第三章电感式传感器

1、1,第三章 电感式传感器,一、自感式传感器,1、变气隙型自感传感器,工作原理：磁路的磁阻变化引起传感器线圈电感变化（自感、互感、电涡流）,应用领域：位移、振动、力、应变、流量、加速度等物理量,可变气隙的铁心线圈：线圈，铁心，衔铁 被测量（位移） 气隙 磁路磁阻 线圈电感,特 点：结构简单，工作可靠，寿命长，性能良好，适于恶劣环境使用 存在交流零位信号（零残电压），不适于高频测试,等效电路：L-线圈电感， Rc线圈铜耗电阻， Re铁心涡耗电阻， Rh(f)磁滞损耗电阻 C线圈寄生电容,2,保持气隙l不变,传感器线圈电感量：气隙较小，认为气隙磁场均匀，忽略磁路铁损：,0-真空磁导率，0 =410-

2、7(H/m) W-线圈匝数； S -磁通截面积； l -磁路长度； l-气隙总长； r-铁心和衔铁的相对磁导率；,对同一传感器线圈：W、0、S、l、r均为常数，常数 K =0W2S,线圈电感：,电感的变化只与气隙长度有关，非线性,输出灵敏度：,气隙：增大灵敏度 - 减小气隙 - 受到工艺和结构的限制。 常取气隙尺寸（即测量范围）为 =l/2 = 0.10.5mm。,灵敏度：负号表示灵敏度随着气隙的增加而减小,2、变面积型自感传感器,衔铁沿水平方向移动,磁通截面积S变化,电感变化,3,传感器线圈的电感：忽略气隙磁通边缘效应 线性,输出灵敏度：,气隙：增大灵敏度 - 减小气隙 - 受到工艺和结构的

3、限制、边缘效应 常取气隙尺寸为 =l/2 = 0.10.5mm（与变气隙型相同）,负号表示灵敏度随着气隙的增加而减小,3、螺管型自感传感器,传感器线圈的电感：,g-比磁导,传感器的输出灵敏度：,特点：由于气隙大，磁路磁阻大，故灵敏度较前两者低。提高衔铁与套筒的直径比与长度比（结构与非线性限制） 增加砸数（受到稳定性限制） 若主磁通不变以及线圈绕阻排列均匀，可得到较大的线性范围,4,4、差动式自感传感器,单一式自感传感器：由于线圈电流的存在，使衔铁受到单向电磁力的作用， 输出信号易受电源电压和频率波动、温度变化等干扰 传感器输出的非线性限制了使用（变面积型传感器） 不适于精密测量。,差动式：由两

4、个单一形式的结构对称组合，改善其性能，,变气隙型差动传感器 ：输出灵敏度,灵敏度提高了一倍。对电源电压与频率的波动以及温度变化等外界干扰也有补偿作用，从而提高了传感器的稳定性。,5,5、自感传感器的测量电路,（1）测量电路组成：,（2）测量电桥：,传感器线圈：Z1=r1+jL1，Z2=r2+jL2 Z1=Z+Z，Z2=Z-Z 初始状态：r10=r20=r0，L10=L20=L0 外接电阻： R1=R2=R,输出电压：,近似线性 E-振荡器稳幅 极性：方向相敏检波,6,若衔铁上移：Z1变大，Z2减小， U正半周：D1、D4导通，D2、D3截止，UCUD，输出负电压 U负半周：D1、D4截止，D2

5、、D3导通，UCUD，输出负电压,隔直-减小直流漂移，高放大倍数，高阻抗,（3）放大器 ：幅值放大，交流放大器，,（4）相敏检波电路 ：判断衔铁移动方向,若衔铁下移：Z1减小，Z2增大， U正半周：D1、D4导通，D2、D3截止，UCUD，输出正电压 U负半周：D1、D4截止，D2、D3导通，UCUD，输出正电压,初始状态：Z1=Z2，输出U0=0,7,理论上-当衔铁处于中间位置时，输出为零 实际上-零位不平衡，输出零为电压-电气参数不对称、几何尺寸偏差,（6）零残电压补偿：,（5）滤波电路 ：滤除交流信号-直流电压,危害：使提前放大器饱和；控制产生误动作；伺服电机发热 - 补偿,Ra：使线圈

