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1、,第3章 电感传感器,掌握自感式电感传感器的结构、原理及其相应的测量电路和应用。掌握差动变压器（互感式电感传感器）的原理、特点、工作特性及零点残压的消除方法。掌握高频发射式及低频透射式电涡流传感器的工作原理。,上一页,下一页,返 回,第3章 电感传感器,3.1 自感式传感器3.2 差动变压器3.3 电涡流式传感器3.4 电感传感器的应用,上一页,下一页,返 回,电感传感器,电感传感器是利用线圈自感和互感的变化实现非电量测量的。应用电磁感应原理将非电量参数转换为电感量的变化（包括自感和互感）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，可用来测量位移、振动、转速、流量等非电信号。主要优
2、点是：结构简单（线圈、铁芯、衔铁），工作可靠，寿命长；灵敏度高，传感器的输出信号强，有利于信号的传输和放大，能分辩0.01m的位移变化，一般每毫米的变化可达数百毫伏的输出；精度高，重复性好，线性好，非线性误差一般为0.050.1 主要缺点有：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。,上一页,下一页,返 回,3.1 自感式传感器,3.1.1 气隙型自感传感器3.1.2 差动自感传感器3.1.3 差动自感传感器测量电路3.1.4 螺线管式自感传感器3.1.5 自感式传感器测量电路3.1.6 自感式传感器应用举例,按原理分：自感式传感器、互感式传感器（差动传感器
3、）按结构分：闭磁路气隙型；开磁路电涡流式,自感式传感器,上一页,返 回,下一页,自感式传感器亦称变隙式自感传感器，它是根据铁芯线圈磁路气隙的改变，引起滋路磁阻的改变，从而改变线圈自感的大小。气隙是磁路与磁路之间的空气间隔，是以空气为介质的间隙，其变化可以引起磁路和磁阻的变化。气隙参数的改变分变气隙长度和变气隙截面积S两种方式传感器线圈又分单线圈和双线圈两种。,3.1.1 气隙型自感传感器,上一页,返 回,下一页,（a）变气隙长度,（b）变气隙截面积,工作原理由线圈、铁芯、衔铁三部分组成,上一页,返 回,下一页,根据磁路知识，线圈的自感为：,N线圈的匝数Rm磁路的总磁 在气隙较小的情况下（一般l
4、在0.11mm），可以认为气隙磁场均匀分布，同时忽略磁路铁损，则有：,l1、l2、l0铁芯、衔铁和气隙的长度S1、S2、S0铁芯、衔铁和气隙的截面积1、2、0铁芯、衔铁和气隙的导磁率,即磁路总磁为铁芯、衔铁和气隙三部分磁路磁阻之和,上一页,返 回,下一页,实际上由于铁芯一般工作于非饱和状态，此时铁芯的导磁率远远大于空气的导磁率，因而磁路的总磁阻主要由气隙长度决定，即,显然在气隙型传感器中移动衔铁的位置，即可改变气隙的长度图(a)或截面积图(b)，从而引起线圈自感的变化。,上一页,返 回,下一页,（1）变气隙长度型,2.工作特性 主要分析变气隙式传感器的线性度和灵敏度。,变气隙长度型传感器的自感
5、L与呈非线性关系,灵敏度：,灵敏度高，线性度差,（2）变气隙截面积型,变气隙截面积S型传感器的自感L与S之间呈线性关系,灵敏度：,灵敏度低，线性度高,上一页,返 回,下一页,结论：L=f（l0）在S0不变的情况下，为非线性反比例函数；L=f（S0）在l0不变的情况下，为线性正比例函数；如图：分别通过改变l0或改变S0，均可以获得L的变化。,3.1.2 差动变隙式电感传感器,1-铁芯；2-线圈；3-衔铁,上一页,返 回,下一页,两线圈变气隙式自感传感器采用两个线圈激磁，工作时两线圈的自感呈反相变化，形成差动输出，因而称之为差动自感传感器。差动自感传感器亦有变气隙长度型和变气隙截面积型,由两个相同
