Z2=Z+ Z，当，当ZL时，有时，有: LjRLjREZZEUSSO 22(b) (c) (a) 3.1.4.13.1.4.1电桥的输出特性电桥的输出特性 经变换和整理后可写成：经变换和整理后可写成： 式中，式中， 电感线圈的品质因数。电感线圈的品质因数。由上式可以看出：由上式可以看出： 桥路输出电压包含着与电源同相和正交两个分量，在实际桥路输出电压包含着与电源同相和正交两个分量，在实际测量中，我们希望只有同相分量。从式中看出，如能使测量中，我们希望只有同相分量。从式中看出，如能使 L/L= RS/RS，或，或Q值比较大，

16、均能达此目的。但实际工作值比较大，均能达此目的。但实际工作时，由于时，由于 RS/RS一般均很小，一般均很小， L/LRS/RS，所以要求线圈，所以要求线圈的品质因数高。的品质因数高。 SSSSRRLLQjLLRRQQEoU11111222SRLQ/3.1.4.13.1.4.1电桥的输出特性电桥的输出特性(2)变压器电桥变压器电桥 (如图所示如图所示) 它的平衡臂为变压器的两个二次绕组。传感器差动工作时若它的平衡臂为变压器的两个二次绕组。传感器差动工作时若衔铁向一边移动，衔铁向一边移动，Z1=ZZ，则则Z2=Z+ Z，当阻抗为无穷大，当阻抗为无穷大时，可得时，可得: 当衔铁向另一边移动时，当衔

17、铁向另一边移动时，Z1=Z+ Z，Z2=Z- Z，则，则: ZZEUo 2ZZEUo 2(b) (c) (a) 3.1.4.2 3.1.4.2 交流电桥的平衡交流电桥的平衡 交流电桥要完全平衡，必须同时满足两个条件，即输出交流电桥要完全平衡，必须同时满足两个条件，即输出电压的实部和虚部均为零电压的实部和虚部均为零 几种常用的电阻几种常用的电阻电容调平衡的桥路形式电容调平衡的桥路形式 由图可见，调节电位器由图可见，调节电位器RW的触点或可调电容的触点或可调电容C1和和C2，将，将改变相应的桥臂阻抗，从而达到电桥电路的实部和虚部完改变相应的桥臂阻抗，从而达到电桥电路的实部和虚部完全平衡的目的。以图

18、全平衡的目的。以图(a)为例，移动电位器为例，移动电位器RW的触点，就改的触点，就改变了桥臂上变了桥臂上R1和和R2的并联容抗值，使它与的并联容抗值，使它与L1和和L2相平衡。相平衡。平衡调节范围与平衡调节范围与C0有关，有关，C0越大，平衡调节范围越大。越大，平衡调节范围越大。3.1.53.1.5电感式传感器的设计原电感式传感器的设计原则则 电感式传感器设计时应考虑给定的技术指标，如电感式传感器设计时应考虑给定的技术指标，如等。传感器的灵敏度等。传感器的灵敏度实际上常用单位位移所引起的输出电压变化来衡量，实际上常用单位位移所引起的输出电压变化来衡量，是传感器和测量电路的综合灵敏度，在确定设计

19、方案是传感器和测量电路的综合灵敏度，在确定设计方案时必须综合考虑传感器和测量电路。时必须综合考虑传感器和测量电路。 传感器的量程是指其输出信号与位移量之间成线性传感器的量程是指其输出信号与位移量之间成线性关系关系( (允许有一定误差允许有一定误差) )的位移范围。它是确定传感器的位移范围。它是确定传感器结构形式的重要依据。结构形式的重要依据。 3.1.53.1.5电感式传感器的设计原电感式传感器的设计原则则 单线圈螺管式用于特大量程，一般常用差动螺管式。单线圈螺管式用于特大量程，一般常用差动螺管式。 差动螺管式传感器的结构简图差动螺管式传感器的结构简图 为了满足当铁芯移动时线圈内部磁通变化的均

