教学材料《传感器》-第五章

5.1概述1.电感式传感器的定义利用电磁感应原酬各被测非电量(如位移、压力、流量、振动等)转换成线圈自感系数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，这种装置称为电感式传感器(如图5-1所示)。它是一种机电转换装置，被广泛应用于现代的工业生产和科学技术中。

2.电感式传感器的分类电感式传感器可分为自感式传感器、差动变压式传感器和电涡流传感器3种类型，如图5一2所示。下一页返回5.1概述3.电感式传感器的特点(1)结构简单:没有活动的电触点，寿命长。(2)灵敏度高:输出信号强，电压灵敏度每毫米能达到上百毫伏。(3)分辨率大:能感受微小的机械位移与微小的角度变化。(4)重复性与线性度好:在一定位移范围内，输出特性的线性度好，输出稳定。(5)电感式传感器的缺点是存在交流零位信号，不适宜进行高频动态测量。上一页返回5.2自感式传感器5.2.1自感式传感器的结构自感式传感器的结构如图5-3所示。它由线圈、铁芯和衔铁3部分组成。铁芯与衔铁由硅钢片或坡莫合金等导磁材料制成。5.2.2自感式传感器的工作原理自感式传感器是把被测量变化转换成自感L的变化，通过一定的转换电路转换成电压或电流输出。传感器在使用时，其运动部分与动铁芯(衔铁)相连，当动铁芯移动时，铁芯与衔铁间的气隙厚度δ发生改变，引起磁路磁阻变化，导致线圈电感值发生改变，只要测量电感量的变化，就能确定动铁芯的位移量的大小和方向。其原理图如图5-4所示。下一页返回5.2自感式传感器自感式传感器计算公式如下。式中N—线圈匝数;L—线圈自感系数;I—线圈中所通交流电的有效值;φ—线圈的磁通量;RM—总磁阻;μ0—空气的导磁率;S—气隙的截面积;δ—气隙的厚度。上一页下一页返回5.2自感式传感器将式(5-2)代人式(5-1)，可得上式表明，当线圈匝数N为常数时，电感L仅仅是磁路中磁阻RM的函数，只要改变δ或S均可导致电感变化，因此变磁阻式传感器又可分为变气隙

δ

厚度的传感器和变气隙面积S的传感器。上一页下一页返回5.2自感式传感器5.2.3差动式自感传感器由于线圈中通有交流励磁电流，因而衔铁始终承受电磁吸力，会引起振动和附加误差，而且非线性误差较大。外界的干扰、电源电压频率的变化、温度的变化都会使输出产生误差。在实际使用中，常采用两个相同的传感线圈共用一个衔铁，构成差动式自感传感器，两个线圈的电气参数和几何尺寸要求完全相同。这种结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对温度变化、电源频率变化等的影响也可以进行补偿，从而减少了外界影响造成的误差，可以减小测量误差。上一页下一页返回5.2自感式传感器1.差动式自感传感器的结构当衔铁移动时，一个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减少，形成差动形式。当铁芯的结构和材料确定后，根据式(5-4)可知自感L是气隙厚度

δ

和气隙磁通截面积S的函数，即L=f(δ,S)。如果保持S不变，则L为

δ

的单值函数，可构成变气隙型自感传感器;如果保持

δ

不变，使S随位移而变，则可构成变截面型自感传感器;如果在线圈中放入圆柱形衔铁，当衔铁上下移动时，自感量将相应变化，就构成了螺线管型自感传感器。图5-5是变气隙式、变面积式及螺管式3种类型的差动式自感传感器的结构示意图。上一页下一页返回5.2自感式传感器

2.差动式自感传感器的特点在3种形式的差动式自感传感器中以变气隙厚度δ式电感传感器的应用最广。其结构剖面图如图5-6所示。自感系数特性曲线图如图5-7所示。差动气隙式电感传感器由两个相同的差动线圈1,2和磁路组成，测量时，衔铁通过测杆与被测位移量相连，当被测体上下移动时，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。上一页下一页返回5.2自感式传感器根据结构图与自感系数曲线图可以看出，差动式与单线圈电感式传感器相比，具有以下优点。

