传感器与检测技术_课件第三章

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1、*1第3章 电感式传感器*2电感式传感器n电感式传感器可用来测量位移、压力、流量、振动等非电量 ，其主要特点是结构简单、工作可靠、灵敏度高；测量精度 高、输出功率较大；可实现信息的远距离传输、记录、显示 和控制，在工业自动控制系统中被广泛应用。但其灵敏度、 线性度和测量范围相互制约；传感器自身频率响应低，不适 用于快速动态测量。n电感式传感器是建立在电磁感应的基础上，利用线圈自感或 互感来实现非电量的检测。 本章主要介绍：n自感式传感器（利用自感原理）；n差动变压器式传感器（利用互感原理） ；n电涡流式传感器（利用涡流原理）。*33.1自感式传感器 n自感式传感器由线圈、铁心和衔铁三部 分组成

2、。铁心和衔铁由导磁材料制成。 自感式传感器是把被测量的变化转换成 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。按磁路几何参数变 化形式的不同，自感式传感器可分为变 气隙式、变截面积式和螺线管式三种*4内容n3.1.1 基本工作原理 n3.1.2 自感式传感器的测量电路 n3.1.3 自感式传感器应用*5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*63.1.1 基本工作原理n线圈的自感量等于线圈中通入单位电流 所产生的磁链数，即线圈的自感系数n 为磁链， 为磁通（Wb），I为流过 线圈的电流（A），N为线圈匝数。根据 磁路欧姆定律： ， 为磁导率，S为 磁路截面积，

3、为磁路总长度。*7线圈的电感量 n 为磁路的磁阻 变磁阻式传感器 *8结论n只要被测非电量能够引起空气隙长度或 等效截面积发生变化，线圈的电感量就 会随之变化。n电感式传感器从原理上可分为变气隙长 度式和变气隙截面式两种类型，前者常 用于测量直线位移，后者常用于测量角 位移。 *9自感式传感器*101变气隙式（闭磁路式）自感传感器 n由电感式可知，变气隙长度式传感器的 线性度差、示值范围窄、自由行程小， 但在小位移下灵敏度很高，常用于小位 移的测量。 1线圈 2铁芯 3衔铁*112螺线管式（开磁路式）自感式传感器 n螺线管式自感式传感器常采用差动式。 n它是在螺线管中插入圆柱形铁芯而构成的。其

4、 磁路是开放的，气隙磁路占很长的部分。有限 长螺线管内部磁场沿轴线非均匀分布，中间强 ，两端弱。插入铁芯的长度不宜过短也不宜过 长，一般以铁芯与线圈长度比为0.5、半径比 趋于1为宜。铁磁材料的选取决定于供桥电源 的频率，500Hz以下多用硅钢片，500Hz以 上多用薄膜合金，更高频率则选用铁氧体。从 线性度考虑，匝数和铁芯长度有一最佳数值， 应通过实验选定。 *12结构n差动式电感传感 器对外界影响， 如温度的变化、 电源频率的变化 等基本上可以互 相抵消，衔铁承 受的电磁吸力也 较小，从而减小 了测量误差。1测杆 2衔铁 3线圈 *13特性n从输出特性曲线（如 图4-5所示）可以看 出，差

5、动式电感传感 器的线性较好，且输 出曲线较陡，灵敏度 约为非差动式电感传 感器的两倍。 1、2L1、L2的特性 3差动特性 *143.1.2 自感式传感器的测量电路n自感式传感器的测量电路用来将电感量的变化 转换成相应的电压或电流信号，以便供放大器 进行放大，然后用测量仪表显示或记录。n测量电路有交流分压式、交流电桥式和谐振式 等多种，常用的差动式传感器大多采用交流电 桥式 。n交流电桥的种类很多，差动形式工作时其电桥 电路常采用双臂工作方式。两个差动线圈Z1和 Z2分别作为电桥的两个桥臂，另外两个平衡臂 可以是电阻或电抗，或者是带中心抽头的变压 器的两个二次绕组或紧耦合线圈等形式。 *151