20、匀性，保持为了满足当铁芯移动时线圈内部磁通变化的均匀性，保持输出电压与铁芯位移量之间的线性关系，传感器必须满足三输出电压与铁芯位移量之间的线性关系，传感器必须满足三个要求：铁芯的加工精度；线圈架的加工精度；线圈绕制的个要求：铁芯的加工精度；线圈架的加工精度；线圈绕制的均匀性。均匀性。 改变铁芯长度传感器的输出特性改变铁芯长度传感器的输出特性 改变线圈匝数传感器的输出特性改变线圈匝数传感器的输出特性3.1.63.1.6电感式传感器误差因素分析电感式传感器误差因素分析影响传感器精度的影响传感器精度的因素因素主要分为两个方面：主要分为两个方面： 一是外界工作环境条件的影响，如温度变化、电源一是外界工

21、作环境条件的影响，如温度变化、电源电压和频率的波动等；电压和频率的波动等； 二是传感器本身特性所固有的影响，如线圈电感与二是传感器本身特性所固有的影响，如线圈电感与衔铁位移之间的非线性、交流零位信号的存在等。衔铁位移之间的非线性、交流零位信号的存在等。 主要误差主要误差：1 1激励电源电压和频率的影响激励电源电压和频率的影响2 2温度变化的影响温度变化的影响3 3非线性特性的影响非线性特性的影响4 4输出电压与电源电压之间的相位差输出电压与电源电压之间的相位差5 5零位误差零位误差电桥的残余不平衡电压电桥的残余不平衡电压3.1.73.1.7电感式传感器的应用电感式传感器的应用 电感式传感器电感

22、式传感器般用于接触测量，可用于静态和动态测般用于接触测量，可用于静态和动态测量。测量的量。测量的基本量基本量是是位移位移，也可以用于振动、压力、荷重、，也可以用于振动、压力、荷重、流量、液位等参数测量。流量、液位等参数测量。电感测微仪典型框图电感测微仪典型框图 除螺管式电感传感器外，还包括测量电桥、交流放大器、除螺管式电感传感器外，还包括测量电桥、交流放大器、相敏检波器、振荡器、稳压电源及显示器等，它主要用于精相敏检波器、振荡器、稳压电源及显示器等，它主要用于精密微小位移测量。图密微小位移测量。图(b)为变气隙差动式电感压力传感器结构为变气隙差动式电感压力传感器结构图。图。3.1.73.1.7

23、电感式传感器的应用电感式传感器的应用 传感器传感器3与精密主轴与精密主轴2一起回转，主轴一起回转，主轴2精度很高，在理想精度很高，在理想情况下可认为它回转运动的轨迹是情况下可认为它回转运动的轨迹是“真圆真圆”。当被测件。当被测件1有有圆圆度误差时，必定相对于度误差时，必定相对于“真圆真圆”产生径向偏差，该偏差值被产生径向偏差，该偏差值被传传感器感受并转换成电信号。载有被测件半径偏差信息的电信感器感受并转换成电信号。载有被测件半径偏差信息的电信号，经放大、相敏检波、滤波、号，经放大、相敏检波、滤波、AD转换后送入计算机处转换后送入计算机处理，最后数字显示出圆度误差；或用记录仪器记录下被测件理，最

24、后数字显示出圆度误差；或用记录仪器记录下被测件的轮廓图形的轮廓图形(径向偏差径向偏差)。电感式圆度仪原理图电感式圆度仪原理图1-被测工件；被测工件；2-精密主轴：精密主轴：3-传感器；传感器；4 -工作台工作台计算机放大相敏检波滤波器录记仪A/D3.23.2差动变压器差动变压器321 结构和工作原理结构和工作原理 差动变压器式传感器的差动变压器式传感器的结构结构主要为螺管型（如图所示）主要为螺管型（如图所示） 线圈由线圈由初级线圈初级线圈(激励线圈相当于变压器原边激励线圈相当于变压器原边)P和和次级线次级线圈圈(相当于变压器的副边相当于变压器的副边)S1、S2组成；线圈中心插入圆柱形铁组成；线

