1、2020/7/28,1,第4章 電感式傳感器及應(yīng)用,2020/7/28,2,引言,電感式傳感器的工作基礎(chǔ)：電磁感應(yīng) 即利用線圈自感或互感的改變來實現(xiàn)非電量測量,2020/7/28,3,分為自感式、互感式和電渦流式等 特點： 工作可靠、壽命長 靈敏度高，分辨力高 精度高、線性好 性能穩(wěn)定、重復(fù)性好 能實現(xiàn)信息的遠距離傳輸、記錄、顯示和控制，在工業(yè)自動控制系統(tǒng)中被廣泛采用。,2020/7/28,4,主要章節(jié)內(nèi)容,4.1自感式傳感器 4.2差動變壓器式傳感器 4.3電渦流傳感器,2020/7/28,5,4.1自感式傳感器,自感式傳感器是利用自感量隨氣隙變化而改變的原理制成的，用來測量位移。 自感式傳

2、感器主要有閉磁路變隙式和開磁路螺線管式，它們又都可以分為單線圈式與差動式兩種結(jié)構(gòu)形式。,2020/7/28,6,內(nèi)容,4.1.1 基本工作原理 4.1.2 自感式傳感器的測量電路 4.1.3 自感式傳感器應(yīng)用舉例,2020/7/28,7,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,2020/7/28,8,4.1.1 基本工作原理,線圈的自感量等于線圈中通入單位電流所產(chǎn)生的磁鏈數(shù)，即線圈的自感系數(shù) 為磁鏈， 為磁通（Wb），I 為流過線圈的電流（A），N為線圈匝數(shù)。根據(jù)磁路歐姆定律： ， 為磁導(dǎo)率，S 為磁路截面積，l 為磁路總長度。,2020/7/28,9,線圈的電感量,為

3、磁路的磁阻,變磁阻式傳感器,2020/7/28,10,結(jié)論,只要被測非電量能夠引起空氣隙長度或等效截面積發(fā)生變化，線圈的電感量就會隨之變化。 電感式傳感器從原理上可分為變氣隙長度式和變氣隙截面式兩種類型，前者常用于測量直線位移，后者常用于測量角位移。,2020/7/28,11,自感式傳感器,1線圈 2鐵芯 3銜鐵 4測桿 5導(dǎo)軌 6工件 7轉(zhuǎn)軸,2020/7/28,12,1變氣隙式（閉磁路式）自感傳感器,由電感式可知，變氣隙長度式傳感器的線性度差、示值范圍窄、自由行程小，但在小位移下靈敏度很高，常用于小位移的測量。,1線圈 2鐵芯 3銜鐵,2020/7/28,13,2螺線管式（開磁路式）自感式

4、傳感器,螺線管式自感式傳感器常采用差動式。 它是在螺線管中插入圓柱形鐵芯而構(gòu)成的。其磁路是開放的，氣隙磁路占很長的部分。有限長螺線管內(nèi)部磁場沿軸線非均勻分布，中間強，兩端弱。插入鐵芯的長度不宜過短也不宜過長，一般以鐵芯與線圈長度比為0.5、半徑比趨于1為宜。鐵磁材料的選取決定于供橋電源的頻率，500Hz以下多用硅鋼片，500Hz以上多用薄膜合金，更高頻率則選用鐵氧體。從線性度考慮，匝數(shù)和鐵芯長度有一最佳數(shù)值，應(yīng)通過實驗選定。,2020/7/28,14,結(jié)構(gòu),差動式電感傳感器對外界影響，如溫度的變化、電源頻率的變化等基本上可以互相抵消，銜鐵承受的電磁吸力也較小，從而減小了測量誤差。,1測桿 2銜

5、鐵 3線圈,2020/7/28,15,特性,從輸出特性曲線（如圖4-5所示）可以看出，差動式電感傳感器的線性較好，且輸出曲線較陡，靈敏度約為非差動式電感傳感器的兩倍。,1、2L1、L2的特性 3差動特性,2020/7/28,16,以上三種傳感器中，變氣隙長度式靈敏度最高，且隨氣隙的增大而減小，非線性誤差大；為了減少非線性誤差，量程必須限制在較小范圍內(nèi)，所以只能用于微小位移的測量，一般為0.0011mm，但制作裝配比較困難。 變氣隙截面式傳感器靈敏度比變間隙型小，但線性較好，量程也比變間隙式大，使用比較廣泛。 螺管型傳感器靈敏度較低，但量程大且結(jié)構(gòu)簡單，易于制作和批量生產(chǎn)，是使用最廣泛的一種電感

