第4章 電感式傳感器

1、傳感器原理及其應用傳感器原理及其應用 主講：陳顯平 郵箱： 1 第四章第四章 電感電感式傳感器式傳感器 2 本章課時：4學時 主要內容：變磁阻式/互感式/電渦流式傳感器的結構、工作原理、 重點：三種傳感器的結構、工作原理、輸出特性、測量電路 難點：差動變氣隙式/互感式/電渦流式傳感器的測量電路 掌握：三種傳感器的結構、工作原理、測量電路、等效電路 了解：電感式傳感器的應用、輸出特性 等效電路、測量電路等 第四章第四章 電感電感式傳感器式傳感器 4 4.1 .1 變變磁阻式傳感器磁阻式傳感器 4 4.2 .2 互感互感式傳感器式傳感器 4 4.3 .3 電電渦流式傳感器渦流式傳感器 4.4 4.

2、4 電感式傳感器電感式傳感器應用應用 3 電感式傳感器是利用線圈自感自感（self-inductance of coils ） 或互感互感（mutual inductance of coils）的改變來 實現測量的一種裝置。 電感式傳感器的核心部分是可變的自感或互感，在將被 測量轉換成線圈自感或互感的變化時，一般要利用磁場作 為媒介或利用鐵磁體的某些現象。 概概 述述 4 優(yōu)點：優(yōu)點： 不足：不足：存在交流零存在交流零 位信號，不宜于高位信號，不宜于高 頻動態(tài)測量。頻動態(tài)測量。 重復性好，線性度重復性好，線性度優(yōu)良優(yōu)良; 結構簡單、可靠，測量力結構簡單、可靠，測量力??；??； 分辨力分辨力高；高

3、； 概概 述述 性能穩(wěn)定、重復性好性能穩(wěn)定、重復性好。 5 電感式傳感器 自感式傳感器 互感式傳感器 電渦流式傳感器 電磁電磁 感應感應 自感系數自感系數L L 互感系數互感系數M M 測量測量 電路電路 概概 述述 6 4 4. .1 1 變變磁阻式傳感器磁阻式傳感器 4.1.1 4.1.1 結構和工作原理結構和工作原理 4.1.2 4.1.2 等效電路等效電路 4.1.3 4.1.3 差差動變隙式電感傳感器動變隙式電感傳感器 7 2 m N L R 線圈電感：線圈電感： N - 線圈匝數 Rm- 磁路總磁阻 4.1.1 4.1.1 結構和工作原理結構和工作原理 線圈線圈 鐵芯鐵芯 銜鐵銜鐵

4、 氣隙型電感傳感器氣隙型電感傳感器 8 4.1.1 4.1.1 結構和工作原理結構和工作原理 線圈線圈 鐵芯鐵芯 銜鐵銜鐵 氣隙型電感傳感器氣隙型電感傳感器 總磁阻可以寫為： 鐵芯磁阻 銜鐵磁阻 9 4.1.1 4.1.1 結構和工作原理結構和工作原理 當銜鐵隨外力向上移動當銜鐵隨外力向上移動時時： 當當銜鐵隨外力銜鐵隨外力向向下下移動移動時時： 10 4.1.1 4.1.1 結構和工作原理結構和工作原理 11 4.1.1 4.1.1 結構和工作原理結構和工作原理 當銜鐵隨外力向上移動當銜鐵隨外力向上移動時時： 當當銜鐵隨外力銜鐵隨外力向向下下移動移動時時： 12 靈敏度靈敏度為：為： 4.1

5、.1 4.1.1 結構和工作原理結構和工作原理 13 C L Rc Re Z 4.1.2 4.1.2 等效電路等效電路 14 L 4.1.2 4.1.2 等效電路等效電路 15 差差動式自感傳感器動式自感傳感器 1-1-線圈線圈 2-2-鐵芯鐵芯 3-3-銜鐵銜鐵 4-4-導桿導桿 （a a）變）變氣隙型氣隙型 3 3 1 1 4 4 1 1 2 2 3 34 4 4 （b b）螺）螺管型管型 4.1.3 4.1.3 差動式差動式變隙式電感變隙式電感傳感器傳感器 1. 結構和工作原理結構和工作原理 16 銜鐵銜鐵 R1 R2 L2 L1 E SC U 2 000 01 1 LL 3 0 2 0