25、圈中心插入圆柱形铁芯芯(衔铁衔铁)b。其中，图。其中，图(a)为三段式差动变压器，为三段式差动变压器，(b)为两段式差为两段式差动变压器。动变压器。3.2.23.2.2基本特性基本特性3.2.2.1 等效电路等效电路 在理想情况下在理想情况下(忽略线圈寄生电容及铁芯损耗忽略线圈寄生电容及铁芯损耗)，差动变压，差动变压器等效电路如图所示。器等效电路如图所示。 由等效电路图可以得到：由等效电路图可以得到： 式中，式中，LP、RP初级线圈的电感与有效电阻；初级线圈的电感与有效电阻；M1、M2初初级线圈与两个次级线圈间互感；级线圈与两个次级线圈间互感；EP、IP初级线圈激励电初级线圈激励电压与电流；压

26、与电流；ES1、ES2两个次级线圈感应电压；两个次级线圈感应电压； 初级初级线圈激励电压的频率。线圈激励电压的频率。 PPPSPSPSPPPPLjREMMjEIMjEIMjELjREI )()(2122113.2.23.2.2基本特性基本特性讨论：讨论： (1)铁芯处于中心平衡位置时，互感铁芯处于中心平衡位置时，互感M1M2M，则，则ES0； (2)铁芯上升时，铁芯上升时，M1M M，M2MM，则，则 ，与，与 同相；同相； (3)铁芯下降时，铁芯下降时，M1MM，M2M M，则，则 与与 同相。同相。 输出电压还可统一写成：输出电压还可统一写成： 差动变压器输出电压差动变压器输出电压ES与铁

27、芯位移的关系与铁芯位移的关系 222PPPSLRMEE 1SE 222PPPSLRMEE 2SE MMEMMLRMEESPPPS022223.2.53.2.5差动变压器的应用差动变压器的应用1位移测量位移测量 差动变压器测量的基本量仍然是位移。它可以作为精密测量差动变压器测量的基本量仍然是位移。它可以作为精密测量仪的主要部件，对零件进行多种精密测量工作，如内径、外仪的主要部件，对零件进行多种精密测量工作，如内径、外径、不平行度、粗糙度、不垂直度、径、不平行度、粗糙度、不垂直度、振摆、偏心和椭圆度等；作为轴承滚振摆、偏心和椭圆度等；作为轴承滚动自动分选机的主要测量部件，可以动自动分选机的主要测量

28、部件，可以分选大、小钢球、圆柱、圆锥等；用分选大、小钢球、圆柱、圆锥等；用于测量各种零件膨胀、伸长、应变等。于测量各种零件膨胀、伸长、应变等。 图为图为。当某一设定。当某一设定液位使铁芯处于中心位置时，差动变液位使铁芯处于中心位置时，差动变压器输出信号压器输出信号Uo=0；当液位上升或下；当液位上升或下降时，降时，Uo 0，通过相应的测量电路便，通过相应的测量电路便能确定液位的高低能确定液位的高低。 浮子铁芯液罐3.2.53.2.5差动变压器的应用差动变压器的应用2振动和加速度测量振动和加速度测量 利用差动变压器加上悬臂梁弹性支承可构成加速度计。为利用差动变压器加上悬臂梁弹性支承可构成加速度计

29、。为了满足测量精度，加速度计的固有频率应比被测频率上限大了满足测量精度，加速度计的固有频率应比被测频率上限大35倍。由于运动系统质量倍。由于运动系统质量m不可能太小，而增加弹性片刚度不可能太小，而增加弹性片刚度k又使加速度计灵敏度受到影响，因此系统固有频率不可能很又使加速度计灵敏度受到影响，因此系统固有频率不可能很高。所以，能测量的振动频率上限就受到限制，一般在高。所以，能测量的振动频率上限就受到限制，一般在150Hz以下。高频时加速度测量用压电式传感器。以下。高频时加速度测量用压电式传感器。 差动变压器加速度计结构及其测量电路框图差动变压器加速度计结构及其测量电路框图(a)结构；结构；(b)

