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1、第三章 电感式传感器,电感式传感器的工作原理：它是利用磁路定律或电磁感应原理等，通过线圈自感和互感的变化，实现非电量（直接量为位移）电测。 用途及特点：常用来测量位移、振动、压力、应变、流量、比重等物理量参数。 优点：结构简单，工作可靠，寿命长；灵敏度和分辨力高。 缺点：存在交流零位信号；不适宜高频动态测量。 分类：按工作原理分为自感式、互感式和电涡流式三种。,第一节 自感式传感器,先看一个实验：,将一只380V交流接触器线圈与交流毫安表串联后，接到机床用控制变压器的36V交流电压源上，如图所示。这时毫安表的示值约为几十毫安。用手慢慢将接触器的活动铁心（称为衔铁）往下按，我们会发现毫安表的读数
2、逐渐减小。当衔铁与固定铁心之间的气隙等于零时，毫安表的读数只剩下十几毫安。,电感传感器的基本工作原理演示,F,220V,准备工作,电感传感器的基本工作原理演示,气隙变小，电感变大，电流变小,F,一、自感式电感传感器,自感式电感传感器是一种改变自感系数的传感器。原理图如下图。它由线圈、铁芯及活动衔铁组成。在铁芯和衔铁之间有空气隙。,原理,自感L可写为：,W为线圈匝数， 0为空气的导磁率 上式表明，自感L与气隙成反比，而与气隙导磁截面积s成反比。与线圈匝数W成正比,分类：变间隙型（ 改变）、变面积型（s改变）、螺线管型（W改变）,当气隙改变时,当0 时，有,1、变气隙式自感传感器,此时，传感器的灵
3、敏度为,可见，灵敏度k与气隙长度的平方成反比，愈小，灵敏度愈高。由于k不是常数，故会出现非线性误差，为了减小这一误差，通常规定在较小的范围内工作。,实际应用中，一般取 。变气隙式自感传感器 适用于较小位移的测量，一般约为0.0011mm.,变气隙式自感传感器工作原理动画演示,2、变面积式自感传感器 若将变气隙式自感传感器的气隙厚度保持不变，使气隙导磁截面积s随被测非电量而变，即构成变面积式自感传感器。 变面积式自感传感器输出特性呈线性，因此测量范围大。与变气隙式相比，其灵敏度较低。欲提高灵敏度，初始气隙厚度0不能过大，但同样受工艺和结构的限制，0的选取与变气隙式相同。 即,工作原理演示,变面积
4、式自感传感器工作原理动画演示,3、螺管式自感传感器 它与前两种传感器相比，有以下特点： .结构简单，制造装配容易； .由于磁路大部分为空气，易受外部磁场干扰； .由于空气隙大，磁路磁阻大，故灵敏度较前两种低，但线性范围大； .由于磁阻高，为了达到某一电感量，需要的线圈匝数多，因而线圈分布电容大；,工作原理演示,螺旋管式自感传感器工作示意图,四、差动电感传感器及测量电路 在实际使用中,常采用两个相同的传感线圈共用一个衔铁,构成差动式电感传感器,这样可以提高传感器的灵敏度,减小测量误差. 差动式电感传感器的结构要求两个导磁体的几何尺寸及材料完全相同，两个线圈的电气参数和几何尺寸完全相同。 差动式结
5、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。,图 差动变隙式电感传感器,以 差动变隙式电感传感器为例进行分析,1. 电阻平衡臂交流电桥,差动变隙式电感传感器等效图,设衔铁位于气隙中间位置时线圈Z1，Z2的阻抗相等，此时 电桥平衡，输出电压为0。当衔铁移动时，两线圈的变化分别为； 输出Uo正比于Z1与Z2的差值,差动变隙式电感传感器等效图,因为,所以,又,A,B,结论： 差动电感传感器清除了起始时的零位输出 灵敏度提高，相同输入下输出增大 线性度得到改善（电感变化量中高次项部分抵消）,2. 变压器式交流电桥 变压器式交流电桥测量
