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1、项目五,电感式传感器,一、项目要求,【知识要求】1.了解电感式传感器的工作原理及分类方法。2.掌握电感式传感器的功能及工作特点。3.掌握电感式传感器的测量方法。4.了解电感式传感器的发展方向与应用。重点：自感式、差动变压器式、电涡流式传感器的工作原理，掌握其性能特点，了解其应用。,一、项目要求,【能力要求】1.正确地识别各种电感式传感器及其特点和其在整个工作系统中的作用。2.在设计中，能够根据工作系统的特点，找出匹配的电感式传感器。3.能够准确判断出传感器的好坏，熟练掌握电感式传感器的测量方法。4.能够设计一个简单的测量电路。,二、相关知识,（一）自感式传感器1.工作原理变磁阻式传感器是一种常
2、用自感式传感器，其结构原理如图所示，由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料（坡莫合金或硅钢片）制成。活动衔铁与铁芯之间存在气隙，厚度为。传感器工作时，衔铁与传感器的运动部分（同时连接被测物体）连在一起，当被测物体按图示方向产生的位移时，气隙厚度发生变化，从而使磁路中的磁阻产生相应的变化，进而导致电感线圈的电感量变化，测出这种电感量的变化就可以判别出衔铁（即被测物体）位移量的大小和方向。,二、相关知识,变磁阻式传感器基本结构,根据电感定义，线圈中电感量可由下式确定：,二、相关知识,式中线圈总磁链；I通过线圈的电流；N线圈的匝数；穿过线圈的磁通。由磁路欧姆定律，得式中，Rm为磁路总磁阻
3、。将式（5-2）代入式（5-1），得,二、相关知识,对于变气隙式传感器，因为气隙很小，所以可以认为气隙中的磁场是均匀的。若忽略磁路损耗，则磁路总磁阻为式中 RF铁芯磁阻；S1铁芯的截面积；R空气气隙磁阻；S2衔铁的截面积；1铁芯材料的磁导率；0空气的磁导率；2衔铁材料的磁导率；S气隙的截面积；L1磁通通过铁芯的长度；气隙的厚度。L2磁通通过衔铁的长度；,二、相关知识,因为气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻，所以可略去铁芯和衔铁磁阻，则式(5-4）可近似为将式(5-5）代入式(5-3）可得,二、相关知识,式(5-6)表明，当确定线圈匝数之后，改变和S以及磁导率0均能够导致电感L的变化。所以，变磁阻式
4、传感器又可分为变气隙厚度的电感式传感器、变气隙面积S的电感式传感器、变铁芯磁导率的电感式传感器。实际应用的过程中，最常用的是变气隙厚度的电感式传感器。变气隙面积S的电感式传感器为线性特性，但灵敏度低。它常用于角位移测量。变铁芯磁导率的电感式传感器，是利用某些铁磁材料的压磁效应，所以也称压磁式传感器。压磁效应是当铁磁材料受到力的作用时，在物体内部就产生应力，从而引起磁导率发生变化。这种传感器主要用于各种力的测量。,二、相关知识,2.自感式传感器等效电路电感式传感器是利用铁芯线圈中的自感随衔铁位移或空隙面积改变而变化的原理制成的，它通常采用铁磁体作为磁芯，所以线圈不可能呈现为纯电感，电感L还包含了
5、与L串联的线圈铜损耗电阻Rc，同时存在与L并联铁芯涡流损耗电阻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（C与L和Rc、Re相并联)，因此，电感式传感器可用如图所示等效电路表示。它可以用一个复阻抗Z来等效。,电感式传感器等效电路,二、相关知识,3.变气隙电感式传感器输出特性由式(5-6)可知，当电感式传感器线圈匝数和气隙面积一定时，电感量L与气隙厚度成反比，电感量L与气隙厚度特性如图所示。下面分析变气隙厚度电感式传感器的输出特性。,电感式传感器L特性由,5-7,二、相关知识,（1）结构和工作原理为了减小变气隙厚度电感式传感器的非线性，利用两只完全对称
