1、第三章 電感式傳感器,電感式傳感器的工作原理：它是利用磁路定律或電磁感應(yīng)原理等，通過線圈自感和互感的變化，實(shí)現(xiàn)非電量（直接量為位移）電測(cè)。 用途及特點(diǎn)：常用來測(cè)量位移、振動(dòng)、壓力、應(yīng)變、流量、比重等物理量參數(shù)。 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，壽命長(zhǎng)；靈敏度和分辨力高。 缺點(diǎn)：存在交流零位信號(hào)；不適宜高頻動(dòng)態(tài)測(cè)量。 分類：按工作原理分為自感式、互感式和電渦流式三種。,第一節(jié) 自感式傳感器,先看一個(gè)實(shí)驗(yàn)：,將一只380V交流接觸器線圈與交流毫安表串聯(lián)后，接到機(jī)床用控制變壓器的36V交流電壓源上，如圖所示。這時(shí)毫安表的示值約為幾十毫安。用手慢慢將接觸器的活動(dòng)鐵心（稱為銜鐵）往下按，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)毫安表的讀數(shù)

2、逐漸減小。當(dāng)銜鐵與固定鐵心之間的氣隙等于零時(shí)，毫安表的讀數(shù)只剩下十幾毫安。,電感傳感器的基本工作原理演示,F,220V,準(zhǔn)備工作,電感傳感器的基本工作原理演示,氣隙變小，電感變大，電流變小,F,一、自感式電感傳感器,自感式電感傳感器是一種改變自感系數(shù)的傳感器。原理圖如下圖。它由線圈、鐵芯及活動(dòng)銜鐵組成。在鐵芯和銜鐵之間有空氣隙。,原理,自感L可寫為：,W為線圈匝數(shù)， 0為空氣的導(dǎo)磁率 上式表明，自感L與氣隙成反比，而與氣隙導(dǎo)磁截面積s成反比。與線圈匝數(shù)W成正比,分類：變間隙型（ 改變）、變面積型（s改變）、螺線管型（W改變）,當(dāng)氣隙改變時(shí),當(dāng)0 時(shí)，有,1、變氣隙式自感傳感器,此時(shí)，傳感器的靈

3、敏度為,可見，靈敏度k與氣隙長(zhǎng)度的平方成反比，愈小，靈敏度愈高。由于k不是常數(shù)，故會(huì)出現(xiàn)非線性誤差，為了減小這一誤差，通常規(guī)定在較小的范圍內(nèi)工作。,實(shí)際應(yīng)用中，一般取 。變氣隙式自感傳感器 適用于較小位移的測(cè)量，一般約為0.0011mm.,變氣隙式自感傳感器工作原理動(dòng)畫演示,2、變面積式自感傳感器 若將變氣隙式自感傳感器的氣隙厚度保持不變，使氣隙導(dǎo)磁截面積s隨被測(cè)非電量而變，即構(gòu)成變面積式自感傳感器。 變面積式自感傳感器輸出特性呈線性，因此測(cè)量范圍大。與變氣隙式相比，其靈敏度較低。欲提高靈敏度，初始?xì)庀逗穸?不能過大，但同樣受工藝和結(jié)構(gòu)的限制，0的選取與變氣隙式相同。 即,工作原理演示,變面積

4、式自感傳感器工作原理動(dòng)畫演示,3、螺管式自感傳感器 它與前兩種傳感器相比，有以下特點(diǎn)： .結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造裝配容易； .由于磁路大部分為空氣，易受外部磁場(chǎng)干擾； .由于空氣隙大，磁路磁阻大，故靈敏度較前兩種低，但線性范圍大； .由于磁阻高，為了達(dá)到某一電感量，需要的線圈匝數(shù)多，因而線圈分布電容大；,工作原理演示,螺旋管式自感傳感器工作示意圖,四、差動(dòng)電感傳感器及測(cè)量電路 在實(shí)際使用中,常采用兩個(gè)相同的傳感線圈共用一個(gè)銜鐵,構(gòu)成差動(dòng)式電感傳感器,這樣可以提高傳感器的靈敏度,減小測(cè)量誤差. 差動(dòng)式電感傳感器的結(jié)構(gòu)要求兩個(gè)導(dǎo)磁體的幾何尺寸及材料完全相同，兩個(gè)線圈的電氣參數(shù)和幾何尺寸完全相同。 差動(dòng)式結(jié)

