电感式传感器课件

1、第三章 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，从而导致线圈电感量改变这一物理现象来实现测量的。因此根据转换原理，电感式传感器可以分为自感式和互感式两大类。闭磁路型电感式传感器自感型涡流式互感型开磁路型差动变压器3.1 自感式传感器 本章内容： 3.2 互感式传感器 3.3 电涡流式传感器（互感类） 3.5 感应同步器（互感类） 3.4 压磁式传感器（自感类） 直线式感应同步器电感式传感器与其它种传感器相比，具有以下优点：（1）结构简单，工作可靠，测量力小（衔铁重力为（0.5200）10-4 N时，电磁吸力为（110）10-4 N）。（2）分辨力高，能测量0.

2、1m甚至更小的机械位移，能感受0.1秒的微小角位移；传感器输出信号强，电压灵敏度一般1mm可达数百mV，因此，有利于信号的传输和放大。（3）重复性好，线性度优良。在一定位移范围（最小几十m，最大可达数十至数百mm）内；输出线性可达0.1%，且比较稳定。电感式传感器的主要缺点是：(1) 频率响应较低，不宜快速动态测量。(2)分辨率与测量范围有关。测量范围小，分辨率高；测量范围大，则分辨率低。 3.1自感式传感器3.1.1自感式传感器工作原理1线圈自感线圈匝数磁路总磁阻对于变隙式传感器, 因为气隙很小, 所以可以认为气隙中的磁场是均匀的。若忽略磁路磁损, 则磁路总磁阻为 式中: 各段导磁体 的长度

3、; i各段导磁体的导磁率; Si铁芯材料的截面积; 气隙的厚度 0空气的导磁率; S空气隙的截面积;可得铁心的结构和材料确定后，上式分母第一项为常数，此时，自感是气隙厚度和气隙截面积的函数。自感传感器分为三种类型：变间隙式、变面积式和螺管式。 （螺管式电感传感器建立在磁路磁阻随着衔铁插入深度不同而变化的基础上）2022/9/258自感式电感传感器常见的形式衔铁位移引起的电感变化为：初始气隙0处的初始电感量为L0 3.1.2 输出特性当/01时，用泰勒级数展开衔铁下移时 衔铁上移时 3.1.2 输出特性对上式作线性处理忽略高次项时讨论： 传感器测量范围与灵敏度和线性度相矛盾； 变间隙式电感传感器

4、用于小位移比较精确；一般/0= 0.1-0.2； 为减小非线性误差，实际测量中多采用差动式。 定义灵敏度 3.1.2 输出特性差动变隙式由两个相同的线圈和磁路组成。当被测量通过导杆使衔铁左右位移时，两个回路中磁阻发生大小相等、方向相反的变化，形成差动形式。3.1.2 输出特性对上式进行线性处理并忽略高次项：则差动式灵敏度为： 电感的变化为：3.1.2 输出特性讨论： 比较单线圈，差动式的灵敏度提高了一倍； 差动式非线性项比单线圈多乘了(/0)因子； 不存在偶次项，因/01，线性度得到改善。 差动式的两个电感结构，可抵消温度、噪声干扰 的影响。3.1.2 输出特性讨论： 比较单线圈，差动式的灵敏

5、度提高了一倍； 差动式非线性项比单线圈多乘了(/0)因子； 不存在偶次项，因/00，不论u2与us是正半周还是负半周，负载电阻RL两端得到的电压uo始终为正。 当x0时：u2与us为同频反相。不论u2与us是正半周还是负半周，负载电阻RL两端得到的输出电压uo表达式总是为 3.2 互感式传感器(a)被测位移变化波形图 (b)差动变压器激励电压波形 (c)差动变压器输出电压波形 (d)相敏检波解调电压波形 (e)相敏检波输出电压波形(a)(e)(d)(c)(b)图3-17 波形图 由于两个次级线圈绕组电气系数 （M互感 L电感 R内阻）不同，几何尺寸工艺上很难保证完全相同。实际的特性曲线，在零点