(1)线性度高。

(2)灵敏度高，即衔铁位移相同时，输出信号大一倍。

(3)温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度的影响，由于能互相抵消而减小。

(4)电磁吸力对测力变化的影响也由于能相互抵消而减小。上一页下一页返回5.2自感式传感器5.2.4电感式传感器的测量电路自感式传感器实现了把被测量的变化为电感量的变化。为了测出电感量的变化，就要用转换电路把电感量的变化转换成电压(或电流)的变化，最常用的转换电路有调幅、调频和调相电路。

1.调幅电路

1)变压器电路

图5-8所示为变压器电桥，Z1和Z2为传感器两个线圈的阻抗，另两臂为电源变压器二次侧线圈的两半，每半的电压为u/2，输出空载电压为上一页下一页返回5.2自感式传感器1)当衔铁处于中间位置时，2)当衔铁偏离中间零点时，设，代入式(5-5)，可得同理，当传感器衔铁移动方向相反时，则代入式(5-5)，可得比较式(5-6)和式(5一7),说明这两种情况输出电压大小相等、方向相反，即相位相差180°，而这两个式子所表示的电压都为交流电压，如果用示波器观察波形，结果是一样的。为了判别衔铁的移动方向，需要在后续电路中配相敏检波电路解决。上一页下一页返回5.2自感式传感器

2)相敏检波电路

图5-9是相敏检波电路的原理图。电桥由差动电感传感器线圈Z1和Z2及平衡电阻R1和R2组成。当R1=R2时，VD1~VD2构成了相敏整流器，桥的一个对角线接有交流电源u，另一个对角线接有电压表。

(1)当差动衔铁处于中间位置时，Z1=Z2=Z,输出电压U0=0。

(2)当衔铁偏离中间位置而使Z2=Z+ΔZ增加时，Z1=Z-ΔZ减少，当电源u上端为正，下端为负时，电阻R2上的压降大于R1上的压降;当电源u上端为负，下端为正时，电阻R2上的压降小于R1上的压降，则电压表的输出都是下端为正，上端为负。上一页下一页返回5.2自感式传感器

2.调频电路调频电路的基本原理是，传感器电感L的变化引起输出电压频率f的变化。一般把传感器电感线圈L和一个固定电容C接入一个振荡电路中，如图5-10所示。图中G表示振荡电路，其振荡频率

。当L变化时，振荡频率随之变化，根据f的大小即可测出被测量的值。图5-10(b)所示为f和L的特性，它们具有严重的非线性关系，要求后续电路做适当线性化处理。上一页下一页返回5.2自感式传感器

3.调相电路调相电路的基本原理是，传感器电感L的变化将引起输出电压相位ψ的变化。图5-11(a)所示是一个相位电桥，一臂为传感器，另一臂为固定电阻Ro设计时使线圈具有高品质因数。忽略其损耗电阻，则电感线圈与固定电阻上的压降和;二个相量是垂直的，如图5-11(b)所示。当电感L变化时，输出电压的幅值不变，相位角ψ随之变化。ψ与L的关系为图5-11(c)所示为一L特性关系曲线。上一页下一页返回5.2自感式传感器5.2.5电感式传感器的应用电路

1.电感式滚柱直径分选装置电感式滚柱直径分选装置的实物图如图5-12所示，其内部结构原理如图5-13所示。由机械排序装置送来的滚柱按顺序进入电感测微仪。电感测微仪的测杆在电磁铁的控制下，先提升到一定的高度，让滚柱进入其正下方，然后电磁铁释放。衔铁向下压住滚柱，滚柱的直径决定了衔铁位置的大小。电感传感器的输出信号送到计算机，计算出直径的偏差值。完成测量的滚柱被机械装置推出电感测微仪，这时相应的翻板打开滚柱落入与其直径偏差相对应的容器中。以上测量和分选步骤是在计算机控制下进行的。上一页下一页返回5.2自感式传感器