6、电阻相等， 消除基波分量 Rb：对某线圈分流， 改变工作点 减小二三级谐波 C： 补偿次级线圈不 对称,8,二、互感式传感器（差动变压器）,1、互感传感器工作原理,变 压 器：闭合磁路 初级、次级互感为常数 一个次级 互感传感器： 开磁路 初级、次级互感随衔铁移动变化 两个次级（差动）,U、I-初级线圈激励电压、电流，频率 L1, R1-初级线圈电感、电阻； L21, R21, L22, R22 -两个次级线圈电感、电阻； M1, M2-初级线圈与次级线圈1、2的互感；,当衔铁处在中间位置时： M1=M2，输出为零 当衔铁偏离中间位置时： M1M2，输出与M1-M2成比，与衔铁位移成正比,传感

7、器开路输出：,W1、W2：初级、次级线圈匝数 0：初始气隙 ：衔铁位移,9,2、互感传感器结构,变气隙型：a, b, c 变面积型：d, e 螺管型： f,10,3、互感传感器测量电路,（1）测量电路组成：,（2）辨向解调电路：,差动相敏检波电路：,差动整流电路：,11,三、电感传感器的应用,1、电感式位移传感器,测量范围：零点几几百毫米 线性度：0.5%，0.1%，0.05%，0.02% 分辨力：0.1m 0.01 m ，1nm,(1) 电感式位移传感器： 测端10：宝石球头（玛瑙） 测杆8：上下轴向移动 导轨7：滚动式-多排钢珠，过盈，摩擦小， 误差小，精度高，寿命长 滑动式-间隙（测杆-

8、导套），易磨损， 精度低，寿命低，大行程 片簧式-无间隙，无摩擦，精度高， 测力变化大，行程小，体积大 磁芯3：螺管型 线圈4：差动 弹簧5：蝶簧，产生测力 密封圈9：防尘，防水，防污,12,(2) 横向电感式位移传感器：,测杆1：杠杆 片簧铰链14：支点，转轴 磁芯6：螺管型 线圈5：差动 弹簧11：产生测量力,13,(3) 电感式测厚仪:,(4) 差动变压器式位移传感器：,辊轮1/3：测量，感受厚度变化 测微螺杆4：传递位移 杠杆7：传递位移，放大 刻度盘5：初始距离（大数）,测头1： 测杆5： 导轨：片簧4 弹簧9：产生测力 磁芯7： 线圈8：,14,压力 - 弹性敏感元件（膜盒、膜片、

9、波纹管） - 位移 - 电感,2、电感式压力传感器,接头1：前端 膜盒2：弹性元件，感受压力变化 磁芯6： 线圈5： 电路板4：无需放大，解调，滤波测量范围：（-4 +6 ）*104Pa,15,力 - 弹性敏感元件（膜盒、膜片、波纹管） - 变形 - 位移 - 电感,3、电感式力传感器,加速度 - 质量块2（磁芯、衔铁） - 位移 - 电感,4、电感式加速度传感器,1-线圈： 2-磁芯： 3-弹性体：,3-片簧：导轨，弹性元件， 弹簧刚度大，衔铁质量小-测量加速度 弹簧刚度小，衔铁质量大-测量振幅,16,四、电涡流传感器,1、电涡流传感器工作原理,发起：20世纪70年代 工作原理：电涡流效应

10、特点：结构简单，灵敏度高，频响宽，不受油污等介质的影响 应用：测量-距离、位移、振动、厚度、温度、转速、硬度等,参数变化：被测导体-几何形状、电导率、磁导率 线圈-几何参数、电流大小和频率、 其他-线圈与导体距离 保持其他参数不变，只改变一个参数 - 测量， 非线性：修正,交变电流,传感器线圈,被测导体,交变磁场H1,电涡流,交变磁场H2,电感、阻抗、品质因数等变化,17,2、电涡流传感器结构,（1）反射式电涡流传感器：,结构：1-传感器线圈：扁平，粘接 铜、银、合金 2-框架：固定线圈，要求损耗小、 电性能好、热胀系数小 高频陶瓷、聚酰亚胺、 环氧玻璃纤维、聚四氟乙烯 3-衬套；4-支座；5