6、上总有一个最小的输出电压，这个铁芯处于中间位置时最小不为零的电压称为零点残余电压。 3.2.3 零点残余电压 为减小零点残余电压的影响，一般要用电路进行补 偿,电路补偿的方法较多,可采用以下方法。 串联电阻：消除两次级绕组基波分量幅值上的差异； 并联电阻电容：消除基波分量相差，减小谐波分量； 加反馈支路：初次级间反馈，减小谐波分量； 相敏检波对零点残余误差有很好的抑制作用。串 联 电 阻并 联 电 阻3.2.3 零点残余电压3.2.4补偿零残电压的电路（1）压差计 当压差变化时，腔内 膜片位移使差动变压器次 级电压发生变化，输出与 位移成正比，与压差成正 比。 3.2.5 应用举例 差动变压器

7、式传感器可直接用于位移测量，也可以用来测量与位移有关的任何机械量，如振动，加速度，应变等等。（2）液位测量沉筒式液位计将水位变化转换成位移变化，再转换为电感的变化，差动变压器的输出反映液位高低。3.2.5 应用举例（3）微压传感器 3.2.5 应用举例2022/9/25562022/9/25572022/9/25582022/9/25592022/9/25602022/9/25612022/9/25622022/9/25633.3 电涡流式传感器 基本概念电涡流式传感器是一种建立在涡流效应原理上的传感器。涡流效应：金属导体置于变化的磁场中，在金属导体内会产生感应电流涡电流，这种电流在金属体内是

8、闭合的。形成涡电流的两个条件： 有交变磁场；导电体位于交变磁场中。涡流传感器主要由产生交变磁场的通电线圈和置于线圈附近的金属导体（可以是被测物）两部分组成。电涡流传感结构简单、频率响应宽、灵敏度高、测量范围大、抗干忧能力强，特别是有非接触测量的优点，因此在工业生产和科学技术的各个领域中得到了广泛的应用。DO-2型电涡流传感器DO-2型电涡流传感器由DO型前置放大器和电涡流探头组合构成。电涡流传感器实物图片3.3.1 工作原理定性分析： 如图3-17，扁平线圈置于金属体附近，当线圈中通有高频交变电流 I1 时，线圈周围就产生交变磁场H1。置于这一磁场中的金属导体就产生电涡流 I2，电涡流也将产生

9、一个新磁场H2，H2的方向总是与H1的变化方向相反（即H2总是抵抗原磁场H1 的变化）。由于H2的作用，且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Z。图3.17 电涡流传感器原理图 如果保持上式中其它参数不变，只改变其中某个参数，传感器线圈阻抗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，从而构成测量该参数的传感器。Z=F (，r，f，x) 因此可制成位移传感器、探伤检测仪、测厚仪等。 一般来讲，引起线圈阻抗Z变化的因素有：导体的电阻率、磁导率、几何形状及线圈的几何参数r ，激励电流频率f，以及线圈到被测导体间的距离

10、x有关。3.3.2 简化模型及等效电路 为了分析方便，将电涡流式传感器模型简化为如图3.18所示。 模型中把在被测金属导体上形成的电涡流等效成一个短路环中的电流。其中h由以下公式求得： 图3-19 涡流作用原理及等效电路 图中R1、L1为传感器线圈的电阻和电感。短路环可认为是一匝短路线圈，其电阻为R2、电感为L2。线圈与导体间存在一个互感系数M，它随线圈与导体间距x 的减小而增大。 根据等效电路可列出电路方程组： 通过解方程组，可得I1、I2。 因此传感器线圈受到金属导体（涡流）影响后的复阻抗为： 高频线圈的等效电阻为： 其中： 为反射电阻-涡流回路 电阻折算至高频线圈。高频线圈的等效电感为：

11、 其中： 为反射电感-涡流回路 电感折算至高频线圈。由以上分析可以看出： 等效阻抗中的电阻Req总比原高频线圈的电阻R1要大。 这是由于涡流损耗、磁滞损耗都将阻抗的实部增加。 等效电感Leq与磁效应有关。 因为高频线圈电感L1与金属导体的磁性质有关：当金属为磁性材料， L1将增大；非磁性材料，则不会影响L1。 此外，等效电感中第二项与涡流效应有关：涡流引起的磁场H2将使等效电感减少，且x越小，电感减少的程度就越大。 等效电阻和等效电感，也常用线圈的品质因数Q来描述，定义为：可以证明：线圈品质因素的相对值(Q2/Q1)是互感系数M平方的函数。 其中Q2、Q1分别为有涡流影响和无涡流影响时的品质因

