电感式传感器电感式传感器勤朴忠实 3.2 电感式传感器电感式传感器 电感式传感器是基于电感式传感器是基于电磁感应原理电磁感应原理，利用线圈自感或，利用线圈自感或互感的变化实现非电量测量的常配以不同的敏感元件互感的变化实现非电量测量的常配以不同的敏感元件来测量来测量位移、压力、振动位移、压力、振动等物理参数等物理参数 根据工作原理不同，可分为自感式、互感式和涡流式根据工作原理不同，可分为自感式、互感式和涡流式三种类型三种类型 其主要特点是：其主要特点是： （（1）结构简单、工作可靠、寿命长；）结构简单、工作可靠、寿命长； （（2）灵敏度高，能分辨）灵敏度高，能分辨0.01μm的位移变化；的位移变化； （（3）精度高，线性好，非线性误差一般为）精度高，线性好，非线性误差一般为0.05%-0.1% 3.2.1自感式传感器自感式传感器 一、气隙型一、气隙型 自感式传感器也称为变隙式自感传感器，它是根据铁芯自感式传感器也称为变隙式自感传感器，它是根据铁芯线圈磁路气隙的改变，引起磁路磁阻的改变，从而改变线圈线圈磁路气隙的改变，引起磁路磁阻的改变，从而改变线圈自感的大小；气隙参数的改变分为变气隙长度自感的大小；气隙参数的改变分为变气隙长度δ和变气隙截和变气隙截面积面积S两种。
两种N：线圈匝数；Rm：磁路总磁阻(铁芯与衔铁磁阻和空气隙磁阻)x123x(a)变气隙厚度式 (b)变截面式 气隙式自感传感器，因为气隙较小(lδ为0.1～1mm)，所以，认为气隙磁场是均匀的，若忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为 li：铁芯磁路上第：铁芯磁路上第i段的长度；段的长度； A0：气隙等效截面积；：气隙等效截面积； Ai：铁芯磁路上第：铁芯磁路上第i段的横截面积；段的横截面积；μi：铁芯第：铁芯第i段磁导率；段磁导率；μ0：真空磁导率，：真空磁导率，μ0=4π×10-7H／／m；； x：空气隙厚度：空气隙厚度 A0:气隙等效截面积气隙等效截面积(1) 变气隙式自感传感器变气隙式自感传感器 由由于于自自感感传传感感器器的的铁铁芯芯一一般般在在非非饱饱和和状状态态下下，，其其磁磁导导率率远远大大于于空空气气的的磁磁导导率率，，因因此此铁铁芯磁阻远较气隙磁阻小，所以上式可简化为芯磁阻远较气隙磁阻小，所以上式可简化为 可见，自感可见，自感L是气隙截面积和长度的函数，即是气隙截面积和长度的函数，即L＝＝f(A,x)如如果果A保保持持不不变变，，则则L为为x的的单单值值函函数数，，构构成成变变隙隙式式自自感感传传感感器器；；若若保保持持x不不变变，，使使A随随位位移移变变化化，，则则构构成成变变截截面面式式自自感感传传感感器器。
其特性曲线如图其特性曲线如图L=f（A）L=f（x）xLAL=f(x)为非线性关系当为非线性关系当x＝＝0时，时，L为为∞，考虑导磁体的磁阻，当，考虑导磁体的磁阻，当x＝＝0时时，并不等于，并不等于∞，而具有一定的数值，，而具有一定的数值，在在x较小时其特性曲线如图中虚线所较小时其特性曲线如图中虚线所示如上下移动衔铁使面积示如上下移动衔铁使面积S改变，改变，从而改变从而改变L值时值时,则则L＝＝f(A)的特性曲的特性曲线为一直线线为一直线 灵敏度灵敏度 (2)变面积式自感传感器变面积式自感传感器 也可认为是也可认为是有效线圈匝数有效线圈匝数变化变化引起自感变化引起自感变化3)螺管式自感传感器螺管式自感传感器 有单线圈有单线圈和和差动式差动式两种结构形式两种结构形式 单线圈螺管型传感器的主要元件为一只螺管线圈和一根圆柱单线圈螺管型传感器的主要元件为一只螺管线圈和一根圆柱形铁芯传感器工作时，因铁芯圈中伸入长度的变化，引起形铁芯传感器工作时，因铁芯圈中伸入长度的变化，引起螺管线圈自感值的变化当用恒流源激励时，则线圈的输出电压螺管线圈自感值的变化。
