《传感器技术及应用》-6.项目六电感式传感器测量位移

位移检测角位移检测线位移检测编码器将角位移通过编码器转换为与之成一定函数关系的脉冲输出超声波传感器电感式传感器电容式传感器通过电感的电涡流效应，测量金属导体与探头端面的相对距离利用超声波的传输速度进行测距，具有无接触，低成本等优点通过传感器的电容值变化，测量金属、非金属与探头端面的距离知识目标：1.掌握电感式传感器的工作原理及特性；2.掌握电感式传感器的结构及测量电路；3.熟悉电感式传感器的应用。能力目标：1.能够正确安装电感式传感器；2.能够使用电感式传感器进行测量。项目要求电感式滚柱直径分选装置外形（参考无锡市通达滚子有限公司资料）

在生产流水线中物位的检测十分常见。在装配轴承滚珠中，为保证轴承的质量，一般要先对滚珠直径进行分选，各滚珠直径的误差在几微米，采用电感式传感器进行微位移检测。项目要求滚柱分选装置示意图知识链接1、自感式传感器分类：变间隙型、变面积型、螺线管型组成：线圈、铁芯、活动衔铁（a）变间隙型

（b）变面积型

自感式传感器的结构示意图1-线圈

2-铁芯

3-衔铁（c）螺线管型知识链接利用电磁感应原理，将被测非电量的变化转换成线圈的自感系数L或互感系数M的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。电感式传感器知识链接不足：存在交流零位信号，不宜于高频动态测量。优点：结构简单，工作可靠，寿命长；灵敏度高，分辨率高。能测出0.1mm甚至更小的机械位移变化，能感受小至0.1角秒的微小角度变化。重复性好，线性度优良，性能稳定；输出阻抗小，输出功率大；抗干扰能力强，适合在恶劣环境中工作。知识链接1、自感式传感器（1）变间隙型自感式传感器工作原理

当衔铁上下移动时，磁路中气隙的磁阻发生变化，从而引起线圈自感的变化，这种变化与气隙大小相对应。变间隙型自感式传感器结构示意图知识链接1、自感式传感器（1）变间隙型自感式传感器根据电感的定义，线圈的电感量可由下式确定：N：线圈匝数Rm：磁路总磁阻自感的计算及特性分析知识链接1、自感式传感器（1）变间隙型自感式传感器μ：导磁率；A：空气隙截面积；μ0：真空磁导率假设忽略绕组的漏磁，不考虑边缘效应，认为铁芯和气隙中的磁场均匀分布，则总的磁阻为：

知识链接1、自感式传感器（1）变间隙型自感式传感器变间隙式电感传感器的灵敏度为

变间隙式电感传感器输出特性为了保证一定的线性度，传感器只能工作在一段很小的线性区域，因而只适用于微小位移的测量。

知识链接1、自感式传感器（2）变面积型自感式传感器工作时，当气隙厚度不变，铁芯与衔铁之间相对覆盖面积（磁通截面）随被测位移量的变化而变化，从而导致线圈电感发生变化。变面积式电感传感器结构原理

知识链接1、自感式传感器（2）变面积型自感式传感器减小铁心与衔铁之间的有效投影面积，在较小的范围内，电感成比例减小。L与A0特性曲线由于漏感等原因，当A=0时，仍然存在较大的电感，所以其线性区较小，而且灵敏度也较低。AA变面积型电感传感器：线性

知识链接1、自感式传感器（3）螺线管型自感式传感器主要由一柱型活动衔铁插入螺线管圈内构成。其活动衔铁随被测对象移动，线圈磁感线路径上的磁阻发生变化，因而线圈电感量改变。螺线管型传感器的结构图知识链接1、自感式传感器（3）螺线管型自感式传感器特点：结构简单，制造装配容易；由于空气间隙大，磁路的磁阻高，故灵敏度较前两种低，但线性范围大；由于磁路大部分为空气，易受外步磁场干扰知识链接1、自感式传感器（4）差分式电感传感器

为提高传感器的灵敏度，减小测量误差，常采用两个相同的传感器线圈共用一个衔铁，构成差分式电感传感器。差分式电感传感器结构示意图差动式电感传感器对外界影响，基本上可以互相抵消，减小了测量误差；差动式电感传感器的线性较好，且灵敏度提高了近一倍。知识链接2、互感式传感器(差动变压器)把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化的传感器称为互感式传感器。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并将次级线圈绕组用差动形式连接。知识链接2、互感式传感器(差动变压器)差动变压器按结构形式不同分为变间隙型、变面积型和螺线管型。目前多采用螺线管型差动变压器，它可测量1-100mm范围内的机械位移。差动变压器结构示意图知识链接2、互感式传感器(差动变压器)差动变压器结构形式（实物）知识链接2、互感式传感器(差动变压器)