6、变压器交流电桥 n电桥有两臂为传感 器的差动线圈的阻 抗，所以该电路又 称为差动交流电桥 变压器式交流电桥电路图 *16分析n设O点为电位参考点，根据电路的基本分 析方法，可得到电桥输出电压为n当传感器的活动铁芯处于初始平衡位置 时，两线圈的电感相等，阻抗也相等， 即，其中表示活动铁芯处于初始平衡位 置时每一个线圈的阻抗。 n电桥输出电压，电桥处于平衡状态。 *17变化时n当铁芯向一边移动时，则一个线圈的阻 抗增加 ，*18变化后的电压n当传感器线圈为高Q值时，则线圈的电阻远小 于其感抗 n当活动铁芯向另一边（反方向）移动时 n差动式自感传感器采用变压器交流电桥为测量 电路时，电桥输出电压既能

7、反映被测体位移量 的大小，又能反映位移量的方向，且输出电压 与电感变化量呈线性关系。 *192带相敏整流的交流电桥 n上述变压器式交流电桥中，由于采用交 流电源，则不论活动铁芯向线圈的哪个 方向移动，电桥输出电压总是交流的， 即无法判别位移的方向。n常采用带相敏整流的交流电桥.n *20结构带相敏整流的交流电桥电路 *21（1）初始平衡位置时n当差动式传感器的 活动铁芯处于中间 位置时，传感器两 个差动线圈的阻抗 Z1=Z2=Z0，其 等效电路如图所示 。 铁芯处于初始平衡位置时的等效电路 *22（2）活动铁芯向一边移动时 n当活动铁芯向 线圈的一个方 向移动时，传 感器两个差动 线圈的阻抗发

8、 生变化，等效 电路如图4-9 所示。 铁芯向线圈一个方向移动时的等效电路 *23结果在Ui的正半周 在Ui的负半周 *24n只要活动铁芯向一方向移动，无论在交 流电源的正半周还是负半周，电桥输出 电压均为正值。 *25（3）活动铁芯向相反方向移动时n当活动铁芯向线圈的另一个方向移动时 ，用上述分析方法同样可以证明，无论 在的正半周还是负半周，电桥输出电压 均为负值。 *26应用n采用带相敏整流的 交流电桥，其输出 电压既能反映位移 量的大小，又能反 映位移的方向，所 以应用较为广泛。 1理想特性曲线 2实际特性曲线*273.1.3 自感式传感器应用n用于测量位移，还可以用于测量振动、 应变、

9、厚度、压力、流量、液位等非电 量。 *281自感式测厚仪 n采用差动结构，其测量电 路为带相敏整流的交流电 桥。当被测物体的厚度发 生变化时，引起测杆上下 移动，带动可动铁芯产生 位移，从而改变了气隙的 厚度，使线圈的电感量发 生相应的变化。此电感变 化量经过带相敏整流的交 流电桥测量后，送测量仪 表显示，其大小与被测物 的厚度成正比。 1可动铁芯 2测杆 3被测物体*292位移测量 n测量时测头的测端 与被测件接触，被 测件的微小位移使 衔铁在差动线圈中 移动，线圈的电感 值将产生变化，这 一变化量通过引线 接到交流电桥，电 桥的输出电压就反 映被测件的位移变 化量。 1引线 2线圈 3衔铁

10、 4测力弹簧 5导杆 6密封罩 7测头*30其他电感测微头*313.2 差动变压器式传感器n把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传 感器称为互感式传感器。因这种传感器是根据 变压器的基本原理制成的，并且其二次绕组都 用差动形式连接，所以又叫差动变压器式传感 器，简称差动变压器。 n有变隙式、变面积式和螺线管式等 n在非电量测量中，应用最多的是螺线管式的差 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、灵敏度高、结 构简单、性能可靠等优点。 *323.2.1 基本工作原理 变隙式差动变压器原理图螺线管式差动变压器原理图*33输出特性n当铁芯位于中心位置，输出 电压U2并

11、不等于零，这个电 压称为零点残余电压 。它的 存在使传感器的输出特性曲 线不经过零点，造成实际特 性和理论特性不完全一致。 零点残余电压使得传感器的 输出特性在零点附近不灵敏 ，给测量带来误差，它的大 小是衡量差动变压器性能好 坏的重要指标。输出特性曲线*34零点电势n零点残余电动势使得传感器在零点附近 的输出特性不灵敏，为测量带来误差。 为了减小零点残余电动势，可采用以下 方法。n（1）尽可能保证传感器尺寸、线圈电气 参数和磁路对称。n（2）选用合适的测量电路。n（3）采用补偿线路减小零点残余电动势 。*35测 量 电 路 n差动变压器输出的是交流电压，若用交 流电压表测量，只能反映衔铁位移