当用恒流源激励时，则线圈的输出电压与铁芯的位移量有关与铁芯的位移量有关 螺管线圈内磁场分布曲线rxl1.00.80.60.40.20.2 0.4 0.60.81.0H（ ）INlx（l） 铁芯在开始插入（铁芯在开始插入（x=0）或几乎离开线圈时的灵敏度，比）或几乎离开线圈时的灵敏度，比铁芯插入线圈的铁芯插入线圈的1/2长度时的灵敏度小得多这说明只有圈长度时的灵敏度小得多这说明只有圈中段才有可能获得较高的灵敏度，并且有较好的线性特性中段才有可能获得较高的灵敏度，并且有较好的线性特性 螺管式自感传感器的特点：螺管式自感传感器的特点： ①①结构简单，制造装配容易；结构简单，制造装配容易； ②②由由于于空空气气间间隙隙大大，，磁磁路路的的磁磁阻阻高高，，因因此此灵灵敏敏度度低低，，但但线线性性范范围大；围大； ③③由于磁路大部分为空气，易受外部磁场干扰；由于磁路大部分为空气，易受外部磁场干扰； ④④由由于于磁磁阻阻高高，，为为了了达达到到某某一一自自感感量量，，需需要要的的线线圈圈匝匝数数多多，，因因而线圈分布电容大；而线圈分布电容大； ⑤ ⑤要求线圈框架尺寸和形状必须稳定，否则影响其线性和稳定要求线圈框架尺寸和形状必须稳定，否则影响其线性和稳定性。
性 三、差三、差动动自感自感传传感器感器测测量量电电路路 （（1）） 差动交流测量电桥差动交流测量电桥 下图是差动自感传感器基本交流测量电桥阻抗下图是差动自感传感器基本交流测量电桥阻抗Z1和和Z2为传感器两线圈的等效阻抗，供桥电源由带中心抽头的变为传感器两线圈的等效阻抗，供桥电源由带中心抽头的变压器次级线圈供给压器次级线圈供给输出电压，以输出电压，以d为参考点为参考点 当感抗远大于直流电阻时：当感抗远大于直流电阻时： 由上分析可知，输出电压的大小反映动铁位移的大由上分析可知，输出电压的大小反映动铁位移的大小，输出电压的极性反映动铁位移的方向小，输出电压的极性反映动铁位移的方向 互感型传感器的工作原理是利用电磁感应中的互感现象，互感型传感器的工作原理是利用电磁感应中的互感现象，将被测量将被测量( (位移位移) )转换成感应电势的变化由于常采用两个转换成感应电势的变化由于常采用两个次级线圈组成差动式，故又称差动变压器式传感器实际次级线圈组成差动式，故又称差动变压器式传感器实际中多采用螺管线圈型差动变压器中多采用螺管线圈型差动变压器 传感器输出电压传感器输出电压( (调幅波调幅波) )反映了位移的大小及方向，反映了位移的大小及方向，但因为交流信号，只有接入相应电路（相敏检波、差动整但因为交流信号，只有接入相应电路（相敏检波、差动整流等），才能提取出这两种信息。
流等），才能提取出这两种信息感应电势感应电势3.3.2 互感传互感传式式感器感器 1、、输输出出电压电压特性特性 单单个次个次级线级线圈圈输输出出电压电压与与动铁动铁位移的关系曲位移的关系曲线线如如图图（（a））所示，所示，图图中中Um为动铁为动铁4与次与次级线级线圈圈21或或22完全耦合完全耦合时时的的输输出出电压电压；此；此时该线时该线圈磁路的磁阻最小，因而互感圈磁路的磁阻最小，因而互感M最大，感最大，感应电动势应电动势e最大，因而其最大，因而其输输出出电压电压达到最大达到最大值值Um图图中中Uo为动铁为动铁4与次与次级级某某线线圈完全不耦合圈完全不耦合时时的的输输出出电压电压，称之，称之为为残残余余电压电压 二、工作特性二、工作特性 