6、式傳感器。,2020/7/28,17,以上三種類型的傳感器，由于線圈中流過負載的電流不等于零，存在起始電流，非線性較大，而且有電磁吸力作用于活動銜鐵；易受外界干擾的影響，如電源電壓和頻率的波動、溫度變化等都將使輸出產(chǎn)生誤差，所以不適用于精密測量，只用在一些繼電信號裝置。在實際應(yīng)用中，廣泛采用的是將兩個電感式傳感器組合在一起，形成差動式傳感器。,2020/7/28,18,4.1.2 自感式傳感器的測量電路,自感式傳感器的測量電路用來將電感量的變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓或電流信號，以便供放大器進行放大，然后用測量儀表顯示或記錄。 測量電路有交流分壓式、交流電橋式和諧振式等多種，常用的差動式傳感器大多采用

7、交流電橋式 。,2020/7/28,19,1變壓器交流電橋,電橋有兩臂為傳感器的差動線圈的阻抗，所以該電路又稱為差動交流電橋,變壓器式交流電橋電路圖,2020/7/28,20,分析,設(shè)O點為電位參考點，根據(jù)電路的基本分析方法，可得到電橋輸出電壓為 當傳感器的活動鐵芯處于初始平衡位置時，兩線圈的電感相等，阻抗也相等，此時電橋輸出電壓為0，電橋處于平衡狀態(tài)。,2020/7/28,21,變化時,當鐵芯向一邊移動時，則一個線圈的阻抗增加 ：,2020/7/28,22,變化后的電壓,當傳感器線圈為高Q 值時，則線圈的電阻遠小于其感抗 當活動鐵芯向另一邊（反方向）移動時 差動式自感傳感器采用變壓器交流電橋

8、為測量電路時，電橋輸出電壓既能反映被測體位移量的大小，又能反映位移量的方向，且輸出電壓與電感變化量呈線性關(guān)系。,2020/7/28,23,2帶相敏整流的交流電橋,上述變壓器式交流電橋中，由于采用交流電源，則不論活動鐵芯向線圈的哪個方向移動，電橋輸出電壓總是交流的，即無法判別位移的方向。 常采用帶相敏整流的交流電橋.,2020/7/28,24,結(jié)構(gòu),帶相敏整流的交流電橋電路,2020/7/28,25,（1）初始平衡位置時,當差動式傳感器的活動鐵芯處于中間位置時，傳感器兩個差動線圈的阻抗：Z1=Z2=Z0，其等效電路如圖所示。,鐵芯處于初始平衡位置時的等效電路,2020/7/28,26,（2）活動

9、鐵芯向一邊移動時,當活動鐵芯向線圈的一個方向移動時，傳感器兩個差動線圈的阻抗發(fā)生變化，等效電路如圖所示。,鐵芯向線圈一個方向移動時的等效電路,2020/7/28,27,結(jié)果,在Ui的正半周,在Ui的負半周,2020/7/28,28,只要活動鐵芯向一方向移動，無論在交流電源的正半周還是負半周，電橋輸出電壓均為正值。,2020/7/28,29,（3）活動鐵芯向相反方向移動時,當活動鐵芯向線圈的另一個方向移動時，用上述分析方法同樣可以證明，無論在的正半周還是負半周，電橋輸出電壓均為負值。,2020/7/28,30,應(yīng)用,采用帶相敏整流的交流電橋，其輸出電壓既能反映位移量的大小，又能反映位移的方向，所

10、以應(yīng)用較為廣泛。,1理想特性曲線 2實際特性曲線,2020/7/28,31,4.1.3自感式傳感器應(yīng)用舉例,用于測量位移，還可以用于測量振動、應(yīng)變、厚度、壓力、流量、液位等非電量。,2020/7/28,32,1自感式測厚儀,1可動鐵芯 2測桿 3被測物體,2020/7/28,33,2位移測量,1引線 2線圈 3銜鐵 4測力彈簧 5導(dǎo)桿 6密封罩 7測頭,2020/7/28,34,2020/7/28,35,4.2差動變壓器式傳感器,把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感變化的傳感器稱為互感式傳感器。因這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且其二次繞組都用差動形式連接，所以又叫差動變壓器式傳感器，簡

11、稱差動變壓器。 有變隙式、變面積式和螺線管式等 在非電量測量中，應(yīng)用最多的是螺線管式的差動變壓器，它可以測量1100mm范圍內(nèi)的機械位移，并具有測量精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠等優(yōu)點。,2020/7/28,36,4.2.1 基本工作原理,螺線管式差動變壓器結(jié)構(gòu)示意圖 1 一次繞組 2二次繞組 3銜鐵 4測桿,螺線管式差動變壓器原理圖,2020/7/28,37,輸出特性,由于在一定的范圍內(nèi)，互感的變化M與位移x成正比，所以輸出電壓的變化與位移的變化成正比。實際上，當銜鐵位于中心位置時，差動變壓器的輸出電壓并不等于零，通常把差動變壓器在零位移時的輸出電壓稱為零點殘余電壓（e）。它的存在使傳

