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1、电感式传感器原理及其应用,3.1概述3.2 自感式传感器3.3差动变压器式传感器3.4电涡流式传感器,3.1概述,1.电感式传感器的定义利用电磁感应原理将被测非电量转换成线圈自感系数 或互感系数 的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出，这种装置称为电感式传感器。,2.电感式传感器的分类电感式传感器可分为自感式传感器、差动变压式传感器和电涡流传感器三种类型。,3.2 自感式传感器,自感式传感器的结构 自感式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯与衔铁由硅钢片或坡莫合金等导磁材料制成。,自感式传感器结构图,自感式传感器的工作原理 自感式传感器是把被测量变化转换成自感L的变化，通过一定的
2、转换电路转换成电压或电流输出。传感器在使用时，其运动部分与动铁心（衔铁）相连，当动铁芯移动时，铁芯与衔铁间的气隙厚度 发生改变，引起磁路磁阻变化，导致线圈电感值发生改变，只要测量电感量的变化，就能确定动铁芯的位移量的大小和方向。,自感式传感器的工作原理示意图,当线圈匝数N为常数时，电感L仅仅是磁路中磁阻的函数，只要改变 或S均可导致电感变化。因此变磁阻式传感器又可分为变气隙 厚度的传感器和变气隙面积S的传感器。,变气隙式自感传感器结构,由于,可得：,磁路的总磁阻可表示为：,近似计算出线圈的电感量为：,当铁芯的结构和材料确定后，自感L是气隙厚度 和气隙磁通截面积S的函数，即。如果S保持不变，则L
3、为 的单值函数，可构成变气隙型自感传感器；如果保持 不变，使S随位移而变，则可构成变截面型自感传感器；如果在线圈中放入圆柱形衔铁，当衔铁上下移动时，自感量将相应变化，就构成了螺线管型自感传感器。,变面积式自感传感器：,灵敏度为：,由于漏感等原因，其线性区范围较小，灵敏度也较低，因此，在工业中应用得不多。,变面积式自感传感器结构,螺管型电感传感器,螺管式自感传感器：,传感器工作时，衔铁在线圈中伸入长度的变化将引起螺管线圈电感量的变化。对于长螺管线圈lr，当衔铁工作在螺管的中部时，可以认为线圈内磁场强度是均匀的，线圈电感量L与衔铁的插入深度l大致上成正比。,这种传感器结构简单，制作容易，灵敏度较低
4、，适用于测量较大的位移量。,电感式传感器的特点：（1）结构简单：没有活动的电触点，寿命长。（2）灵敏度高：输出信号强，电压灵敏度每毫米能达到上百毫伏。（3）分辨率大：能感受微小的机械位移与微小的角度变化。（4）重复性与线性度好：在一定位移范围内，输出特性的线性度好，输出稳定。（5）电感式传感器的缺点是存在交流零位信号，不适宜进行高频动态测量。,差动式自感传感器 由于线圈中通有交流励磁电流，因而衔铁始终承受电磁吸力，会引起振动和附加误差，而且非线性误差较大。外界的干扰、电源电压频率的变化、温度的变化都会使输出产生误差。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
5、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，可以减小测量误差。,1.差动式自感传感器的结构,(a)变气隙式；（b）变面积式；（c）螺管式差动式自感传感器,三种形式的差动式自感传感器以变气隙厚度式电感传感器的应用最广。,变气隙式差动式自感传感器结构剖面图,2.差动式自感传感器的特点 自感系数特性曲线如图所示。,自感系数特性曲线图,2.差动式自感传感器的特点 差动气隙式电感传感器由两个相同的电感线圈1、2和磁路组成。测量时，衔铁通过测杆与被测位移量相连，当被测体上下移动时，导杆带动衔铁也
