电感式传感器及应用

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1、第4章 电感式传感器及应用*1引言n电感式传感器的工作基础：电磁感 应n即利用线圈自感或互感的改变来实 现非电量测量Date2n分为自感式、互感式和电涡流式等n特点：n工作可靠、寿命长n灵敏度高，分辨力高n精度高、线性好n性能稳定、重复性好n能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采 用。Date3主要章节内容n4.1自感式传感器 n4.2差动变压器式传感器 n4.3电涡流传感器 Date44.1自感式传感器 n自感式传感器是利用自感量随气隙变化 而改变的原理制成的，用来测量位移。n自感式传感器主要有闭磁路变隙式和开 磁路螺线管式，它们又都可以分为单线圈 式与差动

2、式两种结构形式。Date5内容n4.1.1 基本工作原理 n4.1.2 自感式传感器的测量电路 n4.1.3 自感式传感器应用举例 Date6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FDate74.1.1 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，l 为磁路总长度。Date8线圈的电感量 n 为磁路的磁阻 变磁阻式传感器 Date9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

3、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 。 Date10自感式传感器1线圈 2铁芯 3衔铁 4测杆 5导轨 6工件 7转轴Date111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Date122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，

4、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 。 Date13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 Date14特性n从输出特性曲线（ 如图4-5所示）可以看 出，差动式电感传感 器的线性较好，且输 出曲线较陡，灵敏度 约为非差动式电

5、感传 感器的两倍。 1、2L1、L2的特性 3差动特性 Date15以上三种传感器中，变气隙长度式灵敏度最 高，且随气隙的增大而减小，非线性误差大；为 了减少非线性误差，量程必须限制在较小范围内 ，所以只能用于微小位移的测量，一般为0.001 1mm，但制作装配比较困难。 变气隙截面式传感器灵敏度比变间隙型小， 但线性较好，量程也比变间隙式大，使用比较广 泛。 螺管型传感器灵敏度较低，但量程大且结构 简单，易于制作和批量生产，是使用最广泛的一 种电感式传感器。Date16以上三种类型的传感器，由于线圈中流过负 载的电流不等于零，存在起始电流，非线性较大 ，而且有电磁吸力作用于活动衔铁；易受外界

6、干 扰的影响，如电源电压和频率的波动、温度变化 等都将使输出产生误差，所以不适用于精密测量 ，只用在一些继电信号装置。在实际应用中，广 泛采用的是将两个电感式传感器组合在一起，形 成差动式传感器。Date174.1.2 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 。Date181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 Date19

7、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，此 时电桥输出电压为0，电桥处于平衡状态。 Date20变化时n当铁芯向一边移动时，则一个线圈的阻 抗增加 ：Date21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。 Date222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

8、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.Date23结构带相敏整流的交流电桥电路 Date24（1）初始平衡位置时当差动式传 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 Date25（2）活动铁芯向一边移动时 当活动铁 芯向线圈的一个 方向移动时，传 感器两个差动线 圈的阻抗发生变 化，等效电路如 图所示。 铁芯向线圈一个方向移动时的等效电路 Date26结果在Ui的正半周 在Ui的负半周 Date27n只要活动铁

9、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。 Date28（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。 Date29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Date304.1.3自感式传感器应用举例n用于测量位移，还可以用于测量振动、 应变、厚度、压力、流量、液位等非电量 。 Date311自感式测厚仪 1可动铁芯 2测杆 3被测物体Date322位移测

10、量 1引线 2线圈 3衔铁 4测力弹簧 5导杆 6密封罩 7测头Date33Date344.2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。 Date354.2.1 基本工作原理 螺线管式差动变压器结构示意图 1 一次绕组 2二次绕组 3衔铁 4测杆

11、 螺线管式差动变压器原理图 Date36输出特性n由于在一定的范围内，互感 的变化M与位移x成正比，所 以输出电压的变化与位移的变 化成正比。实际上，当衔铁位 于中心位置时，差动变压器的 输出电压并不等于零，通常把 差动变压器在零位移时的输出 电压称为零点残余电压（e） 。它的存在使传感器的输出特 性曲线不过零点，造成实际特 性与理论特性不完全一致。 零点残余电动势 Date37零点电势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。磁性材料要经过处理，消除内部的残 余应力

12、。n（2）选用合适的测量电路。如采用相敏整流 电路，既可判别衔铁移动方向又可改善输出特 性，减小零点残余电动势，使其性能均匀稳定 。n（3）采用补偿线路减小零点残余电动势。Date384.2.2 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。 Date391差动整流电路 Date40差动整流电路 Date412差动相敏检波电路 差动相敏检波电路 Date42等效电路1ululu22u22i

13、lDate43等效电路2 ulu21Date44（2）工作原理n传感器衔铁上移n传感器衔铁下移Date45（3）波形图Date464.2.3 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。Date471振动和加速度的测量n衔铁受振动和 加速度的作用， 使弹簧受力变形 ，与弹簧联接的 衔铁的位移大小 反映了振动的幅 度和频率以及加 速度的大小。 振动传感器及其测量电路 1弹性支撑 2差动变压器Date482力和压力的测量n当力作用于传感 器时，弹性元件产生 变形，从而导致衔铁 相对线圈移

14、动。线圈 电感量的变化通过测 量电路转换为输出电 压，其大小反映了受 力的大小。 差动变压器式力传感器 1上部 2衔铁 3线圈 4变形部 5下部 Date49微压力传感器n在无压力作用时，膜 盒在初始状态，与膜盒 联接的衔铁位于差动变 压器线圈的中心部位。 当压力输入膜盒后，膜 盒的自由端产生位移并 带动衔铁移动，差动变 压器产生一正比于压力 的输出电压。1差动变压器 2衔铁 3罩壳 4插头5通孔 6底座 7膜盒 8接头 9线路板 电感式微压力传感器 Date504.3电涡流传感器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

15、 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。 Date514.3.1 电涡流传感器的工作原理 电涡流传感器原理图 Date52n如果保持式中其他参数不变，而只改变 其中一个参数，传感器线圈阻抗Z就仅仅是 这个参数的单值函数。通过与传感器配用 的测量电路测出阻抗Z的变化量，即可实现 对该参数的测量。Date534.3.2 电涡流传感器基本结构和类型 n1电涡流传感器基本结构 n2电涡流传感器基本类型 Date541电涡流传感器基

16、本结构n一种是单独绕 成一只无框架的 扁平圆形线圈， 由胶水将此线圈 粘接于框架的顶 部 图4-26 CZF3型电涡流式传感器1壳体 2框架 3线圈 4保护套5填料 6螺母 7电缆 Date55n另一种是在框 架的接近端面处 开一条细槽，用 导线在槽中绕成 一只线圈，如图4 -27所示的CZF1 型电涡流式传感 器。 图4-27 CZF1型电涡流式传感器 1电涡流线圈 2前端壳体 3位置 调节螺 4信号处理电路 5夹持螺母 6电 源指示灯阈值指示灯 8输出屏蔽电缆 线 9电缆插头 Date562电涡流传感器基本类型n电涡流在金属导体内的渗透深度与传感 器线圈的激励信号频率有关，故电涡流式 传感器可分为