6、线圈，一个可动衔铁组成：,1.工作原理,初态时：若结构对称，且动铁居中，则,上一页,返 回,下一页,动铁上移时，则,动铁下移时，则,结论：输出电压的大小和极性随位移变化而变化,2.特性分析,（1）输出电压不但能反映位移量的大小，而且能反映位移的方向。（2）输出电压正比于2I，因而灵敏度较高。（3）输出电压非线性减小。（4）可获得温度自补偿。,上一页,返 回,下一页,结论：当位移控制在，输出电压Uo与位移近似线性关系,3.1.3 差动自感传感器测量电路,1.基本交流测量电桥2.带相敏整流的交流电桥,上一页,返 回,下一页,测量电路作用：将电感传感器的电感量L的变化转换成电压或电流形式的变化量输出
7、。,1.基本交流测量电桥,（1）初始平衡状态，Z1=Z2=Z,U0=0（2）动铁上移：,上一页,返 回,下一页,令ZR+jL,Z=R+j L,且R L，R L，则,（3）动铁下移：,上一页,返 回,下一页,结论：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,两种情况的输出电压大小相等，方向相反，即相位差180o为了判别衔铁位移方向，就是判别信号的相位，要在后续电路中配置相敏检波器来解决,2.带相敏检波电路,由于交流电压表不能直接指示电桥输出电压的极性，即无法确定动铁位移的方向，因而通常在交流检测电桥中引入相敏整流电路，把测量电桥的交流输出转换为直流输出，而后用零值电压表测
8、量电桥的输出电压。,上一页,返 回,下一页,2.带相敏检波电路,Z1、Z2为差动线圈等效阻抗R为平衡电阻，与Z1、Z2 组成电桥DlD4组成相敏整流电路Uo为测量电路的输出电压零值居中的直流电压表指示输出电压的大小和极性,上一页,返 回,下一页,上一页,返 回,下一页,（1）初态时：由于动铁居中，即Z1Z2Z，由于桥路结构对称，此时UB UC，即Uo=UB-UC=0。（2）动铁上移时：Z1Z十Z，Z2ZZ，即Z1Z2I1I2，此时 UoUBUCUBD+UDC=I1R-I2R=R(I1-I2)0在电源Ui的正半周和负半周，I1、I2的方向均变为相反，但Uo都0，指示表指针反偏，读数为负，表示动铁
9、在上移。（3）动铁下移时：Z1ZZ，Z2Z十Z，即Z2Z1I1 I2，此时UoUBUCR(I1-I2)0指示表指针右偏，读数为正，表明动铁在下移。,非相敏整流和相敏整流电路输出电压比较(a)非相敏整流电路；（b）相敏整流电路,非相敏整流电路：电路结构不完全对称，初态时电桥不平衡，因而产生静态零偏压，称为零点残余电压。相敏整流电路具备以下优点：过零输出 改善线性度 识别极性,上一页,返 回,下一页,返 回,3.2 差动变压器,差动变压器是互感式传感器，是把被测量的位移量转换成传感器线圈间互感量的变化。其原理类似于变压器。不同的是：后者为闭合磁路，前者为开磁路；后者初、次级间的互感为常数，前者初、
10、次级间的互感随衔铁移动而变，且两个次级绕组按差动方式工作，因此又称为差动变压器。它与自感式传感器统称为电感式传感器。变隙式变面积式 螺线管式一般采用螺线管式，因为气隙式结构复杂，行程小。,下一页,返 回,(a)、(b)变隙式差动变压器；(c)、(d)螺线管式差动变压器；(e)、(f)变面积式差动变压器,上一页,返 回,下一页,差动变压器,3.2.1 工作原理3.2.2 工作特性3.2.3 测量电路,上一页,返 回,下一页,3.1 工作原理,-活动衔铁；-导磁外壳；-骨架；-匝数为N1初级绕组；-匝数为N21的次级绕组；-匝数为N22的次级绕组,上一页,返 回,下一页,上一页,返 回,下一页,R