6、的单个电感式传感器合用一个活动衔铁，构成差动电感式传感器，如差动螺线管电感式传感器、差动E型电感式传感器等，如图（a）和(b)所示，其结构特点是上、下两个磁体的几何尺寸、材料、电气参数均完全一致。传感器的两只电感线圈接成交流电桥的相邻桥臂，另外两只桥臂由电阻组成。它们构成四臂交流电桥，电桥电源为UAC(交流)，桥路输出为交流电压Uo。,差动电感式传感器的结构原理1铁芯；2线圈；3衔铁,二、相关知识,初始状态时，两只电感线圈的电感量相等，衔铁位于中间位置，两边空隙相等。因此，数值极性相反，电桥输出电压Uo=0，即电桥处于平衡状态。当衔铁偏离中间位置，向上或向下移动时，两边气隙不一样，使两只电感线
7、圈的电感量一增一减，电桥不平衡。电桥输出电压的大小与衔铁移动的大小成比例，其相位则与衔铁移动量的方向有关。若向下移动，输出电压为正；向上移动时，则输出电压为负。因此，只要能测量出输出电压的大小和相位，就可以决定衔铁位移的大小和方向。衔铁带动连动机构就可以测量多种非电量，如位移、液面高度、速度等。,二、相关知识,（2）输出特性输出特性是指电桥输出电压与传感器衔铁位移量之间的关系。非差动电感式传感器电感量变化L和位移量变化是非线性关系。,差动电感式传感器输出特性,二、相关知识,5.测量电路变磁阻电感式传感器的测量电路有交流电桥式、交流变压器式和谐振式等几种。（1）交流电桥式测量电路,交流电桥式测量
8、电路图,5-,式中L0衔铁在中间位置时单个线圈的电感量；L单个线圈电感的变化量。,二、相关知识,（2）交流变压器式测量电路,5-9,交流变压器式测量电路,二、相关知识,（3）谐振式测量电路,谐振式调幅电路图,谐振式调频电路,二、相关知识,（二）互感式传感器互感式传感器是把被测的非电量变化转换为变压器线圈的互感变化。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，变压器初级线圈输入交流电压，次级线圈感应出电势。由于变压器的次级线圈常接成差动形式，故又称为差动变压器式传感器。差动变压器结构形式有变气隙式、变面积式和螺线管式等，其工作原理基本一样。变气隙差动互感式传感器由于行程小，且结构复杂，因此目前已很少
9、采用。螺线管式差动变压器广泛用于非电量的测量，它可以测量1100 mm范围内的机械位移，这种传感器具有测量精度高，灵敏度高，结构简单，性能可靠等优点。,二、相关知识,1.工作原理差动变压器式传感器的组成元件有衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈框架等。初级线圈作为差动变压器激励用，可视为变压器的原边，次级两个对称的线圈反向串接相当于变压器的副边。如图所示螺线管形差动变压器式传感器的结构。它由初级线圈P、两个次级线圈S1、S2和插入线圈中央的圆柱形铁芯b组成，结构形式有二段式和三段式等之分。差动变压器线圈连接如图(c)所示。次级线圈S1和S2反极性串联。当初级线圈P加上某一频率的正弦交流电压Ui后，次
