第3章电感式传感器B

第3章电感式传感器本章内容

3.1自感式传感器

3.2差动变压器式传感器

3.3电涡流式传感器

学习目标

掌握自感式传感器、差动变压器式传感器、电涡流传感器的结构、工作原理和测量电路。深刻理解桥形测量电路——电抗平衡电桥、变压器式电桥的构成和转换原理。

理解三类电感式传感器的各自特点、应用范围和典型应用。了解电涡流式传感器的应用。

位移是机械量中最重要的参数，它可分为线位移和角位移。

1、线位移——长度检测

2、角位移——角度检测

*位移量可转换为模拟量和数字量。自感式传感器与位移检测：*电感式传感器基于的物理基础：电磁感应。

*即利用线圈电感或互感的改变来实现非电量测量。电感式传感器也称自感式传感器或变磁阻式传感器。第三章电感式传感器

3.1自感式传感器

3.1.1工作原理一、电感的计算自感式传感器由线圈、铁芯和衔铁3部分组成。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。当衔铁移动时，气隙厚度发生改变，导致电感线圈的电感值变化，只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。图3-1变磁阻式传感器1—线圈；2—铁芯(定铁芯)；3—衔铁(动铁芯)图3-1变磁阻式传感器1—线圈；2—铁芯(定铁芯)；3—衔铁(动铁芯)

线圈中电感量为:式中：ψ——线圈总磁链；I——通过线圈的电流；W——线圈的匝数；

——穿过线圈的磁通。磁路欧姆定律：磁路总磁阻：

通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻，即磁路总磁阻近似表示为：因此，线圈的电感值可近似地表示为当线圈匝数为常数时，只要改变或S0均可导致电感变化，因此变磁阻式传感器又可分为变气隙型电感式传感器和变面积型电感式传感器。二、电感式传感器的类型

(a)变间隙式——δ；(b)变截面式——S；(c)螺管式——δ和S。1.变间隙δ

L与δ之间是非线性关系，特性曲线如右图所示。(1)δ小，灵敏度高；

δ0=0.1~0.5mmδ=(0.1~0.2)δ0(2)非线性误差较大，多用于微小位移测量。2.变气隙截面积S0（衔铁上下位移）

L与S0之间成线性关系，特性曲线如右图所示。

(1)实际的L=f(δ，S0)为非线性；

(2)灵敏度较低，但易装配；

(3)多用于较大位移测量。(1)衔铁行程可较大,测量范围较大。线性较好,应用较广泛；

(2)多用于角位移测量。3.螺管式（变δ和S0）

在实际使用中，常采用两个相同的传感器线圈共用一个衔铁，构成差动式电感传感器。测量时，衔铁通过导杆与被测位移量相连，当被测体移动时，导杆带动衔铁也以相同的位移上下移动，使两个磁回路中磁阻发生大小相等，方向相反的变化，导致一个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减小，形成差动形式。

差动式结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对温度变化、电源频率变化等影响也可以进行补偿，从而减少了外界影响造成的误差。（a）（b）（c）图3-4差动式电感传感器（a）变气隙型；（b）变面积型；（c）螺管型1—线圈；2—铁芯；3—衔铁；4—导杆3.1.2差分电感式传感器原理1.电阻平衡电桥设：Z1=Z+△Z

，Z2=Z-△Z

；R1=R2=R（a）（b）（c）图3-4差动式电感传感器（a）变气隙型；（b）变面积型；（c）螺管型1—线圈；2—铁芯；3—衔铁；4—导杆当ωL>>R，则2.变压器式电桥形测量电路设：Z1下端处的电位为0。则A、B两点电位分别为桥路输出电压分析:(1)铁心居中,Z1=Z2=Z(2)铁心上移,Z1=Z+ΔZ,Z2=Z-ΔZ

(3)铁心下移,Z1=Z-ΔZ,Z2=Z+ΔZ

3.1.3自感式传感器的应用

1、变隙电感式压力传感器

它由膜盒、铁芯、衔铁及线圈等组成，衔铁与膜盒的上端连在一起。

2、变隙式差动电感压力传感器它主要由C形弹簧管、衔铁、铁芯和线圈等组成。

图3-7变隙电感式压力传感器结构图 图3-8变隙式差动电感压力传感器

1—衔铁；2—铁芯；3—线圈；4—膜盒

1—C型弹簧管；2—铁芯；3—线圈1；

4—衔铁；5—线圈2；6—调机械零点螺钉3.2差动变压器式传感器3.2.1差动变压器式传感器的工作原理

差动变压器是把被测的非电量变化转换成绕组互感量的变化。差动变压器结构形式较多，有变隙式、变面积式和螺线管式等，应用最多的是螺线管式差动变压器，它可以测量1～100mm机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点。图3-9螺线管式差动变压器结构1—铁芯；2—导磁外壳；3—骨架；5—初级绕组；4、6—次级绕组