v4 4、残余电压消除方法、残余电压消除方法 差动变压器零点残余电压是由于结构及电磁特性不对差动变压器零点残余电压是由于结构及电磁特性不对称等多方面影响造成的，消除或减小的方法主要是：称等多方面影响造成的，消除或减小的方法主要是：（（1 1）提高差动变压器的组成结构及电磁特性的对称性；）提高差动变压器的组成结构及电磁特性的对称性；（（2 2）引入相敏整流电路，对差动变压器输出电压进行处）引入相敏整流电路，对差动变压器输出电压进行处理；理；（（3 3）采用外电路补偿，如下图。
采用外电路补偿，如下图 3.2.3 电涡流式传感器电涡流式传感器 电涡流指的是传感线圈的交变磁场在被测金属板上产生的感电涡流指的是传感线圈的交变磁场在被测金属板上产生的感应电流，此电流在金属板平面上形成闭合回路，其大小与金属板应电流，此电流在金属板平面上形成闭合回路，其大小与金属板平面的电阻率平面的电阻率ρ、磁导率、磁导率μ、金属板厚、金属板厚b及传感线圈与金属板间距及传感线圈与金属板间距离离δ有关 基于法拉第电磁感应原理，当传基于法拉第电磁感应原理，当传感器线圈通以正弦交变电流感器线圈通以正弦交变电流 I1 时，线时，线圈周围空间将产生正弦交变磁场圈周围空间将产生正弦交变磁场 H1，，被测导体内产生呈涡旋状的交变感应被测导体内产生呈涡旋状的交变感应电流电流I2 ，，称称电涡流效应电涡流效应电涡流产生电涡流产生的交变磁场的交变磁场H2与与H1方向相反，它使传方向相反，它使传感器线圈等效阻抗发生变化感器线圈等效阻抗发生变化一）工作原理（一）工作原理 电涡流沿金属板厚度电涡流沿金属板厚度b b方向的方向的贯穿深度贯穿深度h h与激磁电源的频率与激磁电源的频率f f有关，有关，频率越高贯穿深度越小，此即电涡频率越高贯穿深度越小，此即电涡流的流的趋肤效应趋肤效应。
通常把电涡流传感通常把电涡流传感器按激磁电源频率高低分为两大类，器按激磁电源频率高低分为两大类，高频反射式电涡流传感器高频反射式电涡流传感器和低和低频透频透射式电涡流传感器射式电涡流传感器，前者用于非接，前者用于非接触式位移变量的检测，后者仅用于触式位移变量的检测，后者仅用于金属板厚度的测量金属板厚度的测量 高频反射式涡流传感器高频反射式涡流传感器多用于位移及与位移相关的多用于位移及与位移相关的厚度、振动等测量厚度、振动等测量1）高频反射式电涡流式传感器）高频反射式电涡流式传感器 高频高频(>lMHz)激励电流产生激励电流产生的高频磁场作用于金属板的表的高频磁场作用于金属板的表面，由于集肤效应，在金属板面，由于集肤效应，在金属板表面将形成涡电流与此同时，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该涡流产生的交变磁场又反作用于线圈，引起线圈自感用于线圈，引起线圈自感L或或阻抗阻抗ZL的变化 高频激励信号使线圈产生一个高频交变磁场φi，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φe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 其中：其中：ρ 金属电导率，金属电导率， μ金属磁导率，金属磁导率， r 线圈与被测物体的尺寸因子，线圈与被测物体的尺寸因子， f 激磁电流频率，激磁电流频率， x 线圈与导体间的距离线圈与导体间的距离 音频音频(<20kHz)激励电流激励电流低频透低频透射式涡射式涡流传感流传感器多用器多用于测定于测定材料厚材料厚度2、低频透射式电涡流式传感器、低频透射式电涡流式传感器 发发射射线线圈圈L L1 1和和接接收收线线圈圈L L2 2分分置置于于被被测测金金属属板板的的上上下下方方由由于于低低频频磁磁场场集集肤肤效效应应小小，，渗渗透透深深，，当当低低频频( (音音频频范范围围) )电电压压u u1 1加加到到线线圈圈L L1 1的的两两端端后后，，所所产产生生磁磁力力线线的的一一部部分分透透过过金金属属板板, ,使使线线圈圈L L2 2产产生生感感应应电电动动势势u u2 2。
