1、電感式傳感器是基于電磁感應原理，它是把被測量轉化為電感量（自感或互感）的一種裝置。 可用來測位移、壓力、振動等多種非電量，既可用于靜態(tài)測量，又可用于動態(tài)測量。,第三章 電感式傳感器,第三章 電感式傳感器,第三章 電感式傳感器,3-1 自感式傳感器,a) 氣隙型 b) 截面型 c) 螺管型,原理,結構形式,變間隙式、變面積式和螺管式。,第三章 電感式傳感器,歸結于三種類型,一、自感式傳感器的工作原理,第三章 電感式傳感器,螺管式電感傳感器建立在磁路磁阻隨著銜鐵插入深度 不同而變化的基礎上。,第三章 電感式傳感器,鐵心的結構和材料確定后，自感是氣隙厚度和氣隙截面積的函數。,第三章 電感式傳感器,1

2、. 變氣隙式自感傳感器,氣隙的磁阻遠大于鐵芯和銜鐵的磁阻,L與之間是非線性關系,磁路總的磁阻為,線圈的電感為,第三章 電感式傳感器,變間隙式電感傳感器L-特性,第三章 電感式傳感器,第三章 電感式傳感器,（1）當銜鐵上移時, 傳感器氣隙減小, 即=0, 則此時輸出電感為L = L0+L,當/ 1時, 可將上式用泰勒級數展開,第三章 電感式傳感器,（2）當銜鐵下移時, 傳感器氣隙增大, 即=0, 則此時輸出電感為L = L0L。,第三章 電感式傳感器,差動變隙式電感傳感器,1-鐵芯； 2-線圈； 3-銜鐵,當銜鐵向上移動時，兩個線圈的電感變化量L1、L2,第三章 電感式傳感器,第三章 電感式傳感

3、器,第三章 電感式傳感器,2. 變面積式自感傳感器,靈敏度,第三章 電感式傳感器,第三章 電感式傳感器,3. 螺線管式自感傳感器,1-螺線管線圈； 2-螺線管線圈； 3-骨架； 4-活動鐵芯,L10，L20分別為線圈、的初始電感值,圖 差動螺線管式電感傳感器結構原理圖,第三章 電感式傳感器,第三章 電感式傳感器,當鐵芯右移后，使右邊電感值增加，左邊電感值減小,每只線圈的靈敏度為,兩只線圈的靈敏度大小相等，符號相反，具有差動特征。,第三章 電感式傳感器,第三章 電感式傳感器,二、自感線圈的等效電路,自感線圈不是一個純電感，除了電感量L之外，還存在線圈的銅耗、鐵心的渦流及磁滯損耗。,Re 銅損電阻

4、； Rc 鐵心渦流損耗； Rh 鐵心的磁滯損耗； C 分布等效電容（線圈 繞組間）。,第三章 電感式傳感器,1、銅損電阻,第三章 電感式傳感器,2、渦流損耗電阻Re,由于交變磁場的存在將使鐵心中產生渦流，并造成渦流損耗。渦流損耗的平均功率為：,f 交變磁化頻率； Bm 磁感應強度幅值； V 鐵心體積； K 與鐵心形狀有關的系數； m 鐵磁材料電阻率；a 單片厚度或直徑。,因Re為一個與電感L 并聯(lián)的電阻，因此：,第三章 電感式傳感器,I 流過電感 電流有效值。, 鐵心磁導率。,由鐵心渦流損耗引起的損耗因數：,Ke 與鐵心材料、形狀有關。,渦流損耗引起的損耗因數與頻率 f 成正比。,3、磁滯損耗

5、電阻Rh,鐵心磁滯損耗功率：,（近似經驗公式）,第三章 電感式傳感器,第三章 電感式傳感器, 鐵心材料的相對磁導率。,磁滯損耗因數：,磁滯損耗因數是一個與頻率無關的常數，一般很小。,第三章 電感式傳感器,4、總損耗因數及品質因數,電感線圈總的損耗因數為：,可見，fm是對應于最小的總損耗因數時的最佳頻率，且Dc=De。,第三章 電感式傳感器,鐵心線圈電感的品質因數為總損耗因數的倒數。,在 fm處，品質因數的極大值為：,第三章 電感式傳感器,5、并聯(lián)電容C的影響,一般在高頻時考慮，可以忽略。,第三章 電感式傳感器,三、自感傳感器特點總結,1、閉磁路電感傳感器特點 （1）靈敏度高。目前可測0.1m的