30、测量电路框图测量电路框图1-弹性支承；弹性支承；2-差动变压器差动变压器输出被测加速度方向振荡器稳压电源检波器滤波器3.2.53.2.5差动变压器的应用差动变压器的应用3压力测量压力测量 差动变压器和弹性敏感元件组合，可以组成开环压力传感差动变压器和弹性敏感元件组合，可以组成开环压力传感器。由于差动变压器输出是标准信号，常称为变送器。器。由于差动变压器输出是标准信号，常称为变送器。(a)微压变送器；微压变送器； (b)测量电路框图测量电路框图 1-接头；接头；2-膜盒；膜盒；3-底座；底座；4-线路板；线路板；5-差曲变压器线圈；差曲变压器线圈； 6-衔铁；衔铁；7-罩光；罩光；8-插头；插头

31、；9-通孔通孔 这种微压力变送器，经分档可测这种微压力变送器，经分档可测( 4+6) 104N/m2的压的压力，输出信号电压为力，输出信号电压为050mV，精度，精度1.0级、级、1.5级。级。3.2.53.2.5差动变压器的应用差动变压器的应用4差动变压器测速差动变压器测速 放大器加法器交流电源直流电源跟随器跟随器减法器低通滤波器磁芯差动变压器测速装置原理框图差动变压器测速装置原理框图3.3 3.3 电涡流式传感器电涡流式传感器 成块的金属导体置于变化着的磁场中时，金属导体内就成块的金属导体置于变化着的磁场中时，金属导体内就要产生感应电流，这种电流的流线在金属导体内自动闭合，要产生感应电流，

32、这种电流的流线在金属导体内自动闭合，通常称为通常称为电涡流电涡流。电涡流式传感器。电涡流式传感器(线圈线圈-金属导体系统金属导体系统)就是就是一种基于电涡流效应原理的传感器。电涡流的大小与金属导一种基于电涡流效应原理的传感器。电涡流的大小与金属导体的电阻率体的电阻率 、导磁率、导磁率 厚度厚度t以及线圈与金属之间的距离以及线圈与金属之间的距离x、线圈的激磁电流角频率线圈的激磁电流角频率 等参数有关。若保持其中若干参数等参数有关。若保持其中若干参数恒定，就能按电涡流大小对线圈的作用的差异来测量另外某恒定，就能按电涡流大小对线圈的作用的差异来测量另外某一参数。一参数。 特点特点：结构简单、频率响应

33、宽、灵敏度高、抗干扰能强、：结构简单、频率响应宽、灵敏度高、抗干扰能强、测量线性范围大、非接触测量。可以测量位移、振动、度、测量线性范围大、非接触测量。可以测量位移、振动、度、转速、温度等参数。转速、温度等参数。 主要有两种类型：主要有两种类型：高频反射式高频反射式（应用广泛）和（应用广泛）和低频透射式低频透射式3.3 3.3 电涡流式传感器电涡流式传感器3.3.1.1 基本原理基本原理 如图：当线圈通交变电流如图：当线圈通交变电流i1 交变磁场交变磁场H1 金属板中将产生感应金属板中将产生感应电动势电动势 电涡流电涡流i2 磁场磁场H2 H2对线圈的反作用对线圈的反作用(减弱线圈原磁场减弱线

34、圈原磁场),从而导致线圈的电感量从而导致线圈的电感量L、阻抗、阻抗Z或品质因数或品质因数Q发生变化。发生变化。 线圈的阻抗线圈的阻抗Z可以用一个可以用一个函数表达式来描述：函数表达式来描述： 电涡流传感器实质是一个电涡流传感器实质是一个线圈线圈-导导体系统体系统。若激励线圈和金属导体。若激励线圈和金属导体材料确定后，可使材料确定后，可使 ， ，t，r，I及及 等参数不变，则此时线圈的阻抗等参数不变，则此时线圈的阻抗Z就就成为距离成为距离x的单值函数，即：的单值函数，即： Z=f(x)线圈金属导体, , , , , ,ZFt r x I )(xfZ )(xfZ 3.3.1.23.3.1.2等效电