10、级线圈产生感应电压为U1和U2，它们的大小与铁芯在线圈内的位置有关。U1和U2反极性连接可得到输出电压Uo。,二、相关知识,螺线管形差动变压器式传感器结构原理,二、相关知识,在理想情况下（即不考虑铁损的情况下）差动变压器的等效电路如图所示，它是利用磁感应原理制作的。图中 LP、RP为初级线圈电感和损耗电阻；M1、M2为初级线圈与两次级线圈间的互感系数；Ui为初级线圈激励电压；Uo为输出电压；Ls1、Ls2为两次级线圈的电感；Rs1，Rs2为两次级线圈的损耗电阻；为激励电压的频率。,差动变压器输出电压的特性曲线,差动变压器的等效电路,输出电压的有效值为,5-10,二、相关知识,2.差动变压器式传
11、感器测量电路差动变压器输出的是正弦交流电压信号，其与衔铁的移动成正比，若用交流电压表测量，只能反映铁芯位移的大小，不能反映移动方向。另外，其测量值必定含有零点残余电压。为了能够消除零点残余电压和辨别移动方向，常采用相敏检波电路和差动整流电路。,二、相关知识,（1）相敏检波电路,相敏检波电路,5-1,二、相关知识,波形图,随着集成电路技术的发展，相继出现各种性能的集成电路的相敏检波器，例如，LZX1单片相敏检波电路，其中LZX1为全波相敏检波放大器，它与差动变压器的连接如图所示。相敏检波电路要求参考电压和差动变压器次级输出电压同频率，相位相同或相反，因此，需要在线路中接入移相电路。如果位移量很小
12、，差动变压器输出端还要接入放大器，将放大后的信号输入到LZX1的输入端。,二、相关知识,LZX1与差动变压器的连接电路,二、相关知识,通过LZX1全波相敏检波输出的信号，还须经过低通滤波器，滤去调制时引入的高频信号，只让与x位移信号对应的直流电压信号通过。该输出电压信号Uo与位移量x的关系可用图表示。输出电压是通过零点的一条直线，-E+x位移输出正电压，x位移输出负电压。电压的正负表明了位移方向。,输出电压与位移量的关系,二、相关知识,（2）差动整流电路这种电路是把差动变压器的两个次级电压分别整流，然后将它们整流的电压或电流的差值作为输出。现以电压输出型全波差动整流电路为例来说明其工作原理。电
13、路如图所示。,全波差动整流电路,二、相关知识,由上图可知，无论两个次级线圈的输出瞬时电压极性如何，流经两个电阻R的电流总是从2到4，从6到8，故整流电路的输出电压为差动整流电路具有结构简单，不需要考虑相位调整和零点残余电压的影响，分布电容影响小和便于远距离传输等优点，因而获得广泛应用。,二、相关知识,（三）电涡流式传感器电感线圈产生的磁力线经过金属导体时，金属导体就会产生感应电流，该电流的流线呈闭合回线。类似如图(a)所示的水涡形状，故称之为电涡流。,电涡流式传感器原理图1金属导体;2电涡流区;3电感线圈L,二、相关知识,理论分析和实践证明，电涡流的大小是金属导体的电阻率、相对磁导率、金属导体
14、厚度H、线圈激励信号频率以及线圈与金属块之间的距离x等参数的函数。若固定某些参数，就能按涡流的大小来测量出另外某一参数。电涡流式传感器最大的特点是能对位移、厚度、表面温度、电解质浓度、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，所以应用极其广泛。因为涡流渗透深度与传感器线圈的激励信号频率有关，故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。下面以高频反射电涡流式传感器为例说明其原理和特性,二、相关知识,2.等效电路,1.基本原理,等效电路,二、相关知识,3.测量电路,用于电涡流式传感器的测量电路主要有调频式和调幅式两种。