6、直線位移，輸出信號比 較大，信噪比較好。 （2）全量程范圍小，只適于測量較小位移。 （3）存在非線性。 （4）消耗功率大（有較大的電磁吸力的緣故）。 （5）工藝要求不高，加工容易。,2、開磁路電感傳感器特點 （螺線管中間插入可動鐵心） （1）靈敏度比閉磁路電感傳感器低，易受干擾。 （2）全量程范圍較大，達200300mm。 （3）線性差，低于1%，必須做成差動形式。,第三章 電感式傳感器,第三章 電感式傳感器,四、自感傳感器配用電路,轉換電路類型： *調幅式：xA 調頻式： xf（） 調相式： x,(1) 變壓器電路,輸出空載電壓,銜鐵偏離中間零點時,初始平衡狀態(tài)，Z1=Z2=Z, u0=0,

7、圖 變壓器電橋,1、調幅電路,第三章 電感式傳感器,傳感器銜鐵移動方向相反時,空載輸出電壓,只能確定銜鐵位移的大小，不能判斷位移的方向。 為了判斷位移的方向，要在后續(xù)電路中配置相敏檢波器。,第三章 電感式傳感器,（2）諧振式調幅電路,電路的靈敏度很高，但是線性差，適用于線性要求不高的場合。,圖 諧振式調幅電路,第三章 電感式傳感器,諧振點的自感值,傳感器自感變化將引起輸出電壓頻率的變化。,G,C,L,f,圖 調頻電路,2. 調頻電路,第三章 電感式傳感器,f 較大時有較高的精度。,傳感電感變化將引起輸出電壓相位變化,3.調相電路,圖 調相電路,第三章 電感式傳感器,第三章 電感式傳感器,第三章

8、 電感式傳感器,自感傳感器的靈敏度：（傳感器測頭+轉換電路）總靈敏度,傳感器結構（測頭）靈敏度：,轉換電路靈敏度：,總靈敏度：,傳感器靈敏度單位：mV/（m V）,五、傳感器的靈敏度,在調幅式電路中，當u0=0時，應有Z1=Z2=Z，而Z包含兩部分R和L，只有兩部分分別相等時（即R1=R2，L1=L2），才能保證u0=0。但在實際中很難達到，實際的u0 x曲線如圖，x=0時， u0=e0，稱為零點殘余電壓。,零殘電壓過大帶來的影響： 靈敏度下降、非線性誤差增大 測量有用的信號被淹沒，不再反映被測量變化造成放大電路后級飽和，儀器不能正常工作。,產生的原因： 兩電感線圈的等效參數（電感、電阻）不對

9、稱； 鐵芯的B-H特性的非線性，產生高次諧波不同，不能互相抵消。,第三章 電感式傳感器,七、零點殘余電壓,減小的措施： 設計上：使上、下磁路對稱，盡量減小銅損電阻Rc，增大鐵心的渦流損Re及磁滯損Rh以提高線圈的品質因數； 制造上：使上、下磁性材料一致。零部件配套挑選，線圈排列均勻、一致。 調整方法：串（并）接電阻、并聯(lián)電容方法。 電路上：利用相敏檢波可以減小零殘。,第三章 電感式傳感器,電感的等效電路,第三章 電感式傳感器,第三章 電感式傳感器,3-2 變壓器式傳感器,一、工作原理,變壓器式傳感器是將非電量轉換為線圈間互感M的磁電機構，很象變壓器的工作原理，稱為變壓器式傳感器，多采用差動結構