11、1和L1表示初级线圈的电阻和自感R21和R22表示两次级线圈 的电阻L21和L22表示两次级线圈的自感M1和M2表示初级线圈分别与两次级线团间的互感e2l和e22表示在初级电压u1作用下在两次线圈上产生的感应电动势两次级线圈反向串联，形成差动输出电压u2。,常采用三段式结构形式，即一个初级线圈，两个次级线圈，且反向串接形成“差接”方式。如图为等效电路图：输入电压通过互感，感应到感应电压e21和e22，通过移动衔铁，可以改变其原边、副边之间的互感。,上一页,返 回,下一页,初级线圈的激磁电流为:,动铁和次级线圈中产生的磁通分别为:,Nl为初级线圈的匝数，次级线圈的匝数为N11N21N2，R21和
12、R22 分别通道磁阻。此时初级线圈与两次级线圈的互感为：,可见，可以通过移动衔铁，改变M1、M2，从而改变U2.,上一页,返 回,下一页,结论：,当动铁处于中间位置时，磁阻Rm1Rm2，即互感M1M2，故此时输出 电压U20。当动铁上移时，磁阻Rm1Rm2，则M1=M+MM2=M-M，此时输出电压U20。当动铁下移时，磁阻Rm1Rm2，则M1=M-MM2=M+M，此时输出电压U20。因而差动变压器可以用来测量动铁位移的大小和方向。,3.2.2 工作特性,输出电压特性灵敏度线性度温度特性零点残余电压消除方法,上一页,返 回,下一页,（1）输出电压特性,上一页,返 回,下一页,由图可见：完全耦合时
13、：该线圈磁路的磁阻最小，因而互感M 最大，感应电动势e最大，因而其输出电压达到最大值Um。完全不耦合时：输出电压Uo，称之为残余电压。x表示动铁与次级线圈实际位移的范围,单个线圈变压器输出电压特性,上一页,返 回,下一页,结论：相对于次级单个线圈，差动两线圈输出电压线性工作范围大大增加。改善差动变压器输出电压特性的方法：提高次级两线圈磁路和电路的对称性采用相敏整流电路对输出电压进行处理,差动两线圈变压器输出电压特性,上一页,返 回,下一页,理想的差动变压器输出电压与位移成线性关系，但实际上由于线圈、铁芯、骨架的结构形状、材质等诸多因素的影响，不可能达到完全对称，使得实际输出电压呈非线性状态。但
14、在变压器中间部分磁场是均匀且较强的，因而具有较好的线性段。一般x为线圈骨架1/101/4。改善差动变压器输出电压特性的方法：提高次级两线圈磁路和电路的对称性采用相敏整流电路对输出电压进行处理,（2）灵敏度,定义：差动变压器的灵敏度是指差动变压器在单位电压激励下，动铁芯移动单位距离时的输出电压。单位为mV/mmV,上一页,返 回,下一页,KE与f关系曲线,上一页,返 回,下一页,当f较低时，L1R1，则 即U2当f较高时，L1R1，则 即U2与无关，K为常数。当f继续升高时，将会产生“集肤”效应，电荷汇集在表面，铁芯有效阻值增大，铁芯发热，产生很大功耗，从而引起U2快速下降。,提高输入激励电压（
15、在热容量范围内），将使传感器灵敏度按线性增加。但U1不能过大，否则会引起差动变压器发热。,除了激励频率和输入激励电压对差动变压器灵敏度有影响外，提高线圈品质因数Q值，增大衔铁直径，适当增加次级线圈匝数，选择导磁性能好，铁损小以及涡流损耗小的导磁材料制作衔铁和导磁外壳等可以提高灵敏度。,上一页,返 回,下一页,（3）线性度,线性度:传感器实际特性曲线与理论直线之间的最大偏差除以测量范围（满量程），并用百分数来表示。影响差动变压器线性度的因素:骨架形状和尺寸的精确性，线圈的排列，铁芯的尺寸和材质，激励频率和负载状态等。改善差动变压器的线性度:取测量范围为线圈骨架长度的1/10-1/4，激励频率采用
16、中频，配用相敏检波式测量电路,上一页,返 回,下一页,（4）温度特性,原因：组成差动变压器的各个结构件的材料性能都受温度的影响，产生测量误差，影响最大的是初级线圈电阻温度系数，在温度变化时，引起初级电流I1发生变化，致使输出电压随温度而变化。措施：一般控制温度在80以 下工作；在低频激励下，可适当提高工作频率，减小R1的变化对输出电压的影 响；有条件时可考虑采用恒流源激励。,上一页,返 回,下一页,产生零点残余电压的原因,（1）由于两个二次测量线圈的等效参数不对称（包括初始M，L，R），使其输出的基波感应电动势的幅值和相位不同，调整磁芯位置时，也不能达到幅值和相位同时相同。（2）由于铁芯的B-