12、感器的輸出特性曲線不過零點，造成實際特性與理論特性不完全一致。,零點殘余電動勢,2020/7/28,38,零點電勢,零點殘余電動勢使得傳感器在零點附近的輸出特性不靈敏，為測量帶來誤差。為了減小零點殘余電動勢，可采用以下方法。 （1）盡可能保證傳感器尺寸、線圈電氣參數(shù)和磁路對稱。磁性材料要經(jīng)過處理，消除內(nèi)部的殘余應(yīng)力。 （2）選用合適的測量電路。如采用相敏整流電路，既可判別銜鐵移動方向又可改善輸出特性，減小零點殘余電動勢，使其性能均勻穩(wěn)定。 （3）采用補償線路減小零點殘余電動勢。,2020/7/28,39,4.2.2 測 量 電 路,差動變壓器輸出的是交流電壓，若用交流電壓表測量，只能反映銜鐵位

13、移的大小，而不能反映移動方向。另外，其測量值中將包含零點殘余電壓。為了達到能辨別移動方向及消除零點殘余電動勢目的，實際測量時，常常采用差動整流電路和相敏檢波電路。,2020/7/28,40,1差動整流電路,2020/7/28,41,差動整流電路,2020/7/28,42,2差動相敏檢波電路,差動相敏檢波電路,2020/7/28,43,等效電路1,2020/7/28,44,等效電路2,2020/7/28,45,（2）工作原理,傳感器銜鐵上移 傳感器銜鐵下移,2020/7/28,46,（3）波形圖,2020/7/28,47,4.2.3 差動變壓器式傳感器的應(yīng)用,差動變壓器不僅可以直接用于位移測量，

14、而且還可以測量與位移有關(guān)的任何機械量，如振動、加速度、應(yīng)變、壓力、張力、比重和厚度等。,2020/7/28,48,1振動和加速度的測量,銜鐵受振動和加速度的作用，使彈簧受力變形，與彈簧聯(lián)接的銜鐵的位移大小反映了振動的幅度和頻率以及加速度的大小。,振動傳感器及其測量電路 1彈性支撐 2差動變壓器,2020/7/28,49,2力和壓力的測量,當力作用于傳感器時，彈性元件產(chǎn)生變形，從而導(dǎo)致銜鐵相對線圈移動。線圈電感量的變化通過測量電路轉(zhuǎn)換為輸出電壓，其大小反映了受力的大小。,差動變壓器式力傳感器,1上部 2銜鐵 3線圈 4變形部 5下部,2020/7/28,50,微壓力傳感器,在無壓力作用時，膜盒在

15、初始狀態(tài)，與膜盒聯(lián)接的銜鐵位于差動變壓器線圈的中心部位。當壓力輸入膜盒后，膜盒的自由端產(chǎn)生位移并帶動銜鐵移動，差動變壓器產(chǎn)生一正比于壓力的輸出電壓。,1差動變壓器 2銜鐵 3罩殼 4插頭 5通孔 6底座 7膜盒 8接頭 9線路板,電感式微壓力傳感器,2020/7/28,51,4.3電渦流傳感器,根據(jù)電渦流效應(yīng)制成的傳感器稱為電渦流式傳感器。按照電渦流在導(dǎo)體內(nèi)的貫穿情況， 此傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩類，但從基本工作原理上來說仍是相似的。電渦流式傳感器最大的特點是能對位移、厚度、表面溫度、速度、應(yīng)力、材料損傷等進行非接觸式連續(xù)測量，另外還具有體積小、靈敏度高、頻率響應(yīng)寬等特點，應(yīng)用極其

16、廣泛。,2020/7/28,52,4.3.1 電渦流傳感器的工作原理,電渦流傳感器原理圖,2020/7/28,53,如果保持式中其他參數(shù)不變，而只改變其中一個參數(shù)，傳感器線圈阻抗Z就僅僅是這個參數(shù)的單值函數(shù)。通過與傳感器配用的測量電路測出阻抗Z的變化量，即可實現(xiàn)對該參數(shù)的測量。,2020/7/28,54,4.3.2 電渦流傳感器基本結(jié)構(gòu)和類型,1電渦流傳感器基本結(jié)構(gòu) 2電渦流傳感器基本類型,2020/7/28,55,1電渦流傳感器基本結(jié)構(gòu),一種是單獨繞成一只無框架的扁平圓形線圈，由膠水將此線圈粘接于框架的頂部,圖4-26 CZF3型電渦流式傳感器 1殼體 2框架 3線圈 4保護套 5填料 6螺