5、構(gòu)除了可以改善線性、提高靈敏度外，對(duì)溫度變化、電源頻率變化等影響，也可以進(jìn)行補(bǔ)償，從而減少了外界影響造成的誤差。,圖 差動(dòng)變隙式電感傳感器,以 差動(dòng)變隙式電感傳感器為例進(jìn)行分析,1. 電阻平衡臂交流電橋,差動(dòng)變隙式電感傳感器等效圖,設(shè)銜鐵位于氣隙中間位置時(shí)線圈Z1，Z2的阻抗相等，此時(shí) 電橋平衡，輸出電壓為0。當(dāng)銜鐵移動(dòng)時(shí)，兩線圈的變化分別為； 輸出Uo正比于Z1與Z2的差值,差動(dòng)變隙式電感傳感器等效圖,因?yàn)?所以,又,A,B,結(jié)論： 差動(dòng)電感傳感器清除了起始時(shí)的零位輸出 靈敏度提高，相同輸入下輸出增大 線性度得到改善（電感變化量中高次項(xiàng)部分抵消）,2. 變壓器式交流電橋 變壓器式交流電橋測(cè)量

6、電路如下圖所示, 電橋兩臂Z1、 Z2為傳感器線圈阻抗, 另外兩橋臂為交流變壓器次級(jí)線圈的兩半部分。當(dāng)負(fù)截阻抗為無窮大時(shí), 橋路輸出電壓,當(dāng)傳感器的銜鐵處于中間位置, 即Z1= Z2=Z時(shí)，電橋平衡,(1) 當(dāng)傳感器銜鐵上移時(shí), 即Z1=Z0 +Z, Z2=Z0 -Z, 此時(shí),(2) 當(dāng)傳感器銜鐵下移時(shí), 則Z1=Z0 -Z, Z2=Z0 +Z, 此時(shí),從兩式可知, 銜鐵上下移動(dòng)相同距離時(shí), 輸出電壓的大小相等, 但方向相反, 由于 是交流電壓, 輸出指示無法判斷位移方向, 必須配合相敏檢波電路來解決。 ,3. 帶相敏整流器的交流電橋,相敏檢波電路：交流電橋輸出的相量 本身可反映被測(cè)量的大小和

7、方向，但用一般的整流方法接指示儀表時(shí)卻丟失了方向信號(hào)。為正確判別銜鐵位移的大小和方向，可采用帶相敏檢波電路（相敏整流器）的交流電橋，見下圖。,圖中Z1、Z2為差動(dòng)電抗（線圈阻抗）；Z3、Z4為固定電感，構(gòu)成電橋另兩橋臂。 為供橋電壓， 為輸出電壓。當(dāng)銜鐵居中時(shí)，Z1=Z2， 。,a,b,同理，當(dāng)Z1，Z2時(shí)， Uo為正。故Uo不僅反映線圈阻抗變化大小，還能反映變 化方向。,二、互感式傳感器（差動(dòng)變壓器式傳感器）,把被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感量變化的傳感器稱為互感式傳感器。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的, 并且次級(jí)繞組都用差動(dòng)形式連接, 故稱差動(dòng)變壓器式傳感器。 差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)形式較