35、路分析等效电路分析 由线圈由线圈金属导体系统构成的电涡流传感器可以用右图所金属导体系统构成的电涡流传感器可以用右图所示的等效电路来分析。示的等效电路来分析。根据基尔霍夫定律，可根据基尔霍夫定律，可以列出电路方程组为以列出电路方程组为:联立解得：联立解得：线 圈金 属 导 体 02222121111ILjIRIMjEIMjILjIR 222212122221222222222222222111LRIMRjILMLjRIMjIZELRLMLjLRRMREI 3.3.1.23.3.1.2等效电路分析等效电路分析 由此可得传感器线圈由于受金属导体中电涡流效应影响由此可得传感器线圈由于受金属导体中电涡流

36、效应影响的复阻抗为的复阻抗为: : 得出线圈的等效电阻和等效电感分别为得出线圈的等效电阻和等效电感分别为: : SSLjRLRLMLjLRRMRZ 2222222122222221 21222222212122222221LLLLRMLLRRRLRMRRSS 3.3.1.23.3.1.2等效电路分析等效电路分析：(1)线圈线圈等效电阻等效电阻RS=R1+R 2 无论金属导体为何种材料，只要无论金属导体为何种材料，只要有电涡流产生就有有电涡流产生就有R 2，同时随着导体与线圈之间距离的，同时随着导体与线圈之间距离的减小减小(M增大增大)， R 2会增大，因此会增大，因此RSR1；(2)线圈的线圈

37、的等效电感等效电感LS=L1 L 2 第一项第一项L1与静磁学效应有关，与静磁学效应有关，由于线圈与金属导体构成一个磁路，线圈自身的电感由于线圈与金属导体构成一个磁路，线圈自身的电感L1要要受该磁路受该磁路“有效磁导率有效磁导率”的影响，若金属导体为磁性材料的影响，若金属导体为磁性材料时，磁路的有效磁导率随距离的减小而增大，时，磁路的有效磁导率随距离的减小而增大，L1也就增大；也就增大；若金属导体为非磁性材料，磁路的有效磁导率不会随距离若金属导体为非磁性材料，磁路的有效磁导率不会随距离而变，因此而变，因此L1不变。第二项与电涡流效应有关，电涡流产不变。第二项与电涡流效应有关，电涡流产生一与原磁

38、场方向相反的磁场并由此减小线圈电感，线圈生一与原磁场方向相反的磁场并由此减小线圈电感，线圈与导体间距离越小与导体间距离越小(M越大越大)，越大，电感量的减小程度越，越大，电感量的减小程度越大，故从总的结果来看大，故从总的结果来看LSL1；(3)线圈原有的品质因数线圈原有的品质因数Q0 L1 R1，当产生电涡流效应后，当产生电涡流效应后，线圈的线圈的品质因数品质因数Q LS RS，显然，显然QQ0。3.3.1.43.3.1.4电涡流式传感器的基本结构电涡流式传感器的基本结构 线圈线圈1绕制在用聚四氟乙烯做成的线圈骨架绕制在用聚四氟乙烯做成的线圈骨架2内，线圈用内，线圈用多股漆包线或银线绕制成扁平

39、盘状。使用时，通过骨架衬套多股漆包线或银线绕制成扁平盘状。使用时，通过骨架衬套3将整个传感器安装在支架将整个传感器安装在支架4上，上，5、6是电缆和插头。是电缆和插头。电涡流传感器结构电涡流传感器结构 3.3.1.53.3.1.5测量电路测量电路 根据电涡流传感器的原理，被测参量可以由传感器转换根据电涡流传感器的原理，被测参量可以由传感器转换为传感器线圈的阻抗为传感器线圈的阻抗Z、电感、电感L或品质因数或品质因数Q等三个电参数。等三个电参数。究竟利用哪个参数并将其最后变换为电压或电流信号输出，究竟利用哪个参数并将其最后变换为电压或电流信号输出，这要由测量电路决定。电涡流传感器作测量时，为了提高