17、H特性的非线性，产生高次谐波不同，不能互相抵消。,上一页,返 回,下一页,（5）零点残余电压及消除方法,零点残余电压危害：使传感器输出特性在零点附近的范围内不灵敏，限制着分辨力的提高。零点残余电压太大，将使线性度变坏，灵敏度下降，甚至会使放大器饱和，堵塞有用信号通过，致使仪器不再反映被测量的变化。,上一页,返 回,下一页,减小零点残余电压措施：,（1）在设计和工艺上，力求做到磁路对称，线圈对称。铁芯材料要均匀，要经过热处理去除机械应力和改善磁性。两个二次侧线圈窗口要一致，两线圈绕制要均匀一致。一次侧线圈绕制也要均匀。（2）选择合适的测量电路，引入相敏整流电路，对差动变压器输出电压进行处理。（3
18、）在电路上进行补偿。线路补偿主要有：加串联电阻，加并联电容，加反馈电阻或反馈电容等。实现次级线圈的感应电压的相位、幅值变化补偿。,上一页,返 回,下一页,补偿零点残余电压的电路,上一页,返 回,下一页,一般原则：串联电阻可以减小零位电压，实现调零；并联电容可以改变零位电压的相位。,3.2.3 测量电路差动整流电路,差动变压器两个次级输出电压分别整流后，再差动(a)、(b)电压输出型适用于高阻抗负载(c)、(d)电流输出型适用于低阻抗负载R0用于调整零点残余电压,上一页,返 回,下一页,优点：不但可以用0值居中的直流电 表指示输出电压或电流的大小和极性，还可以有效地消除残余电压，同时可使线性工作
19、范围得到一定的扩展。,3.3 电涡流式传感器,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切割磁力线运动时，导体中将产生呈涡旋状的感应电流。电涡流(Eddy current)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，其大小与金属板平面电阻率、导磁率、金属板厚度b及传感线圈与金属板间距离有关。,上一页,下一页,返 回,穿透深度,式中,导体电阻率(cm)；r导体相对磁导率；交变磁场频率(Hz)。,结论：频率越高，贯穿深度越小，此即电涡流的趋肤效应。,电涡流式传感器,3.3.1 高频反射式电涡流传感器用于非接触式位移量的检测3.3.2
20、低频透射式电涡流传感器仅用于金属板厚度的测量,上一页,下一页,返 回,按激磁电源频率高低分为：,最大特点：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，另外体积小、灵敏度高、频响宽、应用广泛。,3.3.1 高频反射式涡流传感器,1.工作原理2等效电路3.工作特性 4.测量电路,上一页,下一页,返 回,1.工作原理,线圈置于金属导体附近：线圈中通以高频信号 i1 正弦交变磁场 H1 金属导体内就会产生涡流 涡流产生电磁场 反作用于线圈,改变了电感,电感变化程度取于线圈L的外形尺寸，线圈L至金属板之间的距离，金属板材料的电阻率和磁导率以及信号的频率等。因此可以把非电量H转化成
21、电量，以实现位移量的测量。,上一页,下一页,返 回,上一页,下一页,返 回,其中：传感线圈与被测体间距 被测涡流回路电阻率f 激励源频率r被测涡流回路导磁率,3.工作特性,上一页,下一页,返 回,（1）电涡流的径向密度分布是不均匀的，既是线圈与导体间距离的函数，又是沿线圈半径方向r的函数。,电涡流的径向密度与传感线圈外径有一定的比例关系。电涡流的径向分布是不均匀的，但保持如下一定的比例关系：当涡流半径r=线圈外圆半径R时，密度最大；随着涡流半径的增大或减小，密度都显 著下降；ro时，密度等于o，在r25R时，密度亦趋于o。,一定，电涡流密度J与r关系,3.工作特性,上一页,下一页,返 回,电涡