图3-10螺线管式差动变压器的等效电路 图3-11差动变压器输出电压特性曲线

1—实际特性曲线；2—理论特性曲线差动变压器传感器中的两个次级绕组反相串联，当初级绕组加以激励电压U时，在两个次级绕组W2a和W2b中便会产生感应电势e2a和e2b。当活动衔铁处于初始平衡位置时，必然会使两互感系数M1=M2，将有e2a=e2b，因而有Uo=e2a−e2b=0，即差动变压器输出电压为零。当活动衔铁向上移动时，由于磁阻的影响，W2a中磁通将大于W2b，使M1>M2，因而e2a增加，而e2b减小。反之，e2b增加，e2a减小。因为Uo=e2a−e2b，所以当e2a、e2b

随着衔铁位移x变化时，Uo也必将随x而变化。此处不连接

3.2.2差动变压器式传感器的测量电路

1．差动整流电路差动整流电路还可以接成全波电压输出和全波电流输出的形式。

差动整流电路具有结构简单，根据差动输出电压的大小和方向就可以判断出被测量（如位移）的大小和方向，不需要考虑相位调整和零点残余电压的影响，分布电容影响小，便于远距离传输，因而获得广泛的应用。图3-12差动整流电路（a）全波电流输出；（b）全波电压输出；（c）半波电流输出；（d）半波电压输出（2）电压合成输出差分整流电路（1）电流合成输出（3）典型全波相敏整流电路分析1）电流路径设f为“+”、e为“-”，则电流路径fgcdhef；当f为“-”、e为“+”，则电流路径ehcdgfe。2）电路输出uo=usc=uab-ucd分析可知：（a）铁心居中，usc=0；

（b）铁心下移，usc＞0；（c）铁心上移，usc＜0。2.测量电路1、相敏检波电路（1）简单相敏检波电路相敏检波电路要求比较电压与差动变压器二次输出电压频率相同，相位相同或相反。为了保证这一点，通常在电路中接入移相电路。另外，由于比较电压在检波电路中起开关作用，因此其幅值应尽可能大，一般应为信号电压的3～5倍。

设差动电感传感器的线圈阻抗分别为Z1和Z2。当衔铁处于中间位置时，Z1=Z2=Z，电桥处于平衡状态，C点电位等于D点地位，电表指示为零。当衔铁上移，上部线圈阻抗增大，Z1=Z+△Z，则下部线圈阻抗减少，Z2=Z-△Z。如果输入交流电压为正半周……

如果输入交流电压为负半周，A点电位为负，B点电位为正，二极管VD2、VD3导通，VD1、VD4截止，则在B-C-F-A支路中，C点电位由于Z2减少而比平衡时降低（平衡时，输入电压若为负半周，即B点电位为正，A点电位为负，C点相对于B点为负电位，Z2减少时，C点电位更负）；而在B-D-E-A支路中，D点电位由于Z1的增加而比平衡时的电位增高，所以仍然是D点电位高于C点电位，电压表正向偏转。如果输入交流电压为正半周，当A点电位为正，B点电位为负，二极管VD1、VD4导通，VD2、VD3截止。在A-E-C-B支路中，C点电位由于Z1增大而比平衡时的C点电位降低；而在A-F-D-B支路中，D点电位由于Z2的降低而比平衡时D点的电位增高，所以D点电位高于C点电位，直流电压表正向偏转。（2）具有调零功能的相敏检波电路

同样可以得出结果：当衔铁下移时，电压表总是反向偏转，输出为负。

可见采用带相敏整流的交流电桥，输出信号既能反映位移大小又能反映位移的方向。

3.2.3差动变压器式传感器的应用

差动变压器式传感器可以直接用于位移测量，也可以测量与位移有关的任何机械量，如振动、加速度、应变、比重、张力和厚度等。

差动变压器式加速度传感器的原理。它由悬臂梁和差动变压器构成。测量时，将悬臂梁底座及差动变压器的绕组骨架固定，而将衔铁的A端与被测振动体相连，此时传感器作为加速度测量中的惯性元件，它的位移与被测加速度成正比，使加速度测量转变为位移的测量。当被测体带动衔铁以Δx(t)振动时，导致差动变压器的输出电压也按相同规律变化。图3-14差动变压器式加速度传感器1—悬臂梁；2—差动变压器3.3电涡流式传感器3.3.1电涡流式传感器的工作原理

块状金属导体置于变化磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，金属导体内将会产生旋涡状的感应电流，该现象称为电涡流效应。图3-15电涡流式传感器原理图1—金属导体；2—线圈将一个通以正弦交变电流I1的扁平线圈置于金属导体附近，则线圈周围空间将产生一个正弦交变磁场H1，使金属导体中感应电涡流I2，I2又产生一个与H1方向相反的交变磁场H2，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。有效电感量L：