15、（1）调频式电路调频式测量电路原理如图所示。,调频式测量电路原理图,二、相关知识,（2）调幅式电路,调幅式电路示意图,三、项目实施,（一）实施要求（1）通过本项目的实施，在掌握电感式传感器的基本结构和工作原理的基础上掌握电感式传感器的器件识别、故障判断、测量方法和实际应用。（2）该项目需要电感式传感器实训台或相关设备、导线若干、相关的仪表、万用表、示波器。,三、项目实施,（二）实施步骤（1）找出电容式传感器在电路中的位置，并判断是什么类型的传感器。（2）分析测量电路的工作原理，观察电容式传感器工作过程中的现象。（3）找出各个单元电路，记录其电路组成形式。（4）按照原理图用导线将电路连接好，检查
16、确认无误后，启动电源。（5）观察各单元电路的工作情况，记录其在工作过程中不同状态下的数据。,四、拓展知识,（一）变磁阻式传感器的应用,如图所示是变隙电感式压力传感器的结构图。它由膜盒、铁芯、衔铁及线圈等组成，衔铁与膜盒的上端连在一起。当压力进入膜盒时，膜盒的顶端在压力F的作用下产生与压力F大小成正比的位移。于是衔铁也发生移动，从而使气隙发生变化，流过线圈的电流也发生相应的变化，电流表指示值反映了被测压力的大小。,变隙电感式传感器结构图,四、拓展知识,如图所示为变隙差动电感式压力传感器。它主要由C形弹簧管、衔铁、铁芯和线圈等组成。当被测压力进入C形弹簧管时，C形弹簧管产生变形，其自由端发生位移，
17、带动与自由端连接成一体的衔铁运动，使线圈1和线圈2中的电感发生大小相等、符号相反的变化，即一个电感量增大，另一个电感量减小。电感的这种变化通过电桥电路转换成电压输出。由于输出电压与被测压力之间成比例关系，所以只要用检测仪表测量出输出电压，即可得知被测压力的大小。,变隙差动电感式压力传感器,四、拓展知识,（二）差动变压器式传感器的应用差动变压器式传感器可以直接用于位移测量，也可以测量与位移有关的任何机械量，如振动、加速度、应变、张力和厚度等。如下图所示为差动变压器式加速度传感器的结构示意图。它由悬臂梁1和差动变压器2构成。测量时，将悬臂梁底座及差动变压器的线圈骨架固定，而将衔铁的A端与被测振动体
18、相连。当被测体带动衔铁以x(t)的规律振动时，导致差动变压器的输出电压也按相同规律变化。,四、拓展知识,差动变压器式加速度传感器结构示意图1悬臂梁；2差动变压器,四、拓展知识,（三）电涡流式传感器的应用（1）低频透射式涡流厚度传感器如图 所示为透射式涡流厚度传感器结构原理图。,透射式涡流厚度传感器结构原理图,（2）高频反射式涡流厚度传感器 如图 所示是高频反射式涡流测厚仪测试系统原理图。,四、拓展知识,高频反射式涡流测厚仪测试系统原理图,四、拓展知识,（3）电涡流式转速传感器如图 所示为电涡流式转速传感器工作原理图。,电涡流式转速传感器工作原理图,五、项目实训,（一）差动变压器零点残余电压补偿
19、实验1.实验目的了解差动变压器零点残余电压补偿的方法。2.实验仪器差动变压器模块、测微头、通信接口（含上位机）、差动变压器、信号源、直流电源。3.实验原理由于差动变压器两只次级线圈的等效参数不对称，初级线圈的纵向排列不均匀性，次级线圈的不均匀、不一致性，铁芯的B-H特性非线性等，因此在铁芯处于差动线圈中间位置时其输出并不为零，称其为零点残余电压。,五、项目实训,4.实验内容与步骤（1）安装好差动变压器，利用上位机观测并调整音频振荡器“0”输出为4 kHz，2 V峰峰值；按如图所示电路接线。（2）实验模块R1、C1、RW1、RW2为电桥单元中调平衡网络。（3）用上位机监测放大器输出。（4）调整测
20、微头，使放大器输出信号最小。,差动变压器零点残余电压补偿实验,五、项目实训,（5）依次调整RW1、RW2，使上位机显示的电压输出波形幅值降至最小。（6）此时上位机显示即为零点残余电压的波形。（7）记下差动变压器的零点残余电压值峰峰值（VP-P）。（注：这时的零点残余电压经放大后的零点残余电压VP-PK，K为放大倍数）。（8）可以看出，经过补偿后的残余电压的波形是一不规则波形，这说明波形中有高频成分存在。,5.实验报告分析经过补偿的零点残余电压波形。,五、项目实训,（二）差动变压器的应用振动测量实验1.实验目的了解差动变压器测量振动的方法。2.实验仪器振荡器、差动变压器模块、相敏检波模块、频率/