6、以相同的位移上下移动，使两个磁回路中磁阻发生大小相等，方向相反的变化，导致一个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减小，形成差动形式。,差动式与单线圈电感式传感器相比，具有以下优点。（1）线性度高。（2）灵敏度高，即衔铁位移相同时，输出信号大一倍。（3）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。（4）电磁吸力对测力变化的影响也由于能相互抵消而减小。,电感式传感器的测量电路 自感式传感器实现了把被测量的变化为电感量的变化。为了测出电感量的变化，就要用转换电路把电感量的变化转换成电压（或电流）的变化，最常用的转换电路有调幅、调频和调相电路。1.调幅电路（1）变压器电路
7、 图5-8所示为变压器电桥，和 为传感器两个线圈的阻抗，另两臂为电源变压器二次侧线圈的两半，每半的电压为。,（1）变压器电桥电路,变压器电桥,变压器式电桥如图所示，它的平衡臂为变压器的两个二次侧绕组，当负载阻抗无穷大时输出电压为：,当衔铁下移时，Z1=Z-Z，Z2=Z+Z，则有：,同理，当衔铁上移时，有：,当衔铁处于中间位置时，L1=L2=L0，Z1=Z2=Z0，此时桥路平衡，输出电压U0=0。,输出电压反映了传感器线圈阻抗的变化，由于是交流信号，实际上无法判别输出的相位和位移的方向。,（2）相敏检波电路,带相敏整流的电桥电路,输出电压经相敏检波可以反映出位移的大小和方向。,当差动式自感电感传
8、感器处于中间位置时，Z1=Z2=Z，输出电压U0为零。当衔铁移动使Z1增加，则Z2减小，当电源U上正下负时，电阻R2上的压降大于R1上的压降。,带相敏整流的电桥电路,当电源U下正上负时，电阻R1上的压降大于R2上的压降，则电压表有输出，输出电压下正上负。,反之，当Z2增加，Z1减小时，U上正下负，R1上压降大于R2上压降。U上负下正时，R2上压降大于R1上压降，电压表也有输出，输出电压上正下负。,（3）调频电路,调频电路的基本原理是：传感器电感的变化引起输出电压频率f的变化。一般把传感器电感线圈L和一个固定电容C接入一个振荡电路中，其振荡频率为：,当L变化时，振荡频率随之变化，根据f的大小即可
9、测出被测量的值。f和L的特性曲线具有严重的非线性关系，要求后续电路做适当线性化处理。,（4）调相电路,调相电路的基本原理是，传感器电感的变化将引起输出电压相位 的变化。,电感式传感器的应用电路,1.电感式滚柱直径分选装置,电感式滚柱直径分选装置实物,电感式滚柱直径分选装置结构原理,2.变气隙式差动电感压力传感器变气隙式差动电感压力传感器主要由C形弹簧管、衔铁、铁芯和线圈等组成。,变气隙式差动电感压力传感器,3.其他应用 电感式传感器还可以应用于磨加工主动测量、测量长度位移量和制做电子测微仪。,3.3差动变压器式传感器,把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化的传感器称为互感式传感器。这种传感器是
10、根据变压器的基本原理制成的，把被测位移量转换为一次线圈与二次线圈间的互感量变化的装置。当一次线圈接入激励电源后，二次线圈就将产生感应电动势，当两者间的互感量变化时，感应电动势也相应变化。由于两个二次线圈采用差动接法，故称为差动变压器式传感器，简称差动变压器。利用电磁感应原理将被测非电量转换成线圈自感系数或互感系数的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出，这种装置称为电感式传感器。,差动变压器的结构 差动变压器结构形式较多，有变隙式、变面积式和螺线管线等。a、b两种结构的差动变压器，衔铁均为板形，灵敏度高，测量范围则较窄，一般用于测量几微米到几百微米的机械位移。对于位移在1mm至上百毫米