电涡流的去磁作用→线圈电感量L↓。

3.3.2电涡流式传感器的结构电涡流式传感器的结构主要是一个绕制在框架上的扁平绕组，绕组的导线应选用电阻率小的材料，一般采用高强度漆包铜线，图3-16所示为CZF1型电涡流式传感器的结构图，电涡流是采用把导线绕制在框架上形成的，框架采用聚四氟乙烯。图3-16电涡流探头结构1—电涡流线圈；2—探头壳体；3—壳体上的位置调节螺纹；4-印制电路板；5—夹持螺母；6—电源指示灯；7—阈值指示灯；8—输出屏蔽电缆线；9—电缆插头

3.3.3电涡流式传感器的测量电路

用于电涡流传感器的测量电路主要有调频式、调幅式电路两种。1．调频式电路

传感器线圈接入LC振荡回路，当传感器与被测导体距离x改变时，在涡流影响下，传感器的电感变化，将导致振荡频率的变化，该变化的频率是距离x的函数，即f

=L(x)，该频率可由数字频率计直接测量，或者通过f−U变换，用数字电压表测量对应的电压。振荡频率为：（a）（b）图3-17调频式测量电路（a）测量电路框图；（b）振荡电路

2．调幅式电路

由传感器线圈L、电容器C和石英晶体组成的石英晶体振荡电路。石英晶体振荡器起恒流源的作用，给谐振回路提供一个频率(fo)稳定的激励电流io，LC回路输出电压为

Uo=iof(Z)

式中：Z——LC回路的阻抗。

当金属导体远离或去掉时，LC并联谐振回路谐振频率即为石英振荡频率fo，回路呈现的阻抗最大，谐振回路上的输出电压也最大；当金属导体靠近传感器线圈时，线圈的等效电感L发生变化，导致回路失谐，从而使输出电压降低，L的数值随距离x的变化而变化。图3-18调幅式测量电路示意图3.3.4电涡流式传感器的应用1．低频透射式电涡流厚度传感器

在被测金属板的上方设有发射传感器线圈L1，在被测金属板下方设有接收传感器线圈L2。当在L1上加低频电压U1时，L1上产生交变磁通1，若两线圈间无金属板，则交变磁通直接耦合至L2中，L2产生感应电压U2。如果将被测金属板放入两线圈之间，则L1线圈产生的磁场将导致在金属板中产生电涡流，并将贯穿金属板，此时磁场能量受到损耗，使到达L2的磁通将减弱为1，从而使L2产生的感应电压U2下降。金属板越厚，涡流损失就越大，电压U2就越小。U2电压的大小反映了被测金属板的厚度。透射式涡流厚度传感器的检测范围可达1～100mm，分辨率为0.1m，线性度为1%。

图3-19透射式涡流厚度传感器原理图

图3-20电涡流式转速传感器原理图2．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。

当被测旋转轴转动时，电涡流传感器与输出轴的距离变为d0+Δd。由于电涡流效应，使传感器线圈阻抗随Δd的变化而变化，导致振荡器的电压幅值和振荡频率发生变化。因此，随着输入轴的旋转，从振荡器输出的信号中包含有与转速成正比的脉冲频率信号。

该信号由检波器检出电压幅值的变化量，然后经整形电路输出频率为fn的脉冲信号。该信号经电路处理便可得到被测转速。这种转速传感器可实现非接触式测量，抗污染能力很强，可安装在旋转轴近旁长期对被测转速进行监视。最高测量转速可达600000r/min。3．高频反射式电涡流厚度传感器

为了克服带材不够平整或运行过程中上、下波动的影响，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和S2。图3-21高频反射式涡流测厚仪测试系统框图

图3-21高频反射式涡流测厚仪测试系统框图

3．S1和S2与被测带材表面之间的距离分别为x1和x2。若带材厚度不变，则被测带材上、下表面之间的距离总有“x1+x2=常数”的关系存在。两传感器的输出电压之和为2Uo，数值不变。

如果被测带材厚度改变量为Δ

，则两传感器与带材之间的距离也改变一个Δ

，两传感器输出电压此时为2Uo±ΔU，ΔU经放大器放大后，通过指示仪表即可指示出带材的厚度变化值。带材厚度给定值与偏差指示值的代数和就是被测带材的厚度。

4．高频反射式电涡流位移传感器

电涡流位移计是根据高频反射式涡流传感器的基本原理制作的。电涡流位移计可以用来测量各种形状试件的位移量。

电涡流位移计测量位移的范围可以从0～1mm至0～30mm，个别产品已达80mm。一般的分辨率为满量程的0.1%，也有达到0.5m的（其全量程为0～5m）。（a）（b）