40、灵这要由测量电路决定。电涡流传感器作测量时，为了提高灵敏度，用已知电容敏度，用已知电容C与传感器线圈并联与传感器线圈并联(一般在传感内一般在传感内)组成组成LC并联谐振回路并联谐振回路。传感器线圈等效电感的变化使并联谐振。传感器线圈等效电感的变化使并联谐振回路的谐振频率发生变化，将其被测量变换为电压或电流信回路的谐振频率发生变化，将其被测量变换为电压或电流信号输出。并联谐振回路的谐振频率为号输出。并联谐振回路的谐振频率为: 目前，电涡流传感器所配用的谐振式测量电路有目前，电涡流传感器所配用的谐振式测量电路有两类，以及交流电桥测量电路。两类，以及交流电桥测量电路。LCf 21 3.3.1.53.

41、3.1.5测量电路测量电路1调幅式测量电路调幅式测量电路 调幅式测量电路稳频稳幅正弦波振荡器的输出信号由电阻调幅式测量电路稳频稳幅正弦波振荡器的输出信号由电阻R加到传感器上。先使传感器远离被测物，则加到传感器上。先使传感器远离被测物，则LL (即即x趋趋于于 时的电感值时的电感值)，调振荡器的频率到，调振荡器的频率到 ，得，得出最大输出电压出最大输出电压u ，然后保持振荡器的频率，然后保持振荡器的频率fo和幅值不变，和幅值不变，当被测物与传感器线圈接近时，由于电涡流效应，使线圈当被测物与传感器线圈接近时，由于电涡流效应，使线圈的电感量的电感量L变化，并使回路失谐，从而使输出电压变化，并使回路失

42、谐，从而使输出电压u降低，降低，由由u的下降程度判断距离的下降程度判断距离x的大小。的大小。 调幅式测量原理调幅式测量原理 谐振曲线谐振曲线 (a)电路原理；电路原理；(b)输出特性输出特性 CLfo 213.3.1.53.3.1.5测量电路测量电路 2 2调频式测量电路调频式测量电路 利用调频谐振电路的特点，线圈电感量的变化可以直接使利用调频谐振电路的特点，线圈电感量的变化可以直接使振荡器的振荡频率发生变化，从而实现频率调制。然后通过振荡器的振荡频率发生变化，从而实现频率调制。然后通过鉴频器及附加电路将频率的变化再变成电压输出。鉴频器及附加电路将频率的变化再变成电压输出。 (a)(a)原理图

43、原理图 (b)(b)测量电路测量电路3.3.1.53.3.1.5测量电路测量电路3电桥测量电路电桥测量电路 Z1、 Z2为差动式传感器的两个线圈，或者一个是传感器为差动式传感器的两个线圈，或者一个是传感器线圈，一个是固定平衡线圈。桥路输出电压幅值随传感器线线圈，一个是固定平衡线圈。桥路输出电压幅值随传感器线圈阻抗变化而变化。圈阻抗变化而变化。 电涡流式传感器测量电桥电涡流式传感器测量电桥3.3.23.3.2低频透射式电涡流传感低频透射式电涡流传感器器 ：发射线圈发射线圈Ll和接收线圈和接收线圈L2分别处于被测金属材料分别处于被测金属材料M的两边。由的两边。由振荡器产生的音频电压振荡器产生的音频

44、电压u1加到加到L1的两端后，线圈中即流过一个同频率的两端后，线圈中即流过一个同频率的交流电流，并在其周围产生一交变磁场。如果两线圈间不存在被测的交流电流，并在其周围产生一交变磁场。如果两线圈间不存在被测材料材料M，L1的磁场就能直接贯穿的磁场就能直接贯穿L2，于是，于是L2的两端会产生一交变感应的两端会产生一交变感应电动势电动势u2。当。当Ll与与L2之间放置一金属板之间放置一金属板M后，后，L1产生的交变磁场在产生的交变磁场在M中会产生涡流中会产生涡流i，这个涡流损耗了，这个涡流损耗了Ll的部分磁场能量，使其贯穿的部分磁场能量，使其贯穿M后耦后耦合到合到L2的磁通量减少，从而引起感应电势的磁通量减少，从而引起感应电势u2的下降。当激