8、多, 有變隙式、 變面積式和螺線管式等, 但其工作原理基本一樣。非電量測(cè)量中, 應(yīng)用最多的是螺線管式差動(dòng)變壓器, 它可以測(cè)量1100mm范圍內(nèi)的機(jī)械位移, 并具有測(cè)量精度高（高達(dá)0.lm量級(jí)）, 靈敏度高, 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。,1、工作原理： 此類傳感器多數(shù)為螺管式差動(dòng)變壓器式傳感器。傳感器仍主要由線圈、鐵芯和活動(dòng)銜鐵三個(gè)部分組成。線圈包括一個(gè)初級(jí)線圈和兩個(gè)反接的次級(jí)線圈，當(dāng)初級(jí)線圈輸入交流激勵(lì)電壓時(shí)，次級(jí)線圈將產(chǎn)生感壓電動(dòng)勢(shì)e1和e2。由于兩個(gè)次級(jí)線圈極性反接，因此，傳感器的輸出電壓為兩者之差，即ey=e1-e2?；顒?dòng)銜鐵能改變線圈之間的藕合程度。輸出ey的大小隨活動(dòng)銜鐵的位置而變

9、。當(dāng)活動(dòng)銜鐵的位置居中時(shí)，即e1=e2，ey=0；當(dāng)活動(dòng)銜鐵向上移時(shí)，即e1e2，ey0;當(dāng)活動(dòng)銜鐵向下移時(shí)，即e1e2，ey0?；顒?dòng)銜鐵的位置往復(fù)變化，其輸出電壓也隨之變化，輸出特性如圖所示。,與傳統(tǒng)變壓器比較： （1）.變壓器副邊兩個(gè)對(duì)等繞組作為傳感器差動(dòng)工作繞組，且工作時(shí)，原、副繞組之間互感變化； （2）.副邊開路，無電流。 對(duì)于副邊上下兩部分 原邊線圈中電流 副邊輸出電壓,測(cè)量前 測(cè)量時(shí) 在一定范圍內(nèi)， 與位移x呈線性關(guān)系。,幾種差動(dòng)整流電路,三、電渦流式傳感器,1、工作原理： 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(dāng)線圈輸入一交變電

10、流i時(shí)，便產(chǎn)生交變磁通量，金屬板在此交變磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流i1，這種電流在金屬體內(nèi)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(dǎo)率、厚度h，金屬板與線圈的距離，激勵(lì)電流角頻率等參數(shù)有關(guān)。若改變其中某二參數(shù)，而固定其他參數(shù)不變，就可根據(jù)渦流的變化測(cè)量該參數(shù)。,國(guó)產(chǎn)CZF1型電渦流傳感器結(jié)構(gòu),采用了最常用的結(jié)構(gòu)形式高頻反射式結(jié)構(gòu),以電磁場(chǎng)理論解釋工作原理,以電路理論解釋工作原理,根據(jù)基爾霍夫定律,由此解出傳感器線圈等效阻抗及品質(zhì)因數(shù),一般地，考慮到后繼轉(zhuǎn)換電路，以線圈等效阻抗或等效電感為輸出電參數(shù)，則滿足 當(dāng)某一參數(shù)為變量，而其余參數(shù)為常量時(shí)，便實(shí)現(xiàn)了測(cè)量。 （例）、 不變，

11、則 ，即為渦流式位移計(jì) 工作原理。,低頻透射式渦流傳感器的工作原理如下圖所示，發(fā)射線圈1和接收線圈2分別置于被測(cè)金屬板材料G的上、下方。由于低頻磁場(chǎng)集膚效應(yīng)小，滲透深，當(dāng)?shù)皖l(音頻范圍)電壓e1加到線圈1的兩端后，所產(chǎn)生磁力線的一部分透過金屬板材料G,使線圈2產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e2。但由于渦流消耗部分磁場(chǎng)能量，使感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e2減少，當(dāng)金屬板材料G越厚時(shí)，損耗的能量越大，輸出電動(dòng)勢(shì)e2越小。因此，e2的大小與G的厚度及材料的性質(zhì)有關(guān)，試驗(yàn)表明，e2隨材料厚度h的增加按負(fù)指數(shù)規(guī)律減少,如圖所示，因此，若金屬板材料的性質(zhì)一定，則利用e2的變化即可測(cè)量其厚度。,2、特性分析,(1).輸入輸出特性與線性度