11、-电缆；6-插头：,线圈外径： 外径大：分布曲线平直-线性范围大， 分布曲线平坦-灵敏度低， 外径小：分布曲线弯曲-线性范围小， 分布曲线陡峭-灵敏度高， 线性范围：一般为线圈外径的1/31/5,线圈内径和厚度： 影响较小，近距离时灵敏度略有变化,线圈轴向磁感应强度分布,提高灵敏度： 增加磁芯：减少匝数，提高Q值，扩大测量范围,18,被测导体：-传感器的一部分 - 参数影响,被测导体直径的影响,电涡流密度径向分布,电导率：电导率越高，灵敏度越高,磁导率：磁导率越高，灵敏度越低，剩磁影响测量结果-消磁,均匀性：镀层，杂质，厚度不均，干扰信号,形 状：平面 - 曲面 - 曲率半径 D3.5d：不影

12、响测量结果； D=d：下降为70%,电涡流分布-厚度：高频激励-表面薄层， 径向：有限范围 - 涡流区, 涡流密度不等： D=d时：涡流密度最大 D=1.8d：下降为5% D1.8d）,厚 度：t0.2mm 不影响 （铜铝：t0.07mm）,19,激励频率： 激励频率高：贯穿深度小，曲线陡峭，线性范围小， 灵敏度高, -测薄板 激励频率低：贯穿深度大，曲线平坦，线性范围大， 灵敏度低-测厚板,（2）透射式电涡流传感器：,原理：低频激励-贯穿深度大，适于测量金属厚度h,贯穿深度：,材料特性： 不同材料-电阻率不同-激励频率不同 温度变化-影响电阻率变化-影响测量结果- 使导体温度恒定,结构：发射

13、线圈L1-激励电压U1； 接收线圈L2-感应电压U2 金属板-厚度越大，涡流损耗越大，感应电压 越小，,：导体材料电阻率 f：激励频率,20,3、电涡流传感器的应用,（1）电涡流测距传感器：,1-涡流板：被测导体 2-传感器：固定线圈 3-浮子；传递液位,测量金属导体绝对距离，大量程：几百毫米，分辨率0.1% 小量程：十几微米，分辨力几十纳米,（2）电涡流厚度测距传感器：,应用：测量金属厚度，,测量金属导体镀层厚度,特点：非接触，范围宽，反应快，适于在线检测,透射式：发射线圈 - 接收线圈,反射式：两个高频反射式电涡流传感器， 对称布局，板厚度变化 - 距离变化,21,（3）电涡流温度传感器：

14、,在较小的温度范围内，金属导体的电阻率与温度的关系,结构： 1-补偿线圈：补偿环境温度 2-管架：基体，支撑固定 3-测温线圈：感受电阻率变化 4-隔热衬垫：隔热， 5-温度敏感元件：电阻温度系数大（磁性材料）,特点：不受介质影响（涂料、油、水）； 可实现非接触测问：辐射测温（热辐射） 反应快：热惯性小（1ms）,保持传感器的机、电、磁各参数不变，输出只受电阻率影响-温度测量,t、t0：温度；：电阻温度系数,（4）电涡流硬度传感器：,导体表面硬度 - 磁导率 - 电涡流强度,用于：测量液体、气体、水汽等温度,22,五、感应同步器（平面变压器）,1、感应同步器工作原理, 平面绕组：定尺绕组-固定

15、，连续绕组，节距：W2=2(a2+b2) 滑尺绕组-移动，断续绕组， 节距：W1=2(a1+b1)相差：W2/4 - 90 正弦绕组，余弦绕组, 激励：滑尺绕组，正弦电压, 感应：定尺绕组，电磁耦合，感应电势， 频率-与激励电压相同； 幅值-激励频率，耦合长度，间隙， 两个绕组的相对位置，周期,23,特点： 脉冲输出-数字量，计数器 抗干扰-稳定，可靠； 可测较大位移-定尺三重绕组可达4m, 带型可达3m。 无摩擦-绕组间隙，寿命长，定滑尺之 间应保持在0.250.05mm 工艺好-平面绕组，易于接长，安装简 单，维护方便，与光栅传感器相 比，抗干扰能力强，对环境要求 低，机械结构简单。 应用：测量线位移，测量角位移,24,2、感应同步器结构形式,直线型:,旋转型,标准长度：定尺250mm，滑尺100mm，测量长度150mm,3、感应同步器的接长,接 长：误差增大，输出电势减弱。 在数控机床、加工中心及某些专用测试仪器中可作为测量元件。,测量直线式位移；目前测长误差为1