2.变气隙式差动电感压力传感器

图5-14所示为变气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。当被测压力进入C形弹簧管时，C形弹簧管产生变形，其自由端发生位移，带动与自由端连接成一体的衔铁运动，使线圈1和线圈2中的电感产生大小相等、符号相反的变化，即一个电感量增大，另一个电感量减小。电感的这种变化通过电桥电路转换成电压输出。再通过相敏检测电波等电路处理，使输出信号与被测压力之间成正比例关系，即输出信号的大小决定于衔铁位移的大小，输出信号的相位决定于衔铁移动的方向。上一页下一页返回5.2自感式传感器

3.其他应用电感式传感器还可以应用于磨加工主动测量(如图5-15(a)所示)、测量长度位移量(如图5-15(b）所示)和制作电子柱测微仪(如图5-15所示)。上一页返回5.3差动变压器式传感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，把被测位移量转换为一次线圈与二次线圈间的互感量M变化的装置。当一次线圈接入激励电源后，二次线圈就将产生感应电动势，当两者间的互感量变化时，感应电动势也相应变化。由于两个二次线圈采用差动接法，故称为差动变压器式传感器，简称差动变压器。下一页返回5.3差动变压器式传感器5.3.1差动变压器的结构差动变压器结构形式较多，有变隙式、变面积式和螺线管线等。图5-16(a)、(b)两种结构的差动变压器，衔铁均为板形，灵敏度高，但测量范围较窄，一般用于测量几微米到几百微米的机械位移。对于位移在1mm至上百毫米的测量，常采用圆柱形衔铁的螺管型差动变压器，如图5-16(c),(d)所示的两种结构。如图5-16(e),(f)所示的两种结构是测量转角的差动变压器，通常可测到几秒的微小位移，输出线性范围一般在士10℃左右。非电量测量中，应用最多的是螺线式差动变压器，它可以测量1~100mm范围内的机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点。上一页下一页返回5.3差动变压器式传感器5.3.2差动变压器的工作原理差动变压器的结构虽有很多形式，但其工作原理基本相同。差动变压器的结构与差动电感传感器一样，也是由铁芯、衔铁和线圈3部分组成。其不同之处在于，差动变压器上、下两只铁芯均有一个初级线圈1(又称激励线圈)和一个次级线圈2(也称输出线圈)。上、下两只初级线圈串联后接交流激励电压，两只次级线圈则按电势反相串接。上一页下一页返回5.3差动变压器式传感器以三段式螺管差动变压为例，来叙述差动变压器的工作原理。图5-17为三段式螺管差动变压器结构示意图，其等效电路如图5-18所示。将两个匝数相等的次级绕组的同名端反向串联，向初级绕组N1加以激磁电压时，根据变压器的作用原理在两个次级绕组N21和N22中就会产生感应电势，如果工艺上保证变压器结构完全对称，则当活动衔铁处于初始平衡位置时，输出电压为零。当活动衔铁向某一个次级线圈方向移动时，则该次级线圈内磁通增大，使其感应电势增加，差动变压器有输出电压，且其数值反映了活动衔铁的位移。上一页下一页返回5.3差动变压器式传感器根据图5-18等效电路，利用电路理沦中处理互感电路问题的方法，可以得到输出电压U0的有效值为(1)活动衔铁处于中间位置时，M1=M2，U0

=0(2)活动衔铁向上移动时，M1>M2，则U0

≠0(3)活动衔铁向下移动时，M1<M2，则U0

≠0差动变压器输出电压曲线如图5-19所示。上一页下一页返回5.3差动变压器式传感器5.3.3差动变压器的测量电路差动变压器的输出电压是调幅波，为辨别衔铁的移动方向，要进行解调。常用解调电路有:差动相敏检波与差动整流电路。采用解调电路还可以消除零位电压。