6、00 02 1 LL 電感變化量： 差動傳感器電感的總變化量L=L1+L2，表達式為： 0 0 4 0 2 00 021 212 LLLLL 2. 輸出特性輸出特性 17 靈敏度靈敏度： 由此可知由此可知： 差動式變間隙電感傳感器的靈敏度是單線圈 式的兩倍。 2. 輸出特性輸出特性 18 19 2. 輸出特性輸出特性 當銜鐵移動時，一個線圈電感增加，另一個線圈電 感減小，設 1增加，2減小，則電感的總變化量為: 圖為差動式與單線圈電感傳感器非線性特性的比較： 20 2. 輸出特性輸出特性 差動式與單線圈電感式傳感器相比，具有下列優(yōu)點： 線性好； 靈敏度提高一倍，即銜鐵位移相同時，輸 出信號大一

7、倍； 溫度變化、電源波動、外界干擾等對傳感 器精度的影響，能相互抵消而減??； 電磁吸力對測力變化的影響也由于相互抵 消而減小。 3. 測量電路測量電路2. 輸出特性輸出特性 自感式傳感器實現了把被測量的變化轉變?yōu)殡姼辛?的變化。為了測出電感量的變化，同時也為了送入下 級電路進行放大和處理。就要用轉換電路把電感變化 轉換成電壓(或電流)變化。 把傳感器電感接入不同的轉換電路后，原則上可將 電感變化轉換成電壓(或電流)的幅值、頻率、相位的 變化，它們分別稱為調幅調幅、調頻調頻、調相調相電路。 21 測量電路測量電路 2）變壓器變壓器式交流電橋式交流電橋 1）交流電橋交流電橋式式 22 1）交流電橋

8、交流電橋式式 電路結構原理如圖所示： ZL R1 R2 Z2 Z1RS1 RS2 USC E ZL R1 R2 Z2 Z1 L1 L2 RS1 RS2 USC E 23 ZL R1 R2 Z2 Z1 L1 L2 RS1 RS2 USC E 1）交流電橋交流電橋式式 電路結構原理如圖所示： 24 ZL R1 R2 Z2 Z1 L1 L2 RS1 RS2 USC E 1）交流電橋交流電橋式式 25 ZL R1 R2 Z2 Z1 L1 L2 RS1 RS2 USC E 1）交流電橋交流電橋式式 其輸出電壓幅值輸出阻抗 26 ZL R1 R2 Z2 Z1 L1 L2 RS1 RS2 USC E 1）交

9、流電橋交流電橋式式 27 1）交流電橋交流電橋式式 ZL R1 R2 Z2 Z1 L1 L2 RS1 RS2 USC E 其輸出電壓幅值輸出阻抗 28 ZL R1 R2 Z2 Z1 L1 L2 RS1 RS2 USC E 1）交流電橋交流電橋式式 輸出電壓幅值為： 29 1）交流電橋交流電橋式式 30 1）交流電橋交流電橋式式2）變壓器式交流電橋變壓器式交流電橋 2 E 2 E SC U 求出A，B點的電位： 31 2）變壓器式交流電橋變壓器式交流電橋 初始位置： 假如，銜鐵下移： 2 E 2 E SC U 銜鐵上移，同理可求得： 其中輸出阻抗為： 32 2）變壓器式交流電橋變壓器式交流電橋

10、2 E 2 E SC U 由上式可知，當銜鐵向上、向下移動相同的距離時， 產生的輸出電壓大小相等，但極性相反。 變壓器電橋與電阻平衡臂電橋相比，具有元件少， 輸出阻抗小，橋路開路時電路呈線性的優(yōu)點 33 4.2 4.2 互感互感式傳感器式傳感器 4.2.1 4.2.1 基本結構基本結構 4.2.2 4.2.2 工作工作原理原理 4.2.3 4.2.3 等效電路等效電路 4.2.4 4.2.4 測量電路測量電路 34 互感式傳感器是把被測的非電量變化轉換成變 壓器的互感變化 4.2 4.2 互感互感式傳感器式傳感器 變壓器初級線圈輸入交流電壓，次級線圈則互 感出電勢。由于這種傳感器是根據變壓器的

11、基本 原理制成的，且變壓器的次級線圈常接成差動形 式，故又稱為差動變壓器式傳感器。 35 4.2 4.2 互感互感式傳感器式傳感器 差動變壓器結構形式較多，有變隙式、變面積式 和螺線管式等 36 4.2.1 4.2.1 基本結構基本結構 螺線管式差動變壓器主要由一個初級線圈、兩個次級 線圈和插入線圈中央的圓柱形鐵芯等組成 (a) 二節(jié)式 (b) 三節(jié)式 (c) 四節(jié)式 (d) 五節(jié)式 3 1 1 2 1 2 1 1 2 212 1 2 3 1 初級線圈；2 次級線圈；3 銜鐵 37 4.2.2 4.2.2 工作原理工作原理 螺線管式差動變壓器傳感器中的兩個次級線圈反相串聯， 并且在忽略鐵損、導

