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1、传感器原理及应用,第4章 电感式传感器,主要内容： 4.1变磁阻式电感传感器 4.2差动变压器式电感传感器 4.3电涡流式传感器 4.4电感式传感器的应用,概述,电感式传感器是一种机电转换装置， 特别是在自动控制设备中广泛应用。 电感式传感器利用电磁感应定律将被测 非电量（如位移、压力、流量、振动） 转换为电感的变化。 按传感器结构可分为： 自感式、互感式、电涡流式。,概述,各种电感式传感器,概述 电感式传感器应用,电感传感器测量滚珠直径，实现按误差分装塞选,4.1变磁阻式传感器（自感式） 4.1.1 工作原理,结构:由线圈、铁芯、衔铁三部分组成。 铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为 ; 传感器
2、运动部分与衔铁相连，衔铁移动时发 生变化，引起磁路的磁阻Rm变化，使电芯线圈 的电感值L变化； 只要改变气隙厚 度或气隙截面积 就可以改变电感。,4.1变磁阻式传感器（自感式） 4.1.1 工作原理,4.1变磁阻式传感器（自感式） 4.1.2 输出特性,衔铁气隙减小引起电感增大为：,4.1变磁阻式传感器（自感式） 4.1.2 输出特性,/1时，用泰勒级数展开,衔铁气隙增大时,电感的相对减小量为,衔铁气隙减小时,电感的相对增加量为,4.1变磁阻式传感器（自感式） 4.1.2 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用于小位移比较精
3、确； 一般/= 0.10.2； 为减小非线性误差，实际测量中多采用差动式。,定义灵敏度,4.1变磁阻式传感器（自感式） 4.1.2 输出特性,差动式原理： 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。,4.1变磁阻式传感器（自感式） 4.1.2 输出特性,对上式进行线性处理并忽略高次项： 差动式灵敏度为：,电感差值的变化为：,4.1变磁阻式传感器（自感式） 4.1.2 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(/)因子； 不存在偶次项，因/lMHz)激励电流产生的
4、高频磁场作用于金属板的表面，由于集肤效应，在金属板表面将形成涡电流。与此同时，该涡流产生的交变磁场又反作用于线圈，引起线圈自感L或阻抗ZL的变化。线圈自感L或阻抗ZL的变化与距离该金属板的电阻率、磁导率、激励电流i及角频率等有关，若只改变距离而保持其它参数不变，则可将位移的变化转换为线圈自感的变化，通过测量电路转换为电压输出。 高频反射式涡流传感器多用于位移测量。,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。,1 线圈 2 框架 3 衬套 4 支
5、架 5 电缆 6 插头,电涡流传感器原理图,高频激励信号使线圈产生一个高频交变磁场i，当被测导体靠近时，在磁场作用范围的导体表层产生电涡流ie，而电涡流又将产生一交变磁场e阻碍外磁场的变化。在被测导体内存在着电涡流损耗（当频率较高时，忽略磁损耗）。能量损耗使传感器的Q值和等效阻抗Z降低，因此当被测体与传感器间的距离d改变时，传感器的Q值和等效阻抗Z、电感L均发生变化，于是把位移量转换成电量。这便是电涡流传感器的基本原理。,2. 低频透射式电涡流传感器,发射线圈L1和接收线圈L2分置于被测金属板的上下方。由于低频磁场集肤效应小，渗透深，当低频(音频范围)电压u1加到线圈L1的两端后，所产生磁力线
6、的一部分透过金属板,使线圈L2产生感应电动势u2。但由于涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势u2减少，当金属板越厚时，损耗的能量越大，输出电动势u2越小。因此，u2的大小与金属板的厚度及材料的性质有关.试验表明u2随材料厚度h的增加按负指数规律减少,因此，若金属板材料的性质一定，则利用u2的变化即可测厚度。,线圈L2 的感应电压与被测厚度的增大按负幂指数的规律减小，即,式中 被测金属板的厚度； h贯穿深度。,测量厚度时，激励频率应选得较低。频率太高，贯穿深度小于被测厚度，不利于进行厚度测量，通常选激励频率为1kHz左右。 测薄金属板时，频率一般应略高些，测厚金属板时，频率应低些。在测量电阻率较小
7、的材料时，应选较低的频率（如500Hz），测量较大的材料时，应选用较高的频率（如2kHz），从而保证在测量不同材料时能得到较好的线性和灵敏度。,4.3.4 电涡流传感器的转换电路,电涡流传感器转换电路的作用就是将Z、L或Q转换为电压或电流的变化。阻抗Z的转换电路一般用电桥，电感L的转换电路一般用谐振电路，又可以分为调幅法和调频法两种。,1. 交流电桥,将传感器线圈的阻抗变化转化为电压或电流的变化。图中L1 、L2是两个差动传感器线圈，它们与电容C1 、C2的并联阻抗Z1 、Z2作为电桥的两个桥臂.,2. 调幅式电路,图4-23 调幅式测量电路原理框图,涡流传感器线圈与电容并联组成LC并联谐振回
8、路，由恒流源石英晶体振荡器供电。没有被测物体时，并联谐振回路的谐振频率等于激励振荡器的频率f0，此时LC并联回路呈现阻抗最大。,谐振回路上输出电压U0为：U0 = I0Z,4.4 电感式传感器的应用,图4-25 加速度传感器 1 悬臂梁；2 差动变压器；3 衔铁,位移测量,振幅测量,转速测量,差动式电感测厚仪,L1和L2为电感传感器的两个线圈，构成桥路相邻两桥臂，另两个桥臂是C1、C2。4只二极管和4只电阻R1R4（减小温度误差）组成相敏整流器。,1.若L1L2，不论电源极性是a点为正b点为负（D1，D4导通）；或a点为负b点为正（D2，D3导通），d点电位总是高于c点电位，M的指针向一个方向偏转。,2.若L1L2，d点电位总是低于c点电位，M的指针向另一个方向偏转。,电感测微仪,变气隙式电感测微仪,电感压力传感器, 变气隙式结构,图4-26 微压传感器 1 接头；2 膜盒；3 底座；4 线路板； 5 差动变压器；6 衔铁；7 罩壳,变气隙式差动压力传感器,电感式油压传感器 液压传动的各种机械装置,电感式接近传感器,电感式接近传感器应用举例,1、生产中测量产品的长度,每个脉冲对应的长度：,被测物总长度：,2、生产线工件的计数,3、机械手的限位,4、生产工件加工定位,5、时序控制,动画按扭,P85 4-9,