10、。,第三章 電感式傳感器,A、B為兩個山字形固定鐵心，在其窗中各繞有兩個線圈，W1a及W1b為1次繞組，W2a及W2b為2次繞組，C為銜鐵。,當沒有非電量輸入時， ，繞組W1a和W2a間的互感Ma與繞組W1b和W2b間的互感Mb相等。,當銜鐵位置改變 時 ，則 ，此互感的差值即可反映被測量的大小。,第三章 電感式傳感器,為反映差值互感，將兩個一次繞組的同名端順向串聯(lián)，并施加交流電壓Ua，而兩個二次繞組的同名端反向串聯(lián)，同時測量串聯(lián)后的合成電勢E2。,E2值的大小決定于被測位移的大小，E2的方向決定于位移的方向。, 二次繞組W2a的互感電勢； 二次繞組W2b的互感電勢。,二、結論,1、供電電源必

11、須是穩(wěn)幅和穩(wěn)頻的； 2、N1/N2比值越大，靈敏度越高； 3、0初始空氣隙不宜過大，否則靈敏度會下降； 4、電源幅值應適當提高，但應以鐵心不飽和為限。,第三章 電感式傳感器,第三章 電感式傳感器,電感式傳感器一般用于接觸測量，它主要用于位移測量，也可以用于振動、壓力、流量、液位等參數測量。,3-3 電感式傳感器的應用,厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,壓縮,垂直度; 壓力,流量,液位;張力,重力,負荷量;扭矩, 應力,動力;氣壓,溫度;振動,速度,加速度;等.,可測量的物理量包括,第三章 電感式傳感器,板的厚度測量,張力測量,第三章 電感式傳感器,旁向式差動電感式傳感器,總行程： 1.5mm 測量

12、力：0.40.7N 示值變動性：0.2m,軸向式差動電感式傳感器,總行程： 3mm 測量力：0.450.65N 示值變動性：0.03m,總行程：1.5mm 測量力：0.120.18N 示值變動性：0.05m,第三章 電感式傳感器,軸向式差動變壓器式傳感器,總行程： 100mm 線性度：0.15%,總行程： 2 7mm 測量力：0.91.2N 示值變動性：0.5m,第三章 電感式傳感器,電子卡規(guī)、塞規(guī),特點：不僅可以測量微米級直徑，而且通過其在孔內旋轉和平移可以測量其橢圓度和圓柱度 被測孔內徑范圍:25120mm 測量力：1.30.3N 示值變動性：1m,特點：不僅可以測量微米級直徑，還可以測量

13、軸的橢圓度和圓柱度 被測軸直徑范圍:25120mm 測量力：41.5N 示值變動性：1m,第三章 電感式傳感器,特點： 可單傳感器測量，也可兩個傳感器進行和差演算測量,指標,電感測微儀,電感測微儀是一種能夠測量微小尺寸變化的精密測量儀器，它由主體和測頭兩部分組成，配上相應的測量裝置（例如測量臺架等），能夠完成各種精密測量。例如，檢查工件的厚度、內徑、外徑、橢圓度、平行度、直線度、徑向跳動等，被廣泛應用于精密機械制造業(yè)、晶體管和集成電路制造業(yè)以及國防、科研、計量部門的精密長度測量。目前，國內常用的電感測微儀有指針式和數字式兩種 。,第三章 電感式傳感器,輪廓儀,輪廓儀：測量工件表面輪廓狀況的儀器

14、,按起伏節(jié)距的大小分為：微觀不平度、波度、宏觀幾何形狀誤差,微觀不平度：表面粗糙度，其粗高與粗距都很小。 波 度：是一種周期性的起伏，其波距比波高大得多。 宏觀形狀誤差： 如直線度、平面度、圓度誤差 等，它的波距很大，在一個表面上只有幾個起伏，甚至不呈周期性變化。,第三章 電感式傳感器,第三章 電感式傳感器,典型電動輪廓儀組成框圖,第三章 電感式傳感器,第三章 電感式傳感器,3-4 電渦流式傳感器,電渦流傳感器可以測量位移、厚度、轉速、振動、硬度等參數，還可以進行無損探傷，是一種應用廣泛且有發(fā)展前途的傳感器。 電渦流傳感器是利用電渦流效應原理，將位移等非電量轉換為阻抗的變化（或電感的變化，或Q