12、磁體磁阻和線圈分布電容的理想條件 下，其等線圈連接圖如圖所示。 L1 L21 L22 38 L1 L21 L22 4.2.2 4.2.2 工作原理工作原理 39 L1 L21 L22 4.2.2 4.2.2 工作原理工作原理 當鐵芯位于線圈向上移動時 當鐵芯位于線圈向下移動 時： 40 4.2.2 4.2.2 工作原理工作原理 41 差動變壓器輸出電壓的特性曲線 42 4.2.2 4.2.2 工作原理工作原理 減小零點殘余電壓方法： 1 盡可能保證傳感器幾何尺寸、線圈電氣參數和磁路的對稱。磁性 材料要經過處理，消除內部的殘余應力，使其性能均勻穩(wěn)定； 2 選用合適的測量電路（如采用相敏整流電路）

13、，既可判別銜鐵移 動方向又可改善輸出特性，減小零點殘余電壓； 3 采用補償線路減小零點殘余電壓。 4.2.3 4.2.3 等效電路等效電路 L1 R22 L21 M1 M2 L22 R21 R1 1 e 2 e 21 e 22 e 43 當次級開路時，初級線圈的交變電流為： 4.2.3 4.2.3 等效電路等效電路 L1 R22 L21 M1 M2 L22 R21 R1 1 e 2 e 21 e 22 e 次級線圈感應電勢為： 44 空載輸出電壓： 4.2.3 4.2.3 等效電路等效電路 L1 R22 L21 M1 M2 L22 R21 R1 1 e 2 e 21 e 22 e 輸出電壓有效

14、值為： 45 4.2.3 4.2.3 等效電路等效電路 L1 R22 L21 M1 M2 L22 R21 R1 1 e 2 e 21 e 22 e 分三種情況進行分析： 1. 磁芯處于中間平衡位置時 46 2. 磁芯上升時 4.2.3 4.2.3 等效電路等效電路 L1 R22 L21 M1 M2 L22 R21 R1 1 e 2 e 21 e 22 e 分三種情況進行分析： 47 4.2.3 4.2.3 等效電路等效電路 L1 R22 L21 M1 M2 L22 R21 R1 1 e 2 e 21 e 22 e 3. 磁芯下降時 分三種情況進行分析： 48 49 4.2.3 4.2.3 等效

15、電路等效電路 輸出阻抗為： 復阻抗的模為： 從輸出端看進去，差動變壓器可等效為電壓 2和復 阻抗相串聯的電壓源，如圖所示。 4.2.4 4.2.4 測量測量電路電路 差動變壓器輸出的是交流電壓，輸出一個調幅波 電壓表來測量存在下述問題： 總有零位電壓輸出，因而零位附近的小位移量困難 交流電壓表無法判別銜鐵移動方向 實際測量時，常常采用差動整流電路和相敏檢波電路 50 4.2.4 4.2.4 測量測量電路電路 這種電路是把差動變壓器的兩個次級輸出電壓分別 整流，然后將整流的電壓或電流的差值作為輸出 (1) 差動整流電路差動整流電路 51 1 U R02 U (a) x 1 U R0 (b) x

16、T T 2 U 2 U R0 11 a b c d C1 C2 1 U x T 1 42 3 5 6 8 7 9 10 (c) T 1 U x 2 U R0 (d ) （a）半波電壓輸出； （b）半波電流輸出； （c）全波電壓輸出； （d）全波電流輸出 52 4.2.4 4.2.4 測量測量電路電路 (1) 差動整流電路差動整流電路 以電壓輸出型全波差動整流 電路為例來說明其工作原理 R2 R1 a b h g c f d e 1 e 2 e 無論次級線圈的輸出瞬時 電壓極性如何，通過電阻R 的電流總是從c到d。 53 4.2.4 4.2.4 測量測量電路電路 (1) 差動整流電路差動整流電路

17、 R2 R1 a b h g c f d e 1 e 2 e 54 4.2.4 4.2.4 測量測量電路電路 鐵芯在零位以上鐵芯在零位以上鐵芯在零位鐵芯在零位 t t Udc Ugh t U2 Udc t t t Ugh U2 t Udc t Ugh t U2 鐵芯在零位以下鐵芯在零位以下 其波形圖如下： (1) 差動整流電路差動整流電路 55 4.2.4 4.2.4 測量測量電路電路 (1) 差動整流電路差動整流電路 (2) 相相敏檢波電路敏檢波電路 二級管相敏檢波電路結構如圖所示： u1 u2 + R - R D3 D2 D1 D4 R R T1 T2 - + 0U 1 2 U RL 56