22、流的径向密度与传感线圈对被测体间距成反比。理论分析与实验都已证明了与I的关系：间距o时，电涡流的密度最大；随着间距的增加，密度显著降；当R时，电涡流密度下降到最大值的30。,其中：I1：线圈激励电流 I2：金属导体中等效电流：距离 R：线圈外径,归一化曲线,在/R为0.050.15范围内才能得到较好线性和较高灵敏度。,上一页,下一页,返 回,（2）电涡流的贯穿深度电涡流的贯穿深度h与被测体涡流回路电阻率成正比，与其相对导磁率及电源频率f成反比,其计算关系如下:,上一页,下一页,返 回,（3）电涡流效应的灵敏度 当传感线圈的结构性能和激磁电流一定的情况下，电涡流效应与被测体的物理性能和几何尺寸密
23、切相关。被测体材料物理性能的影响 被测体材料的电阻率和导磁率直接影响着电涡流效应，因而 也引起灵敏度的变化。一般：电阻率Kr；r Kr 被测体几何尺寸的影响 涡流的平面面积传感 线圈的平面面积：Kr不变；涡流平面线圈平面:Kr随被测体平面的减小而下降；涡流平面只有传感线圈平面面积一半：灵敏度也减小一半。圆柱体：圆柱体的直径D是传感线圈外圈直径d的3.5倍以上，Kr较稳定；Dd时：Kr降至70左右。平面形：厚度要有0.2mm以上，否则 由于电涡流穿透作用的影响，将引起Kr下降。测试现场周围的附加电场或磁场的存在，也导致Kr下降。,上一页,下一页,返 回,（4）非线性 一船来说，灵敏度越高，线性度
24、越差(仅指未采取补偿措施时)。电涡流传感 器线性工作范围一般为传感线圈外径的 l513 线圈外径越大，线性范围越 大。为此，电涡流传感器的线圈通常都采用窄而扁的结构。,4.测量电路,谐振法 正反馈电路法 电桥法,上一页,下一页,返 回,1 谐振式,上一页,下一页,返 回,谐振法是依据电路谐振原理,实现对电涡流传感器输出信号测量的方法。根据LC谐振电路的幅值及频率特性(Frequency response),又分为调幅法和调频法。,上一页,下一页,返 回,（1）调幅法是以传感线圈与调谐电容组成并联LC谐振回路，由石英震荡器提供高频激磁电流，测量电路的输出电压正比于LC谐振电路的阻抗Z，激磁电流和
25、谐振阻抗Z越大，输出电压越高。初态时，传感器远离被测体，调整LC回路谐振频率等于石英晶体振荡器即,此时LC并联谐振回路的等效阻抗Z最大，即 式中R是谐振回路的等效电阻，式中的L即为传感线圈自感L1.在谐振频率以外，LC回路的等效阻抗将显著减少，如图。,上一页,下一页,返 回,当被测体为软磁材料时，由于导磁率增加，谐振回路的等效电感L增加，LC回路谐振频率减小，谐振曲线左移，谐振阻抗由初态最大值降至Z1，对应的谐振频率为f1。当被测体为硬磁或非硬磁材料时，由于导磁率减小，等效电感L减小，LC回路谐振频率增大，谐振曲线右移，谐振阻抗由初态最大值降至Z2。对应的谐振频率为f2。由于并联谐振电路输出电
26、压u0=i0Z，因而传感线圈与被测体之间距离的变化，引起Z的变化，使输出电压跟随变化，从而实现位移量的测量，故称调幅法。,上一页,下一页,返 回,（2）调频法 调频法是以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。稳定性差，不常用。,2 正反馈电路法,上一页,下一页,返 回,Zr为一固 定的线圈阻抗，ZL为传感线圈电涡流效应的等效阻抗工作原理：变化 ZL变化运算放大器输出电压变化经检波和放大后使测量电路输出电压uo变化。,3 电桥法,上一页,下一页,返 回,静态时：电桥平衡，桥路输出uAB0。工作时：传感器接近被测体，电涡流效应等效电感L发