12、線性范圍：線圈外徑1/31/5左右，線性度不高。 (2).靈敏度 線圈尺寸：線圈外徑與內(nèi)徑之比增大時(shí)，靈敏度升高，且 輸出線性度好。 被測(cè)導(dǎo)體形狀、大?。罕粶y(cè)導(dǎo)體的半徑大于線圈外徑的 1.8 倍時(shí)，才不影響靈敏度。 材質(zhì)有關(guān)：被測(cè)導(dǎo)體電阻率越高，靈敏度越高；導(dǎo)磁率大 靈敏度下降,3、測(cè)量電路：,(1). 橋路（轉(zhuǎn)換Z的變化） (2).諧振測(cè)量電路（轉(zhuǎn)換L的變化） a）調(diào)幅電路 振蕩器提供一個(gè)頻率及幅值穩(wěn)定的高頻信號(hào)激勵(lì)并聯(lián)諧振回路LC。,無被測(cè)導(dǎo)體時(shí)，使LC振蕩回路的諧振頻率f0等于振蕩器的振蕩頻率，這時(shí)LC回路的阻抗最大，激勵(lì)電流在LC回路上產(chǎn)生的壓降最大。當(dāng)傳感器線圈接近被測(cè)導(dǎo)體時(shí)，線圈的

13、等效電感發(fā)生變化，諧振回路的諧振頻率和等效阻抗也跟著發(fā)生變化，使回路失諧，諧振峰值偏離原來的位置向兩旁移動(dòng)，輸出電壓亦發(fā)生相應(yīng)變化。傳感器離被測(cè)體越近，回路的等效阻抗越小，輸出電壓也越低。諧振峰值的移動(dòng)方向與被測(cè)導(dǎo)體的材料有關(guān)。對(duì)非磁性材料，當(dāng)距離減小時(shí)，線圈的等效電感減小，回路諧振頻率提高。,b)調(diào)頻電路 調(diào)頻測(cè)量電路是把傳感器線圈接入振蕩器，作為振蕩器的一個(gè)電感元件，與調(diào)幅電路不同的是它是以頻率作為輸出量。當(dāng)位移產(chǎn)生x變化時(shí)，引起線圈電感變化L，這個(gè)電感變化對(duì)振蕩器調(diào)頻，使振蕩器的振蕩頻率產(chǎn)生f的變化。此頻率可以用數(shù)字頻率計(jì)直接測(cè)量，也可以通過鑒頻器進(jìn)行頻率電壓轉(zhuǎn)換變成輸出電壓。電路原理圖

14、如下：,四、電感式傳感器的應(yīng)用 1、位移計(jì) 2、加速度傳感器 3、電渦流式傳感器應(yīng)用,電渦流式傳感器可用來測(cè)量各種形狀金屬導(dǎo)體試件的位移量。如汽輪機(jī)主軸的軸向位移，液壓先導(dǎo)閥的位移和金屬試件的熱膨脹系數(shù)等。測(cè)量位移范圍可以從01mm到022mm，分辨力為0.1m。 電渦流式傳感器可以對(duì)各種振動(dòng)的振幅頻譜分布進(jìn)行無接觸地測(cè)量，可以進(jìn)行金屬元件合格檢驗(yàn)（通過測(cè)量元件的厚度），金屬元件計(jì)數(shù)，軸的位移和徑向、軸向振動(dòng)的測(cè)量，磨床的精密定位等。,軸向式電感測(cè)微器的外形,航空插頭,紅寶石測(cè)頭,其他電感測(cè)微頭,軸向式電感測(cè)微器的內(nèi)部結(jié)構(gòu),1引線電纜 2固定磁筒 3銜鐵 4線圈 5測(cè)力彈簧 6防轉(zhuǎn)銷 7鋼球?qū)?/p>