18、 u1 u2 + R - R D3 D2 D1 D4 R R T1 T2 - + 0U 1 2 U RL 57 i4i3 u1 u2 + R - R D3 D2 D1 D4 R R T1 T2 - + 0U 1 2 U RL 58 i4i3 u1 u2 + R - R D3 D2 D1 D4 R R T1 T2 - + 0U 1 2 U RL 59 i4i3 u1 u2 + R - R D3 D2 D1 D4 R R T1 T2 - + 0U 1 2 U RL i1i2 60 u1 u2 + R - R D3 D2 D1 D4 R R T1 T2 - + 2 U 0U 1 61 u1 u2 +

19、 R - R D3 D2 D1 D4 R R T1 T2 - + 2 U 0U 1 i4i3 62 u1 u2 + R - R D3 D2 D1 D4 R R T1 T2 - + 2 U 0U 1 i1i2 63 u1 u2 + R - R D3 D2 D1 D4 R R T1 T2 - + 2 U 0U 1 i1i2 4.2.4 4.2.4 測量測量電路電路 64 4.2.4 4.2.4 測量測量電路電路 65 66 分析可知，銜鐵在零位 以上移動時，無論參考 電壓是正半周還是負半 周，在負載上得到 的輸出電壓始終為正。 1和2同相時各部分 電壓與電流的波形如圖 所示。 4.2.4 4.2.

20、4 測量測量電路電路 結結 論論： 67 x0 0 U UL L （a a） x 0 0 U UL L （b b） 4.2.4 4.2.4 測量測量電路電路 經過相敏檢波電路后，正位移輸出正電壓，負位移輸出 負電壓。 特性曲線由圖（a）變 成（b），殘存電壓自殘存電壓自 動消失動消失。 68 4.3 4.3 電電渦流式傳感器渦流式傳感器 電感線圈產生的磁力線經過金屬導體時，金屬導體 就會產生感應電流，該電流的流線呈閉合曲線。 激勵 線圈 金屬 導體 69 4.3 4.3 電電渦流式傳感器渦流式傳感器 渦流式傳感器最大的特點就是能夠對位移、厚度、 表面溫度、電解質濃度、速度、應力、材料損傷等進

21、行非接觸式連續(xù)測量，另外還具有體積小，靈敏度高， 頻率響應很寬等特性,所以應用極其廣泛。 4.3.1 4.3.1 基本基本原理原理 4.3.2 4.3.2 等效電路等效電路 4.3.3 4.3.3 測量電路測量電路 70 4.3.1 4.3.1 基本原理基本原理 1 I 1 H 傳感器激勵線圈 (a) (b) 2 H 2 I 被測金屬導體 傳感器激勵電流 71 4.3.1 4.3.1 基本原理基本原理 1 I 1 H 傳感器激勵線圈 (a) (b) 2 H 2 I 被測金屬導體 傳感器激勵電流 72 4.3.2 4.3.2 等效電路等效電路 MM R R1 1 L L2 2L L1 1 R R

22、2 2 E 2 I 1 I 根據基爾霍夫第二定律，可列出 如下方程： 解析方程式得到： 73 MM R R1 1 L L2 2L L1 1 R R2 2 E 2 I 1 I 74 4.3.2 4.3.2 等效電路等效電路 75 4.3.3 4.3.3 測量測量電路電路 76 頻率計 電壓表 振蕩器 4.3.3 4.3.3 測量測量電路電路 1. 調頻調頻式電路式電路 77 4.3.3 4.3.3 測量測量電路電路 1. 調頻調頻式電路式電路 振蕩頻率為 78 4.3.3 4.3.3 測量測量電路電路 1. 調頻調頻式電路式電路2. 調幅調幅式電路式電路 晶體振蕩器晶體振蕩器 L LC C 輸出

23、輸出 放大放大檢波檢波濾波濾波 R R 79 80 并聯回路諧振頻率的偏移如圖 所示。當被測導體為 軟磁材料時，由于增大導致諧振頻率下降（向左偏 移）。當被測導體為非軟磁材料時則反之（向右偏移）。 4.4 4.4 電感式傳感器的應用電感式傳感器的應用 電感式傳感器種類很多，一般分為自感式和 互感式兩大類 習慣上講的電感式傳感器通常指自感式傳感器， 而互感式傳感器由于是利用變壓器原理，又往往 做成差動形式，所以常稱為差動變壓器式傳感器。 81 4.4 4.4 電感式傳感器的應用電感式傳感器的應用 1. 變隙電感式壓力傳感器變隙電感式壓力傳感器 線圈 鐵芯 銜鐵 膜盒 P U A 當壓力進入膜盒時，膜盒的 頂端在壓力P的作用下產生與 壓力P大小成正比的位移，于 是銜鐵也發(fā)生移動， 從而使氣 隙發(fā)生變化