11、的测量，常采用圆柱形衔铁的螺管型差动变压器，如c、d两种结构。e、f两种结构是测量转角的差动变压器，通常可测到几秒的微小位移。非电量测量中，应用最多的是螺线式差动变压器，它可以测量范围内的机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点。,(e)、(f)变截面式差动变压器,(a)、(b)变间隙式差动变压器,(c)、(d)螺线管式差动变压器,差动变压器的工作原理差动变压器的结构由铁芯、衔铁和线圈三部分组成。其结构虽有很多形式，但其工作原理基本相同。差动变压器上下两只铁芯均有一个初级线圈1和一个次级线圈2。上下两只初级线圈串联后接交流激励电压，两只次级线圈则按电势反相串接。,螺管型差
12、动变压器根据初、次级排列不同有二节式、三节式、四节式和五节式等形式。,图4.12 差动变压器线圈各种排列形式1 一次线圈；2 二次线圈；3 衔铁,(a)二节式(b)三节式(c)四节式(d)五节式,三节式的零点电位较小，二节式比三节式灵敏度高、线性范围大，四节式和五节式改善了传感器线性度。,三段式螺管差动变压器结构示意图,将两个匝数相等的次级绕组的同名端反向串联，当初级绕组加以激磁电压时，根据变压器的作用原理在两个次级绕组和中就会产生感应电势;如果工艺上保证变压器结构完全对称，则当活动衔铁处于初始平衡位置时，输出电压为零。当活动衔铁向某一个次级线圈方向移动时，则该次级线圈内磁通增大，使其感应电势
13、增加，差动变压器有输出电压，其数值反映了活动衔铁的位移。,差动变压器的等效电路,螺线管式差动变压器等效电路如图，二次线圈开路时，一次线圈的电流为：,二次绕组的感应动势为为：,其有效值为：,输出阻抗为：,三段式螺管差动变压输出电压曲线如图所示。,差动变压器输出电压曲线,差动变压器的测量电路,差动变压器的输出电压是调幅波，为辨别衔铁的移动方向，要进行解调。常用解调电路有：差动相敏检波与差动整流电路。采用解调电路还可以消除零位电压。1.差动相敏检波电路 差动相敏检波的形式很多，相敏检波电路要求参考电压与差动变压器次级输出电压的频率相同，相位相同或相反；因此常接入移相电路。为了提高检波效率，参考电压幅
14、值取为信号的。,差动相敏检波电路,2.差动整流电路 差动整流电路简单，不需参考电压，不需要考虑相位调整和零位电压影响，对感应和分布电容影响不敏感。经差动整流后变成直流输出便于远距离输送。,全波整流电路和波形图,(a),差动整流电路根据半导体二级管单向导通原理进行解调的。如传感器的一个次级线圈的输出瞬时电压极性，在f点为“”，e点为“”，则电流路径是fgdche（参看图a）。反之，如f点为“”，e点为“”，则电流路径是ehdcgf。可见，无论次级线圈的输出瞬时电压极性如何，通过电阻R的电流总是从d到c。同理可分析另一个次级线圈的输出情况。输出的电压波形见图（b），其值为USC=eabecd。,差
15、动变压器的应用电路,差动变压器式传感器可以直接用于位移测量，也可测量与位移有关的任何机械量，如力、力矩、压力、压差、振动、加速度、应变、液位等。1.力和力矩的测量,差动变压器式力传感器,2.压力测量,将差动变压器和弹性敏感元件（膜片、膜盒和弹簧管等）相结合，可以组成各种形式的压力传感器。,这种变送器可分档测量(51056105)N/m2压力，输出信号电压为(050)mV，精度为1.5级。,220V,1接头 2 膜盒 3 底座 4 线路板 5 差动变压器 6 衔铁 7 罩壳,V,振荡器,稳压电源,差动变压器,相敏检波电路,1,2,3,4,5,6,7,3.加速度传感器 用于测定振动物体的频率和振幅