6、电路如下图所示, 电桥两臂Z1、 Z2为传感器线圈阻抗, 另外两桥臂为交流变压器次级线圈的两半部分。当负截阻抗为无穷大时, 桥路输出电压,当传感器的衔铁处于中间位置, 即Z1= Z2=Z时，电桥平衡,(1) 当传感器衔铁上移时, 即Z1=Z0 +Z, Z2=Z0 -Z, 此时,(2) 当传感器衔铁下移时, 则Z1=Z0 -Z, Z2=Z0 +Z, 此时,从两式可知, 衔铁上下移动相同距离时, 输出电压的大小相等, 但方向相反, 由于 是交流电压, 输出指示无法判断位移方向, 必须配合相敏检波电路来解决。 ,3. 带相敏整流器的交流电桥,相敏检波电路：交流电桥输出的相量 本身可反映被测量的大小和
7、方向，但用一般的整流方法接指示仪表时却丢失了方向信号。为正确判别衔铁位移的大小和方向，可采用带相敏检波电路（相敏整流器）的交流电桥，见下图。,图中Z1、Z2为差动电抗（线圈阻抗）；Z3、Z4为固定电感，构成电桥另两桥臂。 为供桥电压， 为输出电压。当衔铁居中时，Z1=Z2， 。,a,b,同理，当Z1，Z2时， Uo为正。故Uo不仅反映线圈阻抗变化大小，还能反映变 化方向。,二、互感式传感器（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, 并且次级绕组都用差动形式连接, 故称差动变压器式传感器。 差动变压器结构形式较
8、多, 有变隙式、 变面积式和螺线管式等, 但其工作原理基本一样。非电量测量中, 应用最多的是螺线管式差动变压器, 它可以测量1100mm范围内的机械位移, 并具有测量精度高（高达0.lm量级）, 灵敏度高, 结构简单, 性能可靠等优点。,1、工作原理： 此类传感器多数为螺管式差动变压器式传感器。传感器仍主要由线圈、铁芯和活动衔铁三个部分组成。线圈包括一个初级线圈和两个反接的次级线圈，当初级线圈输入交流激励电压时，次级线圈将产生感压电动势e1和e2。由于两个次级线圈极性反接，因此，传感器的输出电压为两者之差，即ey=e1-e2。活动衔铁能改变线圈之间的藕合程度。输出ey的大小随活动衔铁的位置而变
9、。当活动衔铁的位置居中时，即e1=e2，ey=0；当活动衔铁向上移时，即e1e2，ey0;当活动衔铁向下移时，即e1e2，ey0。活动衔铁的位置往复变化，其输出电压也随之变化，输出特性如图所示。,与传统变压器比较： （1）.变压器副边两个对等绕组作为传感器差动工作绕组，且工作时，原、副绕组之间互感变化； （2）.副边开路，无电流。 对于副边上下两部分 原边线圈中电流 副边输出电压,测量前 测量时 在一定范围内， 与位移x呈线性关系。,几种差动整流电路,三、电涡流式传感器,1、工作原理： 下图所示为高频反射式涡流传感器工作原理。金属板置于一只线圈的附近，它们之间相互的间距为为，当线圈输入一交变电
10、流i时，便产生交变磁通量，金属板在此交变磁场中会产生感应电流i1，这种电流在金属体内是闭合的，所以称之为涡电流或涡流。涡流的大小与金属板的电阻率、磁导率、厚度h，金属板与线圈的距离，激励电流角频率等参数有关。若改变其中某二参数，而固定其他参数不变，就可根据涡流的变化测量该参数。,国产CZF1型电涡流传感器结构,采用了最常用的结构形式高频反射式结构,以电磁场理论解释工作原理,以电路理论解释工作原理,根据基尔霍夫定律,由此解出传感器线圈等效阻抗及品质因数,一般地，考虑到后继转换电路，以线圈等效阻抗或等效电感为输出电参数，则满足 当某一参数为变量，而其余参数为常量时，便实现了测量。 （例）、 不变，
11、则 ，即为涡流式位移计 工作原理。,低频透射式涡流传感器的工作原理如下图所示，发射线圈1和接收线圈2分别置于被测金属板材料G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e1加到线圈1的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板材料G,使线圈2产生感应电动势e2。但由于涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势e2减少，当金属板材料G越厚时，损耗的能量越大，输出电动势e2越小。因此，e2的大小与G的厚度及材料的性质有关，试验表明，e2随材料厚度h的增加按负指数规律减少,如图所示，因此，若金属板材料的性质一定，则利用e2的变化即可测量其厚度。,2、特性分析,(1).输入输出特性与线性度