15、軌（直線軸承） 8測(cè)桿 9密封套 10測(cè)端 11被測(cè)工件 12基準(zhǔn)面,測(cè)微儀,圓柱滾子,電感式輪廓儀,旁向式電感測(cè)微頭,大直徑電渦流探雷器,用掌上型電渦流探傷儀檢測(cè)飛機(jī)裂紋,電渦流振動(dòng)測(cè)量?jī)x,汽輪機(jī)葉片測(cè)試,測(cè)量懸臂梁的振幅及頻率,1、在電感式傳感器中，被測(cè)對(duì)象也是磁路一部分的是 電渦流式 傳感器。 2、在差動(dòng)自感式傳感器的測(cè)量電路中能分辨出銜鐵位移方向和大小的是（ C）。、電阻平衡臂電橋 B變壓器交流電橋 C帶相敏整流器的交流電橋 D雙T二極管橋 3、差動(dòng)變壓器式傳感器其次級(jí)繞組都用 差動(dòng) 形式連接,其輸出特性由于制作上的不對(duì)稱以及鐵心位置等因素在零點(diǎn)存在 零位輸出 電壓。 4、在電感式傳感

16、器中，線圈之間的沒有耦合的是 式傳感器，被測(cè)對(duì)象也是磁路一部分的是 傳感器。（D） A電渦流、互感式 B互感式、自感式 C電渦流、自感式 D自感式、電渦流 5、除電渦流式傳感器外，電感式傳感器按轉(zhuǎn)換原理不同還可分為 自感 式和 互感 式兩大類。 6、自感式電感傳感器通常有 變間隙 型、 螺線管 型和變面積型。 7、螺線管式自感傳感器采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)是為了（C ）。 A增加線圈對(duì)銜鐵的吸引力； B.降低成本； C.提高靈敏度，減小溫漂； D.加長(zhǎng)線圈的長(zhǎng)度從而增加線性范圍,8、差動(dòng)變壓器式傳感器理論上講，銜鐵位于中心位置時(shí)輸出電壓為零，而實(shí)際上差動(dòng)變壓器輸出電壓不為零，我們把這個(gè)不為零的電壓稱為 零

17、位輸出 電壓；利用差動(dòng)變壓器測(cè)量位移時(shí)如果要求區(qū)別位移方向（或正負(fù)）可采用 相敏檢波 電路。 9、某自感式傳感器線圈的匝數(shù)為N，磁路的磁阻為Rm，則其自感為（ B ）A.N/RmB.N2/RmC.Rm/ND.N2/R2m 10、變氣隙式自感傳感器，當(dāng)街鐵移動(dòng)靠近鐵芯時(shí)，鐵芯上的線圈電感量（ A ） A.增加 B.減小 C.不變 D 先增加后減小 11、電感式傳感器測(cè)量電路一般不采用直流電橋。（ 對(duì)的 ） 12、螺線管式差動(dòng)變壓器傳感器在活動(dòng)銜鐵位于中間位置時(shí)，輸出電壓應(yīng)該為零。實(shí)際不為零，稱它為零位輸出電壓 。,13、渦流式壓力傳感器利用渦流效應(yīng)將壓力的變化變換成線圈的（ D ）A.電阻變化B.電容變化C.渦流變化D.阻抗變化 14、自感式傳感器或差動(dòng)變壓器采用相敏檢波電路最重要的目的是為了（ D ）。 A.將輸出的交流信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)； B.提高靈敏度； C.提高測(cè)量精度； D.使檢波后的直流電壓能反映檢波前交流信號(hào)的相位和幅度,2、以下為用于某金屬零件廠流水線上的渦流傳感器計(jì)件工作示意圖 （其中右圖為渦流傳感器輸出的U/t圖），請(qǐng)依次分析： 高頻反射式渦流傳感