16、时其激励频率必须是振动频率的十倍以上，才能得到精确的测量结果。可测量的振幅为(0.15)mm，振动频率为(0150)Hz。,稳压电源,振荡器,检波器,滤波器,(b),(a),220V,加速度a方向,a,输出,1,2,1,1 弹性支承 2 差动变压器,3.4 电涡流式传感器,3.4.1 电涡流式传感器的工作原理 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，导体内将产生呈涡旋状的感应电流，称之为电涡流或涡流，这种现象称为涡流效应。电涡流传感器是利用电涡流效应，将位移、温度等非电量转换为阻抗的变化或电感的变化从而进行非电量电测的。目前生产的变间隙位移传感器，器量程范围为300m800mm。
17、,将块状金属导体置于通有交变电流的传感器线圈磁场中。根据法拉第电磁感应原理，由于电流的变化，在线圈周围就产生一个交变磁场，当被测导体置于该磁场范围之内，被测导体内便产生电涡流，电涡流也将产生一个新磁场，和方向相反，抵消部分原磁场，从而导致线圈的电感量、阻抗和品质因素发生变化。,电涡流式传感器示意图,根据等效电路列出电路方程组为：,可得传感器的等效阻抗为：,传感器的等效电感为：,电涡流传感器等效电路图,3.4.2 电涡流式传感器的结构电涡流式传感器结构比较简单，主要由一个安置在探头壳体的扁平圆形线圈构成。,电涡流传感器的内部结构,电涡流传感器实物图,电涡流式传感器的测量电路利用电涡流式变换元件进
18、行测量时，为了得到较强的电涡流效应；通常激磁线圈工作在较高频率下，所以信号转换电路主要有调幅电路和调频电路两种。1.调幅式（AM）电路,调幅式电路结构,2.调频式（FM）电路调频式电路（100kHz1MHz）结构如图所示。,调频式电路的结构,当电涡流线圈与被测体的距离x改变时，电涡流线圈的电感量L也随之改变，引起LC振荡器的输出频率变化，此频率可直接用计算机测量。如果要用模拟仪表进行显示或记录时，必须使用鉴频器，将 转换为电压。,电涡流式传感器的应用电路电涡流式传感器具有测量范围大、灵敏度高、结构简单、抗干扰能力强和可以非接触测量等优点，被广泛应用于工业生产和科学研究各个领域中。1.电磁炉电磁
19、炉是我们日常生活中必备的家用电器之一，涡流传感器是其核心器件之一，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，使锅底自行发热，烧开锅内的食物。,电磁炉工作示意图,电磁炉内部励磁线圈,2.电涡流探雷器,电涡流探雷器的实物图,3.电涡流式接近开关 接近开关又称无触点行程开关。它能在一定的距离（几毫米至几十毫米）内检测有无物体靠近。当物体接近到设定距离时，就可发出“动作”信号。接近开关的核心部分是“感辨头”，它对正在接近的物体有很高的感辨能力。这种接近开关只能检测金属。,电感式接近开关的原理框图,电涡流接近开关实物,电涡流接近开关的接线方式如图所示：,电涡流接近开关的接线方式,
20、低频透射式涡流传感器多用于测定材料厚度。发射线圈W1和接收线圈W2分别放在被测材料G的上下，低频电压e1加到线圈W1的两端后，在周围空间产生一交变磁场，并在被测材料G中产生涡流i，此涡流损耗了部分能量，使贯穿W2的磁力线减少，从而使W2产生的感应电势e2减小。e2的大小与G的厚度及材料性质有关，实验证明，e2随材料厚度h增加按负指数规律减小。因而按e2的变化便可测得材料的厚度。,高频(lMHz)激励电流，产生的高频磁场作用于金属板的表面，由于集肤效应，在金属板表面将形成涡电流。与此同时，该涡流产生的交变磁场又反作用于线圈，引起线圈自感L或阻抗ZL的变化，其变化与距离、金属板的电阻率、磁导率、激励电流i，及角频率等有关，若只改变距离而保持其他系数不变，则可将位移的变化转换为线圈自感的变化，通过测量电路转换为电压输出。高频反射式涡流传感器多用于位移测量。,a)径向振动测量,b)轴心轨迹测量,c)转速测量,d)穿透式测厚,e)零件计数器,f)表面裂纹测量,
