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1、,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）转换为电感或互感的变化。按传感器结构可分为：自感式、互感式、电涡流式。,4.1自感式式传感器（变磁阻）,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。,一、工作原理,总磁阻,线圈匝数,两式联立得:,图4-1 变磁阻式传感器,I 为线圈中所通交流电的有效值。,空气导磁率,而,其中,如果A保持
2、不变，则L为的单值函数，构成变气隙式自感传感器,若保持不变，使A随被测量（如位移）变化，则构成变截面式自感传感器，,，A,L,L=f(A),L=f(),图4-3 电感传感器特性,衔铁下移,二、变气隙式自感传感器的输出特性,忽略高次项：,衔铁上移,忽略高次项：,三、差动式自感传感器,在实际使用中，常采用两个相同的传感线圈共用一个衔铁，构成差动式自感传感器，两个线圈的电气参数和几何尺寸要求完全相同。这种结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对温度变化、电源频率变化等的影响也可以进行补偿，从而减少了外界影响造成的误差。,图4-4是变气隙型、变面积型及螺管型三种类型的差动式自感传感器的结构示意图。当衔铁
3、3移动时，一个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减少，形成差动形式。,图4-4 差动式自感传感器1-线圈 2-铁芯 3-衔铁 4-导杆,（a）变气隙型,（b）变面积型,（c）螺管型,变气隙型差动式自感传感器,衔铁下移：,忽略高次项：,提高一倍,上式中不存在偶次项，显然差动式自感传感器的非线性误差在工作范围内要比单个自感传感器的小得多。,差动式与单线圈电感式传感器相比，具有下列优点：线性好；灵敏度提高一倍，即衔铁位移相同时，输出信号大一倍；温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度的影响，由于能互相抵消而减小；电磁吸力对测力变化的影响也由于能相互抵消而减小。,四、自感式传感器的等效电路,实际传
4、感器中，线圈不可能是纯电感，它包括线圈的铜损电阻RC；铁芯的涡流损耗电阻Re；由于线圈和测量设备电缆的接入，存在线圈固有电容和电缆的分布电容，用集中参数C表示。,图4-6 等效电路,五、自感式传感器的测量电路,1.电阻平衡臂交流电桥,图4-7 交流电桥,差动的两个传感器线圈接成电桥的两个工作臂（Z1、Z2为两个差动传感器线圈的复阻抗），另两个桥臂用平衡电阻R1、R2代替。,设初始时 Z1=Z2=Z=RS+jL；R1=R2=R；L1=L2=L0。工作时 Z1=RS+jwL1;Z2=RS+jwL2,R1,R2,Z2,Z1,对差动变气隙式自感传感器：,可见，电桥输出电压与有关，相位与衔铁移动方向有关
5、。由于是交流信号，还要经过适当电路（如相敏检波电路）处理才能判别衔铁位移的大小及方向。,4,3,2,1,-,1、2为两线圈的电感特性，,3为两线圈差接时的电感特性，,图线4为差接后电桥输出电压与位移间的特性曲线。,说明：电桥输出电压的大小与衔铁的位移量有关，相位与衔铁的移动方向有关。,若设衔铁向上移动为负，则U0为负；衔铁向下移动为正，则U0为正，相位差180。,图4-8 变压器交流电桥,电桥A点的电位为：,B点电位为,电桥两臂Z1、Z2为传感器线圈阻抗,初始位置,衔铁下移,衔铁上移,若线圈的Q值很高，损耗电阻可忽略，则,由上式可知，当衔铁向上、向下移动相同的距离时，产生的输出电压大小相等，但
6、极性相反。由于是交流信号，要判断衔铁位移的大小及方向同样需要经过相敏检波电路的处理。,4.2 差动变压器式传感器（互感式）4.2.1 工作原理,把被测的非电量变化转换成为 线圈互感量的变化的传感器称为互感式传感器。这种传感器根据变压器的基本 原理制成，并将次级线圈绕组用 差动形式连接。差动变压器的结构形式较多，应用最多的是螺线管式差动变压 器。它可测量1100mm范围内的 机械位移。,等效电路：两个次级线圈必须反相串联接，保证差动形式。如果线圈完全对称并且衔铁处于中间位置时两线圈 互感系数相等 电动势相等,差动输出电压为零：,一、工作原理,可见:输出电压大小和符号反映了 铁心位移的大小和方向。