12、数。3.3.3 转换电路 由电涡流传感器的工作原理可知，被测量变化可以转换成传感器线圈的参数如品质因数Q、等效阻抗Z和等效电感L的变化。转换电路的任务是把这些参数转换为电压或电流输出，相应地有三种转换电路：Q值转换电路，阻抗转换电路，电感转换电路。 Q值转换电路使用较少。阻抗转换电路一般用电桥法。 电感转换电路一般用谐振法，也称电感变换器。通常是将线圈的电感L与固定电容C并联组成谐振回路。有调频法和调幅法之分。变频调幅式 输出特性（1）调幅法 其原理如图3.21所示。L为传感器线圈电感；C 为谐振电容；石英振荡器产生稳压稳频的高频激励电压。图3.21 调幅法电路原理图（2）调频法 如图3.22

13、为一种具体调频电路。传感器线圈L接在LC振荡器中作为电感使用。R1是偏置电阻，C1完成正反馈。当传感器线圈与金属导体距离改变，则电感发生变化，改变了振荡器的频率，因而影响R2的输出。图3.22 调频法电路原理图 电涡流传感器的设计 探头的设计 1线圈1 2线圈2 3框架 4支架 5电缆 6插头 低频透射式涡流厚度传感器涡流传感器应用实例高频反射式涡流厚度传感器在带材的上、下两侧对称地设置了两个特性完全相同的涡流传感器S1、S2 。 S1、 S2与被测带材表面之间的距离分别为x1和x2。 x1和x2由涡流传感器 测出，经调理电路变为对应的电压值，再经A/D转换器，变为数字量，送入单片机。单片机分

14、别算出x1和x2值，然后由公式d=D(x1+ x2)计算出板厚。D值由键盘设定。板厚值送显示器显示。电涡流式转速传感器 在软磁材料制成的输入轴上加工一键槽, 在距输入表面d0 处设置电涡流传感器, 输入轴与被测旋转轴相连。 当旋转体旋转时，电涡流传感器便周期地输出电信号，此电压脉冲信号经放大、整形，用频率计测出频率，由公式计算出轴的转速。3.4 压磁式传感器 3.4.1 工作原理 某些铁磁物质在外界机械压力的作用下，产生应力。在作用力方向磁导率减小，而在作用力垂直方向磁导率略有增大；作用力取消后，磁导率复原。铁磁材料的压磁效应还与外磁场有关。受力作用导致磁导率发生改变的现象称压磁效应。为了使磁

15、感应强度与应力之间有单值的函数关系，必须使外磁场强度的数值一定。 压磁式(又称磁弹式)传感器是一种力电转换传感器。其基本原理是利用某些铁磁材料的压磁效应。 将单位应力引起磁导率的相对变化，定义为压磁应力灵敏度：3.4.2 工作方式图3.23 压磁式传感器结构形式之一 图3.23所示为其原理结构图。图(a)、(b)为测量压力P的传感器，输出L有如下关系： 图(d)、(e)的结构与互感式传感器器相似，输出E2与各参数关系如下： 激励电压 系数 有单向压磁效应、双向压磁效应和维捷曼效应之分。 1）单向压磁效应2双向压磁效应 图3.24（a）为典型的压磁式力传感器。压磁材料的中部开有四个对称的小孔，沿

16、对角线方向各绕两个绕组，这两个绕组在空间相互垂直。 W1为一次绕组，用交流电供电；W2为二次绕组作为敏感绕组。 当一次绕组通以交流电流时，铁心中就会产生磁场。在无外力作用下，A、B、C、D四个区域的磁导率是相同的。这时合成磁场强度H平行与输出绕组的平面，磁力线不与敏感绕组交链，不产生感应电动势，如图b所示。 在压力F作用下，如图c或d。一次绕组磁力线重新分布，合成磁场H不再与W2 平面平行，部分磁力线与W2 交链而产生感应电动势e。F值越大，与W2 交链的磁通越多，输出值越大。图3.24 压磁式传感器结构形式之二 压磁式传感器结构3.5 感应同步器 感应同步器可用来测量直线位移（长感应同步器/直线式感应同步器）或转角位移（圆感应同步器/旋转式感应同步器）。结构及组成 a、组成： 长感应同步器：由定尺和滑尺组成，图3.28 。 圆感应同步器：由转子和定子组成，附图3.28。 两者制造工艺相同-在金属（或玻璃）基板上，粘上铜箔，然后腐蚀成图示平面绕组。用此工艺制成的“绕组”，习惯称印制电路绕组。图3.28 长感应同步