但但由由于于涡涡流流消消耗耗部部分分磁磁场场能能量量，，使使感感应应电电动动势势u u2 2减减少少，，当当金金属属板板越越厚厚时时，，损损耗耗的的能能量量越越大大，，输输出出电电动动势势u u2 2越越小小因因此此，，u u2 2的的大大小小与与金金属属板板的的厚厚度度及及材材料料的的性性质质有有关关. .试试验验表表明明u u2 2随随材材料料厚厚度度h h的的增增加加按按负负指指数数规规律律减减少少, ,因因此此，，若若金金属属板板材材料的性质一定，则利用料的性质一定，则利用u u2 2的变化即可测厚度的变化即可测厚度 线圈线圈线圈线圈L L2 2 的感应电压与被测厚度的增大按负幂指数的的感应电压与被测厚度的增大按负幂指数的的感应电压与被测厚度的增大按负幂指数的的感应电压与被测厚度的增大按负幂指数的规律减小，即规律减小，即规律减小，即规律减小，即 式中式中式中式中 δ δ————被测金属板的厚度；被测金属板的厚度；被测金属板的厚度；被测金属板的厚度； h h————贯穿深度贯穿深度贯穿深度。
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，通常选激励频率为小于被测厚度，不利于进行厚度测量，通常选激励频率为1kHz1kHz左右 测薄金属板时，频率一般应略高些，测厚金属板时，频率测薄金属板时，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应低些在测量电阻率ρ ρ较小的材料时，应选较低的频率（如较小的材料时，应选较低的频率（如500Hz500Hz），测量），测量ρ ρ较大的材料时，应选用较高的频率（如较大的材料时，应选用较高的频率（如2kHz2kHz），），从而保证在测量不同材料时能得到较好的线性和灵敏度从而保证在测量不同材料时能得到较好的线性和灵敏度 v 电涡流式传感器的特点：电涡流式传感器的特点：§非接触测量，不易受油液介质影响；非接触测量，不易受油液介质影响；§结构简单，使用方便，灵敏度高，最高分辨率达结构简单，使用方便，灵敏度高，最高分辨率达0.05微米；微米；§频率响应范围宽（频率响应范围宽（0~10kHz），适合动态测量。
适合动态测量 （二）测量电路（二）测量电路——交流电桥、谐振电路交流电桥、谐振电路 根据电涡流效应原理和等效电路，电涡流传感器输出的测根据电涡流效应原理和等效电路，电涡流传感器输出的测量电路有下述量电路有下述3 3种形式：种形式： （（1 1）谐振法）谐振法 谐振法是依照谐振法是依照LCLC电路谐振原理，实现对电涡流传感器输出电路谐振原理，实现对电涡流传感器输出信号测量的方法根据信号测量的方法根据LCLC谐振电路的幅值及频率特性，又分谐振电路的幅值及频率特性，又分为调幅法和调频法为调幅法和调频法 调幅法调幅法 调幅法是以传感器线圈与调谐电容组成并联调幅法是以传感器线圈与调谐电容组成并联LCLC调谐回路，调谐回路，由石英振荡器提供高频激磁电流，如下图所示，测量电路的由石英振荡器提供高频激磁电流，如下图所示，测量电路的输出电压输出电压u uo o正比于正比于LCLC谐振电路的阻抗谐振电路的阻抗Z Z，激磁电流，激磁电流i io o和谐振阻和谐振阻抗抗Z Z越大，输出电压越大，输出电压u uo o=iZ=iZ越高 Ø图中L为传感器线圈电感，与电容C组成并联谐振回路，晶体振荡器提供高频激励信号。