7、,当衔铁上下移动时，输出电压随衔铁位移变化。,若衔铁上移,若衔铁下移,二、基本特性,由此得到输出电压有效值为：,可见输出电压与互感的差值有关,根据电磁感应定律，次级感应电动势分别为,铁芯向右移，输出与E2a同极性；铁芯向左移，输出与E2b同极性；输出电压的幅值取决于线圈 互感即衔铁在线圈中移动的 距离X。Uo与Ui的相位由衔 铁的移动方向决定。,差动变压器输出电压和位移的关系,差动变压器结构形式,三、零点残余电压,由于两个次级线圈绕组电气系数（M互感 L电感 R内阻）不同，几何尺寸工艺上很难保证完全相同。实际的特性曲线，在零点上总有一个最小的输出电压，这个铁芯处于中间位置时最小不为零的电压称为
8、零点残余电压。,四、差动变压器式传感器及测量电路,差动变压器输出交流信号。为正确反映衔铁位移 大小和方向，常采用差动整流电路和相敏检波电路。（1）差动整流电路，输入一交流信号时,（2）相敏检波电路,（a）相敏检波电路原理图；（b）us、u2为正半周时等效电路；(c)us、u2为负半周时等效电路,上一页,返 回,下一页,相敏检波电路波形,(a）被测位移变化波形图；(b)差动变压器激励电压波形；(c)差动变压器输出电压波形；(d)相敏检波解调电压波形；(e)相敏检波输出电压波形,上一页,返 回,下一页,4.3 电感式传感器的应用,一、位移测量,轴向式电感 测微器的外形,航空插头,红宝石测头,其他电
9、感测微头,模拟式及数字式电感测微仪,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钢球导轨（直线轴承）8测杆 9密封套 10测端 11被测工件 12基准面,二、电感式滚柱直径分选装置,图3-14 滚柱直径分选装置 1气缸 2活塞 3推杆 4被测滚柱 5落料管 6电感测微器 7钨钢测头 8限位挡板 9电磁翻板 10容器（料斗）,二、电感式滚柱直径分选装置,测微仪,圆柱滚子,电感式滚柱直径分选装置（外形）,滑道,分选仓位,轴承滚子外形,（参考中原量仪股份有限公司资料）,电感式滚柱直径分选装置外形,落料振动台,滑道,11个分选仓位,（参考无锡市通达滚子有
10、限公司资料）,废料仓,三、电感传感器在仿形机床中的应用,1标准靠模样板 2测端（靠模轮）3电感测微器 4铣刀龙门框架 5立柱 6伺服电动机 7铣刀 8毛坯,仿形铣床外形,仿形机床采用 闭环工作方式,仿形头,主轴,仿形车床原理,四、电感式不圆度计原理,该圆度计采用旁向式电感测微头,电感式不圆度测量系统外形（参考洛阳汇智测控技术有限公司资料）,旋转盘,测量头,五、压力测量,1压力输入接头 2波纹膜盒 3电缆 4印制线路板 5差动线圈 6衔铁 7电源变压器 8罩壳 9指示灯 10密封隔板 11安装底座,压力测量用的膜盒,膜盒由两片波纹膜片焊接而成。所谓波纹膜片是一种压有同心波纹的圆形薄膜。当膜片四周
11、固定，两侧面存在压差时，膜片将弯向压力低的一侧，因此能够将压力变换为直线位移。,七、一次仪表与 420mA二线制输出方式,图3-17所示的压力变送器已经将传感器与信号处理电路组合在一个壳体中，这在工业中被称为一次仪表。一次仪表的输出信号可以是电压，也可以是电流。由于电流信号不易受干扰，且便于远距离传输（可以不考虑线路压降），所以在一次仪表中多采用电流输出型。,420mA二线制输出方式,新的国家标准规定电流输出为420mA；电压输出为15V(旧国标为010mA或02V)。4mA对应于零输入，20mA对应于满度输入。不让信号占有04mA这一范围的原因，一方面是有利于判断线路故障（开路）或仪表故障；