1.差动相敏检波电路差动相敏检波的形式很多，图5-20所示是其中的两例。相敏检波电路要求参考电压与差动变压器次级输出电压的频率相同，相位相同或相反;因此常接入移相电路。为了提高检波效率，参考电压幅值取为信号的3-5倍。图中Rw是调零电位器。对测量小的位移的差动变压器，若输出信号过小，电路中可以接入放大器。上一页下一页返回5.3差动变压器式传感器2.差动整流电路差动整流电路非常简单，不需参考电压，不需要考虑相位调整和零位电压的影响，对感应和分布电容影响不敏感。此外经差动整流后变成直流输出便于远距离输送。差动整流电路结构的如图5-21所示。应该指出，经相敏检波和差动整流输出的信号还需经低通滤波器消除高频滤波，才能得到与衔铁一致的有用信号。上一页下一页返回5.3差动变压器式传感器5.3.4差动变压器的应用电路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，如力、力矩、压力、压差、振动、加速度、应变、液位等。

1.力和力矩的测量图5-22所示为差动变压器式力传感器。具有缸体状空心截面的弹性3发生形变，衔铁相对线圈移动，产生正比力的输出电压。这种传感器的优点是承受轴向力时，应力分布均匀;当长径比较小时，受横向偏心分力的影响较小。将这种传感器结构做适当改进，可在电梯载荷测量中应用。如果将弹性元件设计成敏感圆周方向变形的结构，并配有相应的电感传感器，就能构成力矩传感器。这种传感器已成功地应用于船模运动的测试分析中。上一页下一页返回5.3差动变压器式传感器2.压力测量差动变压器式传感器与弹性敏感元件(膜片、膜盒和弹簧管等)相结合，可以组成开环压力传感器和闭环力平衡式压力计，可用来测量压力或压差。

图5-23所示为微压力变送器结构示意图。在无压力作用时膜盒处于初始状态，固连于膜盒中心的衔铁位于差动变压器线圈的中部，输出电压为零。当被测压力经接头输入膜盒后，推动衔铁移动，从而使差动变压器输出正比于被测压力的电压。这种微压力传感器可测量(-4~6)x104Pa的压力。上一页下一页返回5.3差动变压器式传感器

3.加速度传感器

图5-24所示为差动变压器式加速度式传感器原理结构图，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线圈骨架固定，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，使加速度的测量转换变为位移的测量。当被测体带动衔铁以

Δx振动时，差动变压器的输出电压也按相同规律变化。通过输出电压值的变化间接地反映了被测加速度值的变化。上一页返回5.4电涡流式传感器5.4.1电涡流式传感器的工作原理根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体置于变化的磁场中，导体内将产生呈涡旋状的感应电流，称之为电涡流或涡流，这种现象称为涡流效应。电涡流传感器是利用电涡流效应，将位移、温度等非电量转换为阻抗的变化或电感的变化从而进行非电量电测的，目前生产的变间隙位移传感器，其量程范围为300~800m。

图5-25是电涡流式传感器示意图。一个通有高频(1~2MHz)变交电流

的传感器线圈，由于电流的变化，在线圈周围会产生一个交变磁场H1,当被测导体置于该磁场范围之内，被测导体内便产生电涡流，电涡流也将产生一个新磁场H2，H2和H1方向相反，抵消部分原磁场，从而导致线圈的电感量、阻抗和品质因素发生变化。下一页返回5.4电涡流式传感器一般地说，传感器线圈的阻抗、电感和品质因素的变化与导体的几何形状、电导率、磁导率，也与线圈的几何参数、电流的频率以及线圈到被测导体间的距离有关。如果只控制上述参数中的一个参数发生变化而其余皆不变，就可以构成位移、温度等各种传感器。