12、线性范围：线圈外径1/31/5左右，线性度不高。 (2).灵敏度 线圈尺寸：线圈外径与内径之比增大时，灵敏度升高，且 输出线性度好。 被测导体形状、大小：被测导体的半径大于线圈外径的 1.8 倍时，才不影响灵敏度。 材质有关：被测导体电阻率越高，灵敏度越高；导磁率大 灵敏度下降,3、测量电路：,(1). 桥路（转换Z的变化） (2).谐振测量电路（转换L的变化） a）调幅电路 振荡器提供一个频率及幅值稳定的高频信号激励并联谐振回路LC。,无被测导体时，使LC振荡回路的谐振频率f0等于振荡器的振荡频率，这时LC回路的阻抗最大，激励电流在LC回路上产生的压降最大。当传感器线圈接近被测导体时，线圈的
13、等效电感发生变化，谐振回路的谐振频率和等效阻抗也跟着发生变化，使回路失谐，谐振峰值偏离原来的位置向两旁移动，输出电压亦发生相应变化。传感器离被测体越近，回路的等效阻抗越小，输出电压也越低。谐振峰值的移动方向与被测导体的材料有关。对非磁性材料，当距离减小时，线圈的等效电感减小，回路谐振频率提高。,b)调频电路 调频测量电路是把传感器线圈接入振荡器，作为振荡器的一个电感元件，与调幅电路不同的是它是以频率作为输出量。当位移产生x变化时，引起线圈电感变化L，这个电感变化对振荡器调频，使振荡器的振荡频率产生f的变化。此频率可以用数字频率计直接测量，也可以通过鉴频器进行频率电压转换变成输出电压。电路原理图
14、如下：,四、电感式传感器的应用 1、位移计 2、加速度传感器 3、电涡流式传感器应用,电涡流式传感器可用来测量各种形状金属导体试件的位移量。如汽轮机主轴的轴向位移，液压先导阀的位移和金属试件的热膨胀系数等。测量位移范围可以从01mm到022mm，分辨力为0.1m。 电涡流式传感器可以对各种振动的振幅频谱分布进行无接触地测量，可以进行金属元件合格检验（通过测量元件的厚度），金属元件计数，轴的位移和径向、轴向振动的测量，磨床的精密定位等。,轴向式电感测微器的外形,航空插头,红宝石测头,其他电感测微头,轴向式电感测微器的内部结构,1引线电缆 2固定磁筒 3衔铁 4线圈 5测力弹簧 6防转销 7钢球导
15、轨（直线轴承） 8测杆 9密封套 10测端 11被测工件 12基准面,测微仪,圆柱滚子,电感式轮廓仪,旁向式电感测微头,大直径电涡流探雷器,用掌上型电涡流探伤仪检测飞机裂纹,电涡流振动测量仪,汽轮机叶片测试,测量悬臂梁的振幅及频率,1、在电感式传感器中，被测对象也是磁路一部分的是 电涡流式 传感器。 2、在差动自感式传感器的测量电路中能分辨出衔铁位移方向和大小的是（ C）。、电阻平衡臂电桥 B变压器交流电桥 C带相敏整流器的交流电桥 D双T二极管桥 3、差动变压器式传感器其次级绕组都用 差动 形式连接,其输出特性由于制作上的不对称以及铁心位置等因素在零点存在 零位输出 电压。 4、在电感式传感
16、器中，线圈之间的没有耦合的是 式传感器，被测对象也是磁路一部分的是 传感器。（D） A电涡流、互感式 B互感式、自感式 C电涡流、自感式 D自感式、电涡流 5、除电涡流式传感器外，电感式传感器按转换原理不同还可分为 自感 式和 互感 式两大类。 6、自感式电感传感器通常有 变间隙 型、 螺线管 型和变面积型。 7、螺线管式自感传感器采用差动结构是为了（C ）。 A增加线圈对衔铁的吸引力； B.降低成本； C.提高灵敏度，减小温漂； D.加长线圈的长度从而增加线性范围,8、差动变压器式传感器理论上讲，衔铁位于中心位置时输出电压为零，而实际上差动变压器输出电压不为零，我们把这个不为零的电压称为 零位输出 电压；利用差动变压器测量位移时如果要求区别位移方向（或正负）可采用 相敏检波 电路。 9、某自感式传感器线圈的匝数为N，磁路的磁阻为Rm，