17、母 7電纜,2020/7/28,56,另一種是在框架的接近端面處開一條細槽，用導(dǎo)線在槽中繞成一只線圈，如圖4-27所示的CZF1型電渦流式傳感器。,圖4-27 CZF1型電渦流式傳感器 1電渦流線圈 2前端殼體 3位置調(diào)節(jié)螺 4信號處理電路 5夾持螺母 6電源指示燈閾值指示燈 8輸出屏蔽電纜線 9電纜插頭,2020/7/28,57,2電渦流傳感器基本類型,電渦流在金屬導(dǎo)體內(nèi)的滲透深度與傳感器線圈的激勵信號頻率有關(guān)，故電渦流式傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩類。目前高頻反射式電渦流傳感器應(yīng)用較廣泛。,2020/7/28,58,（1）高頻反射式,高頻激勵電流產(chǎn)生的高頻磁場作用于金屬板的表面，在

18、金屬板表面將形成渦電流。與此同時，該渦流產(chǎn)生的交變磁場又反作用于線圈，引起線圈自感L或阻抗ZL的變化。這一變化與金屬板距離h、金屬板的電阻率、磁導(dǎo)率、激勵電流i及角頻率等有關(guān)，若只改變h而其他參數(shù)不變，則可將位移的變化轉(zhuǎn)換為線圈自感的變化，通過測量電路轉(zhuǎn)換為電壓輸出。,高頻反射式電渦流傳感器,2020/7/28,59,（2）低頻透射式,低頻透射式電渦流傳感器,2020/7/28,60,4.3.3 測量電路,1電橋電路 2調(diào)幅式（AM）電路 3調(diào)頻（FM）式電路（100kHz1MHz）,2020/7/28,61,1電橋電路,靜態(tài)時，電橋平衡，橋路輸出UAB0。 工作時，傳感器接近被測體，由于電渦

19、流效應(yīng)使等效電感L發(fā)生變化，測量電橋失去平衡，即UAB0，經(jīng)線性放大后送檢波器檢波后輸出直流電壓U。,2020/7/28,62,2調(diào)幅式（AM）電路,傳感器由線圈L、電容器C 和石英晶體組成。石英晶體振蕩器起恒流源的作用，給諧振回路提供一個頻率（f0）穩(wěn)定的激勵Ui 。 金屬材料在高頻磁場中產(chǎn)生電渦流，引起電渦流線圈端電壓的衰減，再經(jīng)高放、檢波、低放電路，最終輸出的直流電壓。Uo反映了金屬體對電渦流線圈的影響。,2020/7/28,63,當金屬導(dǎo)體遠離或去掉時， LC諧振回路上的諧振頻率即為石英振蕩初始頻率fo，回路呈現(xiàn)的阻抗最大，諧振回路上的輸出電壓也最大 當金屬導(dǎo)體靠近傳感器線圈時，線圈的

20、等效電感L發(fā)生變化，導(dǎo)致回路失諧，從而使輸出電壓降低，L的數(shù)值隨距離x的變化而變化。 因此，輸出電壓隨x而變化。輸出電壓經(jīng)放大、 檢波后， 由指示儀表直接顯示出x的大小。,2020/7/28,64,3調(diào)頻（FM）式電路（100kHz1MHz）,2020/7/28,65,傳感器線圈接入LC振蕩回路，當傳感器與被測導(dǎo)體距離X改變時，在渦流影響下，傳感器的電感L變化，將導(dǎo)致振蕩頻率的變化，該變化的頻率是距離X的函數(shù)，即f=L(X), 該頻率可由數(shù)字頻率計直接測量，或者通過f-V變換，用儀表測量對應(yīng)的電壓。 振蕩器的頻率為,為了避免輸出電纜的分布電容的影響，通常將L、C裝在傳感器內(nèi)。 此時電纜分布電容并聯(lián)在大電容C2、C3上，因而對振蕩頻率f的影響將大大減小。,2020/7/28,66,4.3.4 電渦流傳感器的應(yīng)用, 利用位移x作為變換量，可以做成測量位移、厚度、振幅、振擺、轉(zhuǎn)速等傳感器，也可做成接近開關(guān)、計數(shù)器等 利用材料電阻率作為變換量，可以做成測量溫度，材質(zhì)判別等傳感器 利用導(dǎo)磁率作為變換量，可以做成測量應(yīng)力，硬