5.4.2电涡流式传感器的结构电涡流式传感器结构比较简单，主要由一个安置在探头壳体的扁平圆形线圈构成。图5-26为电涡流式传感器的内部结构，图5-27为电涡流传感器的实物图。

5.4.3电涡流式传感器的测量电路利用电涡流式变换元件进行测量时，为了得到较强的电涡流效应，通常使激磁线圈工作在较高频率下，所以信号转换电路主要有调幅电路和调频电路两种。上一页下一页返回5.4电涡流式传感器1.调幅式(AM)电路调幅式(AM)电路的结构如图5-28所示。石英晶体振荡器产生稳频、稳幅高频振荡电压(100kHz~1MHz)用于激励电涡流线圈。金属材料在高频磁场中产生电涡流，引起电涡流线圈电压的衰减，再经高频放大器、检波器、低频放大器，最终输出的直流电压U0

反映了金属体对电涡流线圈的影响。2.调频式电路调频式(FM)电路(100kHz一1MHz)的结构如图5-29所示。当电涡流线圈与被测体的距离x改变时，电涡流线圈的电感量L也随之改变，引起LC振荡器的输出频率变化，此频率可直接用计算机测量。如果要用模拟仪表进行显示或记录，必须使用鉴频器，将△f转换为电压△U上一页下一页返回5.4电涡流式传感器5.4.4电涡流式传感器的应用电路由于电涡流式传感器具有测量范围大、灵敏度高、结构简单、抗干扰能力强和可以非接触测量等优点，所以被广泛应用于工业生产和科学研究的各个领域中。

1.电磁炉电磁炉是日常生活中必备的家用电器之一，涡流传感器是其核心器件之一，高频电流通过励磁线圈，产生交变磁场，在铁质锅底会产生无数的电涡流，使锅底自行发热，烧开锅内的食物。其工作示意图如图5-30所示，电磁炉内部线圈如图5-31所示。上一页下一页返回5.4电涡流式传感器

2.电涡流探雷器探雷器其实是“金属探测器”的一种。它在电子线路与探头环内线圈振荡形成固定频率交变磁场，当有金属接近时，利用金属导磁的原理，改变了线圈的感抗，从而改变了振荡频率发出报警信号，但对非金属不起作用。它通常由探头、信号处理单元和报警装置3大部分组成。探雷器按携带和运载方式不同，分为便携式、车载式和机载式3种类型。便携式探雷器供单兵搜索地雷使用，又称单兵探雷器，多以耳机声响变化作为报警信号;车载式探雷器以吉普车、装甲输送车作为运载车辆，用于在道路和平坦地面上探雷以声响、灯光和屏幕显示等方式报警，能在报警的同时自动停车，适于伴随和保障坦克、机械化部队行动;机载式探雷器使用直升机作为运载工具，用于在较大地域上对地雷场实施远距离快速探测。图5-32为大直径电涡流传感器。上一页下一页返回5.4电涡流式传感器

3.电涡流式接近开关接近开关又称无触点行程开关。它能在一定的距离(几毫米至几十毫米)内检测有无物体靠近。当物体接近到设定距离时，就可发出“动作”信号。接近开关的核心部分是“感辨头”，它对正在接近的物体有很高的感辨能力。图5-33为电涡流式接近开关的原理框图。这种接近开关只能检测金属。电涡流接近开关的实物如图5-34所示。电涡流接近开关的接线方式如图5-35所示。OUT端与GND端的压降Uces约为0.3V,流过K的电流。若IK大于K的额定吸合电流，则K能够可靠吸合。上一页返回要点提示

(1)勿将接近开关置于0.02T以上的磁场环境下使用，以免造成误动作。

(2)为了保证不损坏接近开关，用户接通电源前应检查接线是否正确。

(3)为了使接近开关长期稳定工作，务必进行定期的维护。

(4)DC二线制接近开关具有0.5~1mA的静态