21、转速表、振动源、直流稳压电源。通信接口（含上位机软件）。3.实验原理利用差动变压器测量动态参数与测量位移的原理相同，不同的是输出为调制信号要经过检波才能观测到所测动态参数。,五、项目实训,4.实验内容与步骤（1）将差动变压器安装在三源板的振动源单元上。（2）将差动变压器的输入/输出线连接到差动变压器模块上，并按如图所示接线。,振动测量实验电路,五、项目实训,（3）检查接线无误后，合上主控台电源开关，用上位机观察音频振荡器“0”输出端信号峰-峰值，调整音频振荡器幅度旋钮使VP-P=2 V。（4）用上位机观察相敏检波器输出，调整传感器连接支架高度，使上位机显示的波形幅值为最小。用“紧定旋钮”固定。
22、（5）仔细调节RW1和RW2，使相敏检波器输出波形幅值更小，基本为零点。用手按住振动平台（让传感器产生一个大位移）仔细调节移相器和相敏检波器的旋钮，使上位机显示的波形为一个接近全波整流波形。松手后整流波形消失变为一条接近零点线（否则再调节RW1和RW2）。,五、项目实训,（6）振动源“低频输入”接振荡器“低频输出”，调节低频输出幅度旋钮和频率旋钮，使振动平台振荡较为明显。分别用上位机软件观察放大器Uo1、相敏检波器的Uo2及低通滤波器的Uo3的波形。（7）保持低频振荡器的幅度不变，改变振荡频率（频率与输出电压VP-P的监测方法与实验（一）相同）用上位机软件观察低通滤波器的输出，读出峰-峰电压值
23、，记下实验数据，填入表中。,实验结果,五、项目实训,5.实验报告（1）根据实验结果作出梁的振幅-频率特性曲线，指出自振频率的大致值，并与用应变片测出的结果相比较。（2）保持低频振荡器频率不变，改变振荡幅度，同样实验可得到振幅与电压峰-峰值VP-P曲线（定性）。6.注意事项低频激振电压幅值不要过大，以免梁在共振频率附近振幅过大。,五、项目实训,（三）电涡流式传感器的位移特性实验1.实验目的了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。2.实验仪器电涡流式传感器、铁圆盘、电涡流式传感器模块、测微头、直流稳压电源、数显直流电压表、测微头。3.实验原理通过高频电流的线圈产生磁场，当有导电体接近时，因导电体
24、涡流效应产生涡流损耗，而涡流损耗与导电体离线圈的距离有关，因此可以进行位移测量。,五、项目实训,4.实验内容与步骤（1）按如图所示安装电涡流传感器。（2）在测微头端部装上铁质金属圆盘，作为电涡流式传感器的被测体。调节测微头，使铁质金属圆盘的平面贴到电涡流式传感器的探测端，固定测微头。,电涡流传感器的位移特性实验,五、项目实训,（3）传感器按如图所示连接，将电涡流式传感器连接线接到模块上标有“”的两端，实验范本输出端Uo与数显单元输入端Ui相接。数显表量程切换开关选择电压20 V挡，模块电源用连接导线从主控台接入+15 V电源。,电涡流传感器的位移特性实验电路,五、项目实训,（4）合上主控台电源开关，记下数显表读数，然后每隔0.2 mm读一个数，直到输出几乎不变为止。将结果列入表中。5.实验报告根据表中数据，画出U-X曲线，在曲线上找出线性区域及进行正、负位移测量时的最佳工作点，并计算量程为1 mm、3 mm和5 mm时的灵敏度和线性度（可以用端点法或其他拟合直线）。,实验结果,本章结束,