12、另一方面，这类一次仪表内部均采用微电流集成电路，总的耗电还不到4mA，因此还能利用04mA这一部分“本底”电流为一次仪表的内部电路提供工作电流，使一次仪表成为两线制仪表。,420mA二线制输出方式,所谓二线制仪表是指仪表与外界的联系只需两根导线。多数情况下，其中一根（红色）为+24V电源线，另一根（黑色）既作为电源负极引线，又作为信号传输线。在信号传输线的末端通过一只标准负载电阻（也称取样电阻）接地（也就是电源负极），将电流信号转变成电压信号。,420mA二线制仪表接线方法,420mA,420mA二线制数显表外形及计算,在上一张图中，若取样电阻RL=500.0，则对应于420mA的输出电流，输
13、出电压Uo为210V。,一、电涡流传感器工作原理,电涡流效应演示,当电涡流线圈与金属板的距离x 减小时，电涡流线圈的等效电感L 减小，等效电阻R 增大。感抗XL 的变化比 R 的变化 大 得 多，流过电涡流线圈的电流 i1 增大。,4.4 电涡流式传感器,集肤效应,集肤效应与激励源频率f、工件的电导率、磁导率等有关。频率f越高，电涡流的渗透的深度就越浅，集肤效应越严重。,图4-1是电涡流传感器工作原理示意图。当高频（100kHz左右）信号源产生的高频电压施加到一个靠近金属导体附近的电感线圈L1时，将产生高频磁场H1。如被测导体置于该交变磁场范围之内时，被测导体就产生电涡流i2。i2在金属导体的
14、纵深方向并不是均匀分布的，而只集中在金属导体的表面，这称为集肤效应（也称趋肤效应）。,二、等效阻抗分析,检测深度与激励源频率有何关系？,电涡流线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的函数表达式为：Z=R+jL=f（i1、f、r、x）（4-1）,如果控制上式中的i1、f、r不变，电涡流线圈的阻抗Z就成为哪个非电量的单值函数？属于接触式测量还是非接触式测量？,等效阻抗与非电量的测量,检测深度的控制：由于存在集肤效应，电涡流只能检测导体表面的各种物理参数。改变f，可控制检测深度。激励源频率一般设定在100kHz1MHz。频率越低，检测深度越深。,间距x的测量：如果控制上式中的i1、f、r不变，电涡流线圈的阻
15、抗Z就成为间距x的单值函数，这样就成为非接触地测量位移的传感器。多种用途：如果控制x、i1、f不变，就可以用来检测与表面电导率有关的表面温度、表面裂纹等参数，或者用来检测与材料磁导率有关的材料型号、表面硬度等参数。,电涡流的应用 在我们日常生活中经常可以遇到,干净、高效的 电磁炉,电磁炉内部的励磁线圈,电磁炉的工作原理,高频电流通过励磁线圈，产生交变磁场，在铁质锅底会产生无数的电涡流，使锅底发热，烧开锅 内 食 物。,二、位移测量,电涡流位移传感器是一种输出为模拟量的电子器件。当金属物体接近此感应面时，金属表面将吸取电涡流探头中的高频振荡能量，使振荡器的输出幅度线性地衰减，根据衰减量的变化或振
16、荡频率的变化，可地计算出与被检物体的距离、振动等参数。这种位移传感器属于非接触测量，工作时不受灰尘等因素的影响，可在各种恶劣条件下使用。,位移测量仪,位移测量包含：偏心、间隙、位置、倾斜、弯曲、变形、移动、圆度、冲击、偏心率、冲程、宽度等。来自不同应用领域的许多量都可归结为位移或间隙变化。,数显位移测量仪及探头,420mA电涡流位移传感器外形（参考德国图尔克公司资料）,偏心和振动检测,测量弯曲、波动、变形,对桥梁、丝杆等机械结构的振动测量，须使用多个传感器。,测量金属薄膜、板材厚度电涡流测厚仪,测量冷轧板厚度,导向辊的材料可以用金属制作吗？,二、转速测量,若转轴上开z 个槽(或齿)，频率计的读
17、数为f（单位为Hz），则转轴的转速n（单位为r/min）的计算公式为,齿轮转速测量,例：下图中，设齿数z=48，测得频率 f=120Hz，请按上述公式该齿轮的转速n。,电动机转速测量,三、电涡流式通道安全检查门,安检门的内部设置有发射线圈和接收线圈。当有金属物体通过时，交变磁场就会在该金属导体表面产生电涡流，会在接收线圈中感应出电压，计算机根据感应电压的大小、相位来判定金属物体的大小。,安检门演示,当有金属物体穿越安检门时报警,在安检门的上中下中，安装多个电涡流线圈，有金属穿过时，对应位置报警。还在一侧安装一台“软x光”扫描仪，它能显示衣服里头的物体形状和密度，对人体、胶卷无害。,四、电涡流表面探伤,手持式裂纹测量仪,油管探伤,电涡流传感器,