12、的大 小，而不能反映移动方向。另外，其测 量值中将包含零点残余电压。为了达到 能辨别移动方向及消除零点残余电动势 目的，实际测量时，常常采用差动整流 电路和相敏检波电路。 *361差动整流电路 n是把差动变压器的两个次级输出电压分别整流，然后 将整流的电压或电流的差值作为输出，这样二次电压 的相位和零点残余电压都不必考虑。n差动整流电路同样具有相敏检波作用，图中的两组（ 或两个）整流二极管分别将二次线圈中的交流电压转 换为直流电，然后相加。由于这种测量电路结构简单 ，不需要考虑相位调整和零点残余电压的影响，且具 有分布电容小和便于远距离传输等优点，因而获得广 泛的应用。但是，二极管的非线性影响

13、比较严重，而 且二极管的正向饱和压降和反向漏电流对性能也会产 生不利影响，只能在要求不高的场合下使用。n一般经相敏检波和差动整流后的输出信号还必须经过 低通滤波器，把调制的高频信号衰减掉，只允许衔铁 运动产生的有用信号通过。*37典型电路差动整流电路 *382差动检波电路 差动相敏检波电路 等效电路 *39（2）工作原理n传感器衔铁上移n传感器衔铁下移*40（3）波形图相敏检波电路波形图 *413.2.3 差动变压器式传感器的应用 n差动变压器不仅可以直接用于位移测量 ，而且还可以测量与位移有关的任何机 械量，如振动、加速度、应变、压力、 张力、比重和厚度等。*42差动变压器式传感器的应用n差

14、动变压器式 加速度传感器 是由悬臂梁和 差动变压器构 成，其结构如 图所示。振动传感器及其测量电路 1弹性支撑 2差动变压器*43差动变压器式传感器的应用n力平衡式差压计*44差动变压器式传感器的应用n力传感器差动变压器式力传感 器原理结构图如图所 示。它是利用力作用 下引起弹性元件形变 ，然后弹性元件的形 变带动差动变压器的 衔铁运动，从而产生 相应地电流或电压输 出的原理制成的。*45差动变压器式传感器的应用n差动变压器式电感测微仪*463.3 电涡流传感器n根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体置于变 化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导 体内将产生呈涡旋状的感应电流，此电流叫电涡

15、流，这种现象称为电涡流效应。 n根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感 器。按照电涡流在导体内的贯穿情况， 此传感器 可分为高频反射式和低频透射式两类，但从基本 工作原理上来说仍是相似的。电涡流式传感器最 大的特点是能对位移、厚度、表面温度、速度、 应力、材料损伤等进行非接触式连续测量，另外 还具有体积小、灵敏度高、频率响应宽等特点， 应用极其广泛。 *473.3.1 电涡流传感器的工作原理 n高频反射式传感器采用高频信号源， 其原理及等效电路分别如图所示。线 圈置于金属导体附近，线圈中通以高 频信号 ，则会产生正弦交变磁场 ， 产生的交变磁场作用下方的金属块， 金属块内就会产生涡流 ，变

16、化的涡流 产生磁场 ，又反作用于线圈，改变了 线圈的电感。电感变化程度取于线圈 的外形尺寸，线圈至金属板之间的距 离，金属板材料的电阻率和磁导率以 及电源频率等。 *48n为了充分有效地利用电涡流效应，对于 平板型的被测体则要求被测体的半径应 大于线圈半径的1.8倍，否则就要降低灵 敏度。当被测物体是圆柱体时，被测导 体直径必须为线圈直径的3.5倍以上，灵 敏度才不受影响。一般来说，被测体的 磁导率越高，电阻率越低，则传感器的 灵敏度越高。*493.3.2 测量电路 n1电桥电路 在进行测量时，由于传感器线圈的 阻抗发生变化，使电桥失去平衡，而电 桥不平衡造成的输出信号被放大并检波 ，就可得到与被测量成正比的输出。其 电路原理图如图3-20所示。*503.3.2 测量电路 nL1和L2为传感器两线圈， 分别与选频电容C1和C2并 联组成两桥臂，电阻R1和 R2组成另外两桥臂。静态 时，电桥平衡，桥路输出电 压为0。工作时，