27、生变化，测量电桥失去平衡，即 uAB 0，经线性放大后送检波器检波后输出直流电压U，其大小正比于传感器线圈的移动量，以实现对位移量的测量。,L1和L2为传感器两线圈电感，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。,3.3.2 低频透射式电涡流传感器,上一页,下一页,返 回,当传感线圈激磁频率在1KHz以下时，电涡流的趋肤效应大大减弱，穿透能力大大加强，由式（325）可知，此时可用来检测金属板厚度，故称之为低频透射式电涡流传感器。,透射式涡流传感器原理 线圈感应电势与厚度关系曲线,测厚的依据:E的大小间接反映了M的厚度t,上一页,下一页,返 回,发射线圈,接收线圈,因
28、为M的厚度可影响到达L2的磁通的大小。t22,当选用不同的测试频率时，渗透深度Q渗的值是不同的，从而使Et曲线的形状发生变化。,在t较小的情况下，Q大曲线的斜率大于Q小曲线的斜率；而在t较大的情况下，Q小曲线的斜率大于Q大曲线的斜率。测量薄板时应选较高的频率，测量厚材时应选较低的频率。,上一页,下一页,返 回,3.4 电感传感器应用,3.4.1 自感式传感器的应用 3.4.2 差动变压器的应用3.4.3 电涡流传感器的应用,上一页,返 回,下一页,3.4.1 自感式传感器应用举例,1.自感式位移传感器 2.自感式压力传感器,上一页,返 回,下一页,1.自感式位移传感器,1 传感器引线 2 铁心
29、套筒 3 磁芯 4 电 感 线 圈 5 弹 簧 6 防转件 7 滚 珠 导 轨 8 测 杆 9 密封件 10玛瑙测端,上一页,返 回,下一页,2.自感式压力传感器,变隙式自感压力传感器结构图,变隙差动式电感压力传感器,上一页,返 回,3.4.2 差动变压器应用,1.力和力矩的测量2.微小位移的测量3.压力测量4.加速度传感器,上一页,返 回,下一页,1.力和力矩的测量,1线圈2衔铁3弹性元件,优点：承受轴受力时应力分布均匀；当长径比较小时，受横向偏心的分力的影响较小。,上一页,返 回,下一页,2.微小位移的测量,1测端2防尘罩3轴套4圆片簧5测杆6磁筒7磁芯8线圈9弹簧10导线,上一页,返 回
30、,下一页,3.压力测量,微压力传感器 1-接头；2-膜盒；3-底座；4-线路板；5-差动变压器线圈；6-衔铁；7-罩壳；8-插头；9-通孔,传感器与弹性敏感元件（膜片、膜盒和弹簧管等）相结合，可以组成开环压力传感器和闭环力平衡式压力计,上一页,返 回,下一页,4.加速度传感器,1 悬臂梁；2 差动变压器,上一页,返 回,3.4.3 涡流式传感器的应用,上一页,下一页,返 回,1位移测量,(a)汽轮机主轴的轴向位移测量示意图(b)磨床换向阀、先导阀的位移测量示意图(c)金属试件的热膨胀系数测量示意图,上一页,下一页,返 回,2 振幅测量,(a)汽轮机和空气压缩机常用的监控主轴的径向振动的示意图(
31、b)测量发动机涡轮叶片的振幅的示意图(c)通常使用数个传感器探头并排地安置在轴附近,上一页,下一页,返 回,3厚度测量,电涡流式厚度计的测量原理图,上一页,下一页,返 回,4转速测量,f频率值(Hz)；n旋转体的槽(齿)数；N被测轴的转速(rmin)。,上一页,下一页,返 回,5.涡流探伤,可以用来检查金属的表面裂纹、热处理裂纹以及用于焊接部位的探伤等。综合参数(x,)的变化将引起传感器参数的变化，通过测量传感器参数的变化即可达到探伤的目的。在探伤时导体与线圈之间是有着相对运动速度的，在测量线圈上就会产生调制频率信号,上一页,下一页,返 回,a)比较浅的裂缝信号 b)经过幅值甄别后的信号,在探伤时，重要的是缺陷信号和干扰信号比。为了获得需要的频率而采用滤波器，使某一频率的信号通过，而将干扰频率信号衰减。,上一页,返 回,用涡流探伤时的测量信号,