15、值的變化），從而進行非電量電測的。,下圖所示為高頻反射式渦流傳感器工作原理。金屬板置于一只線圈的附近，它們之間相互的間距為為，當線圈輸入一交變電流i時，便產生交變磁通量金屬板在此交變磁場中會產生感應電流i1，這種電流在金屬體內是閉合的，所以稱之為渦電流或渦流。渦流的大小與金屬板的電阻率、磁導率、厚度h，金屬板與線圈的距離，激勵電流角頻率等參數有關。若改變其中某二參數，而固定其他參數不變，就可根據渦流的變化測量該參數。,第三章 電感式傳感器,低頻透射式渦流傳感器的工作原理如右圖所示，發(fā)射線圈1和接收線圈2分別置于被測金屬板材料G的上、下方。由于低頻磁場集膚效應小，滲透深，當低頻(音頻范圍)電壓e

16、1加到線圈1的兩端后，所產生磁力線的一部分透過金屬板材料G,使線圈2產生感應電動勢e2。但由于渦流消耗部分磁場能量，使感應電動勢e2減少，當金屬板材料G越厚時，損耗的能量越大，輸出電動勢e2越小。因此，e2的大小與G的厚度及材料的性質有關，試驗表明，e2隨材料厚度h的增加按負指數規(guī)律減少,如圖所示，因此，若金屬板材料的性質一定，則利用e2的變化即可測量其厚度。,第三章 電感式傳感器,第三章 電感式傳感器,一、工作原理,一個通有交變電流 的線圈，由于電流的變化，在線圈周圍就產生一個交變磁場H1，當被測導體置于該磁場范圍之內，被測導體內便產生電渦流 ，電渦流也將產生一個新磁場H2， H2與H1方向

17、相反，因而抵消部分原磁場，從而導致線圈的電感量、阻抗和品質因數發(fā)生改變。, 線圈等效外半徑,第三章 電感式傳感器,一般地說，傳感器線圈的阻抗、電感和品質因數的變化與導體的幾何形狀、電導率、磁導率有關，也與線圈的幾何參數、電流的頻率以及線圈到被測導體間距離有關。如果控制上述參數中一個變化，其余皆不變化，就可以構成測位移、測溫度、測硬度等各種傳感器。,下面分析一下電渦流對電路參數的影響。,第三章 電感式傳感器,首先把被測導體上形成的電渦流等效為一個短路環(huán)，這樣可使得分析問題更簡便。這個簡化模型可用下面的等效電路圖來表示。,假定傳感器線圈原有電阻R1，電感L1，則其復阻抗 Z1=R1+jL1,當有被

18、測導體靠近傳感器線圈時，則成為一個耦合電感，線圈與導體之間存在一個互感系數M，互感系數隨線圈與導體之間距離的減小而增大。短路環(huán)可看作一匝短路線圈，電阻為R2，電感為L2。,第三章 電感式傳感器,解方程組，可知傳感器工作時復阻抗為：,第三章 電感式傳感器,二、電渦流式傳感器特性,1、電渦流強度與距離的關系,不考慮電渦流分布的不均勻性，可以得到導體中電渦流強度為：,I1 線圈激勵電流； x 線圈到被測體的距離； I2 導體中產生的電渦流。,I2隨x增加而急劇減小。為能得到較強的渦流效應，應使 x/ ras 1?？梢娋€圈外徑ras與被測位移量 x 有密切關系。,用渦流傳感器測量位移時，只在很小的測量范圍內能得到較好的線性和較高的靈敏度。,第三章 電感式傳感器,2、被測導體對傳感器靈敏度的影響,（1）被測導體的電阻率P和相對磁導率越小，傳感器的靈敏度愈高。 （2）由于渦流式位移傳感器是高頻反射式渦流傳感器，因此，被測導體必須達到一定的厚度，才不會產生電渦流的透射損耗，使傳感器具有較高的靈敏度。一般要求被測導體的厚度大于兩倍的渦流穿透深度。,（3）只有在 D/d 大于3.5時，傳感器靈敏度才有穩(wěn)態(tài)值。,三、電渦流傳感器的測量電路,根據傳感器線圈與被測導體間的距離 x 的變化可以轉換為品質因數Q、阻抗Z、線圈電感L三個參數的變化。,