差动变压器等效电路图知识链接2、互感式传感器(差动变压器)差动变压器的输出电压波形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。知识链接2、互感式传感器(差动变压器)磁路不同。普通变压器的磁路在铁芯内形成闭合回路；差动变压器的磁路经铁芯、空气隙与原、副边形成闭合回路。互感系数M不同。普通变压器原、副边线圈的互感系数是常数；而差动变压器的原、副边线圈的互感系数是变量。副边线圈不同。普通变压器的副边线圈有一组或多组，彼此独立；而差动变压器的副边线圈只有两组，彼此反接。差动变压器与一般变压器比较：知识链接3、电涡流式传感器电涡流式传感器是20世纪70年代发展起来的新型传感器，它的特点是结构简单、灵敏度高、频率响应范围宽，还可对一些参数进行非接触的连续测量。电涡流式传感器主要分为高频反射式和低频透射式两类。知识链接3、电涡流式传感器

由法拉第电磁感应原理可知：一个块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作用切割磁力线运动时，导体内部会产生一圈圈闭合的电流，这种电流叫做电涡流，这种现象叫做电涡流效应。电涡流式传感器是利用电涡流效应原理，将位移等非电量转换为阻抗的变化，从而进行非电量测量。知识链接3、电涡流式传感器(1)高频反射式电涡流传感器

由安置在框架上的扁平圆形线圈构成。此线圈可粘贴于框架上，或在框架上开一槽，将导线绕在槽内。下图为CZF1型涡流传感器的结构原理，它是将导线绕在聚四氟乙烯框架窄槽内。知识链接3、电涡流式传感器(1)高频反射式电涡流传感器高频交变电流产生交变磁场，在金属导体内引发电涡流。涡流将产生反向交变磁场，H2与H1方向相反，因而抵消部分原磁场，从而导致线圈的电感量阻抗和品质因数发生变化。基本原理高频反射式电涡流传感器知识链接3、电涡流式传感器(1)高频反射式电涡流传感器知识链接3、电涡流式传感器(2)低频透射式电涡流传感器当在L1上加低频电压u1时，则产生交变磁通ϕ1，无金属板时，直接耦合至接收线圈L2中，在L2中产生感应电压E,放入金属板后，则在金属板中产生电涡流，引起E的下降。t越大，E就越小。这就是侧厚依据。低频透射式电涡流传感器工作原理低频透射式涡流传感器的检测范围为1～100mm分辨率为0.1μm，线性度为1%知识链接3、电涡流式传感器(2)低频透射式电涡流传感器项目实施—任务分析根据滚珠分选装的检测范围及灵敏度要求，结合电感式传感器的相关知识，选用差动螺线管插铁型电感式传感器。项目实施—实施步骤1.根据图6-12将差动变压器安装在差动变压器实验模块上。图6-12差动变压器实验模块安装图图6-13接线图2.将传感器引线插头插入实验模块的插座中，音频信号由振荡器的“０°”处输出，打开主控台电源，调节音频信号输出的频率和幅度（用上位机软件检监测），使输出信号频率为4-5kHz，幅度为Vp-p＝2v，按图6-13接线（1、2接音频信号，3、4为差动变压器输出，接放大器输入端）。3.用上位机观测U0的输出，旋动测微头，使上位机观测到的波形峰－Vp-p峰值为最小，这时可以左右位移，假设其中一个方向为正位移，另一个方向则称为负位移，从Vp-p最小开始旋动测微头，每隔0.2mm从上位机上读出输出电压Vp-p值，填入表6-1中，再从Vp-p最小处反向位移做实验，在实验过程中，注意左、右位移时，初、次级波形的相位关系。项目实施—实施步骤1.根据图6-12将差动变压器安装在差动变压器实验模块上。图6-12差动变压器实验模块安装图图6-13接线图2.将传感器引线插头插入实验模块的插座中，音频信号由振荡器的“０°”处输出，打开主控台电源，调节音频信号输出的频率和幅度（用上位机软件检监测），使输出信号频率为4-5kHz，幅度为Vp-p＝2v，按图6-13接线（1、2接音频信号，3、4为差动变压器输出，接放大器输入端）。3.用上位机观测U0的输出，旋动测微头，使上位机观测到的波形峰－Vp-p峰值为最小，这时可以左右位移，假设其中一个方向为正位移，另一个方向则称为负位移，从Vp-p最小开始旋动测微头，每隔0.2mm从上位机上读出输出电压Vp-p值，填入表6-1中，再从Vp-p最小处反向位移做实验，在实验过程中，注意左、右位移时，初、次级波形的相位关系。知识拓展

1.电磁流量计2.电位器式传感器油量表原理图应用拓展电感传感器在仿形机床中的应用1—标准靠模样板2—测端（靠模轮）3—电感测微器4—铣刀龙门框架5—立柱6—伺服电动机7—铣刀8—毛坯配钥匙应用拓展2电感式圆度计该圆度计采用旁向式电感测微头1、被测物体2、耐磨测端3、电感测端测量原理图测量结果应用拓展圆度测量测量数据处理应用拓展应用拓展轴向式电感测微器外形

红宝石测头航空测头其他电感测头应用拓展位移测量轴向式电感测微器1—引线电缆2—