在无被测导体时，LC并联谐振回路调谐在与晶体振荡器频率一致的谐振状态，这时回路阻抗最大，回路压降最大 定频调幅电路框图a.定频调幅电路定频调幅电路 v调频法 此法是以LC谐振回路的频率作为输出量，直接用频率计测量；或通过测量LC回路等效电感L，间接测量频率变化量这种方法稳定性较差，几个PF的分布电容可能引起几个KHZ的频率变化，虽然可以通过扩大调频范围来提高稳定性，但调频的范围不可能无限制扩大 无被测导体时，振荡回路的Q值最高，振荡电压幅值最大，振荡频率为f0当有金属导体接近线圈时，涡流效应使回路Q值降低，谐振曲线变钝，振荡幅度降低，振荡频率也发生变化 当被测导体为软磁材料时，由于磁效应的作用，导磁率增加，谐振回路的等效电感L增加，LC回路谐振频率降低，曲线左移；被测导体为硬磁材料时，谐振频率升高，曲线右移所不同的是，振荡器输出电压不是各谐振曲线与f0的交点，而是各谐振曲线峰点的连线 由于并联谐振电路输出电压U0=i0Z，因而传感器线圈与被测体之间距离δ的变化，引起Z的变换，使输出电压跟随变化，从而实现位移量的测量，故称调幅法。
b.变频调变频调幅幅电电路路 定频调幅电路虽然有很多优点，并获得广泛应用，但线路较复杂，装调较困难，线性范围也不够宽因此，人们又研究了一种变频调幅电路，这种电路的基本原理基本原理是将传感器线圈直接接入电容三点式振荡回路当导体接近传感器线圈时，由于涡流效应的作用，振荡器输出电压的幅度和频率都发生变化，利用振荡幅度的变化来检测线圈与导体间的位移变化，而对频率变化不予理会 v前面介绍了三种不同工作原理的电感传感器，都可以用来直接测量位移量，亦可以测量能转换为位移量的其变化量，但各自应用的领域有所不同，下面介绍几个应用实例一、电感测微仪一、电感测微仪 电感测微仪是一个差动式自感传感器测量微位移装置，其测量电路如后图所示图中两传感器线圈和两电阻组成交流测量电桥，电桥输出交流电压经放大后送相敏检波器，检波输出直流电压由直流电压表或显示器输出3.2.4 电感式传感器的应用电感式传感器的应用 二、力平衡式差压计二、力平衡式差压计 力平衡式差压计是一个差动变压器测量电路，如图所示图中N1、N2、N22分为差动变压器初级线圈和两次级线圈，V1、V2和C为半波整流电容滤波电路。
当动铁处于中间位置时，膜盒亦在正中处，此时膜盒的上下压力相同，即P1=P2时，差动变压器输出电压U=0当P1和P2大小不同时，膜盒产生位移，带动着动铁移动，此时差动变压器输出电压U不为0，其大小和极性即表示动铁位移的大小和方向，从而可测出2压力差 无损探伤无损探伤 测转速测转速 测厚度测厚度 计数计数 测裂纹测裂纹 二、简答1. 调制与解调的目的是什么？ 2. 为什么交流电桥输出的调幅波不能简单地用二极管检波来解调，而必须用相敏检波器来解调? 3. 涡流的形成范围和渗透深度与哪些因素有关?一、选择与填空题 1.电涡流传感器是利用 材料的电涡流效应工作的 A.金属导体 B.半导体 C.非金属材料 2.高频反射式涡流传感器是基于 和 效应来实现信号的感受和变换的 A.涡电流 B.纵向 C.横向 D.集肤 3.差动变压器式传感器工作时，如果铁芯做一定频率的往复运动，其输出电压是 波 4.差动变压器式位移传感器是将被测位移量的变化转换成线圈____系数的变化,两个次级线圈要求 串接。
作业：电感式传感器作业：电感式传感器 。