第5章-電感式傳感器

1、第第5章章 電感式傳感器電感式傳感器5.1 概述概述5.2 自感式傳感器自感式傳感器5.3 差動變壓器式傳感器差動變壓器式傳感器5.4 電渦流式傳感器電渦流式傳感器5.5 電感式傳感器測量電路電感式傳感器測量電路5.6 應用應用工作原理5.1概述概述電感式不圓度測量系統(tǒng)外形電感式不圓度測量系統(tǒng)外形（參考（參考洛陽匯智測控技術有限公司資料）洛陽匯智測控技術有限公司資料）旋轉盤旋轉盤測量頭測量頭利用電磁感應原理將被測非電量利用電磁感應原理將被測非電量轉換成線圈自感系數(shù)轉換成線圈自感系數(shù)L L的變化，再由測的變化，再由測量電路轉換為電壓或電流的變化量輸出，量電路轉換為電壓或電流的變化量輸出，這種裝置

2、稱為自感式傳感器，也稱為變這種裝置稱為自感式傳感器，也稱為變磁阻式傳感器。磁阻式傳感器。1.1.工作原理工作原理線圈線圈鐵芯鐵芯銜鐵銜鐵結構：結構：線圈、鐵芯和銜鐵三部分線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵由導磁材料如硅鋼片組成。鐵芯和銜鐵由導磁材料如硅鋼片或坡莫（鐵鎳）合金制成，在鐵芯和銜或坡莫（鐵鎳）合金制成，在鐵芯和銜鐵之間有氣隙，氣隙厚度為鐵之間有氣隙，氣隙厚度為，傳感器，傳感器的運動部分與銜鐵相連。的運動部分與銜鐵相連。5.2 自感式（變磁阻式）傳感器 氣隙變小，電感變大，電流變小F F自感式傳感器的工作原理演示 式中：式中：N -N -線圈匝數(shù)線圈匝數(shù) R RM M - -磁路總

3、磁阻磁路總磁阻MRIN（磁路歐姆定律）（磁路歐姆定律）線圈自感為線圈自感為: :MMRNRINININIL2線圈線圈鐵芯鐵芯銜鐵銜鐵000022211122SSSlSlRM 若若 很小，且不考慮磁路鐵損，則磁路總磁阻為很小，且不考慮磁路鐵損，則磁路總磁阻為: :鐵芯磁導率遠大于空氣鐵芯磁導率遠大于空氣的磁導率，因此鐵芯磁的磁導率，因此鐵芯磁阻遠較氣隙磁阻小阻遠較氣隙磁阻小則則線圈自感線圈自感L L為為：分類：分類：變氣隙厚度變氣隙厚度0的電感式傳感器；的電感式傳感器；變氣隙面積變氣隙面積S S0 0的電感式傳感器；的電感式傳感器；202SNL MMRNRINININIL20002 .2 .變磁

4、阻式傳感器基本類型變磁阻式傳感器基本類型（1）變氣隙式（閉磁路）自感傳感器）變氣隙式（閉磁路）自感傳感器MRIN l0線圈線圈鐵芯鐵芯銜鐵銜鐵l0022lSNL設初始氣隙長度為設初始氣隙長度為l0，初始電感量為，初始電感量為L0，銜鐵位移引起的氣隙變化量為銜鐵位移引起的氣隙變化量為l0，則由，則由電感量表達式可知電感量表達式可知L與與l0為為非線性非線性關系，關系，特性曲線如圖所示。特性曲線如圖所示。變氣隙式自感式傳感器變氣隙式自感式傳感器L與與l0關系關系初始電感量為：初始電感量為：02002SNL 若銜鐵下移若銜鐵下移： = 0+ 2200000002()2SNSNLLLL 自感的相對變化

5、量為：自感的相對變化量為： 000011LL則電感減小，變化量為則電感減小，變化量為LL：一般一般10 ，則上式可由泰勒級數(shù)展開成級數(shù)形式為，則上式可由泰勒級數(shù)展開成級數(shù)形式為 .13020000LL忽略高次項，可得自感變化與氣隙變化成忽略高次項，可得自感變化與氣隙變化成近似線性關系近似線性關系： 00LL 變氣隙式自感傳感器的靈敏度為：變氣隙式自感傳感器的靈敏度為：001LLK靈敏度靈敏度K K隨初始氣隙的增大而減小。隨初始氣隙的增大而減小。因此變隙式常用于測量微小位移的場合，因此變隙式常用于測量微小位移的場合， 變氣隙型電感傳感器為了減小非線性誤差變氣隙型電感傳感器為了減小非線性誤差, ,

6、 實際測量中廣泛實際測量中廣泛采用采用差動變氣隙式電感傳感器差動變氣隙式電感傳感器，采用兩個電氣參數(shù)和幾何尺寸完，采用兩個電氣參數(shù)和幾何尺寸完全相同的傳感線圈共用一個銜鐵來構成。全相同的傳感線圈共用一個銜鐵來構成。 sUL1L2RoRooU122131鐵芯；2線圈；3銜鐵附圖附圖 差動變氣隙型電感傳感器差動變氣隙型電感傳感器變氣隙式電感傳感器位移行程很小，一般變氣隙式電感傳感器位移行程很小，一般 0l l=0.10.2 差動式：差動式： l=2mm， l=0.20.4mm 較大行程位移測量，常用的螺管式電感傳感器較大行程位移測量，常用的螺管式電感傳感器如果采用差動變隙型電感傳感器，則靈敏度提高

7、一倍。如果采用差動變隙型電感傳感器，則靈敏度提高一倍。 螺管型電感傳感器螺管型電感傳感器（2）螺管式自感（開磁路）傳感器）螺管式自感（開磁路）傳感器傳感器工作時，銜鐵在線圈中伸入長度的變化將引起螺管線圈電感傳感器工作時，銜鐵在線圈中伸入長度的變化將引起螺管線圈電感量的變化。量的變化。對于長螺管線圈對于長螺管線圈l lrr，當銜鐵工作在螺管的中部時，可以認為線圈，當銜鐵工作在螺管的中部時，可以認為線圈內磁場強度是均勻的，線圈電感量內磁場強度是均勻的，線圈電感量L L與銜鐵的插入深度大致上成正比。與銜鐵的插入深度大致上成正比。這種傳感器結構簡單，制作容易，靈敏度較低，適用這種傳感器結構簡單，制作容

8、易，靈敏度較低，適用于測量較大的位移量。于測量較大的位移量。rx螺管線圈螺管線圈鐵芯鐵芯l012(coscos)2BWIl12, 載流螺線管在軸線上任一點載流螺線管在軸線上任一點P（P點位移為點位移為x）處產生的磁場，根）處產生的磁場，根據(jù)圖和據(jù)圖和畢奧畢奧沙伐爾沙伐爾拉普拉斯定律拉普拉斯定律(簡稱畢簡稱畢沙拉拉定律)可得可得式中，式中，l螺管長；螺管長；W線圈總匝數(shù)；線圈總匝數(shù)；I線圈電流強度；線圈電流強度；P P點至兩端點連線與軸線的夾角點至兩端點連線與軸線的夾角；122cosxxr222cos()lxlxr ；r螺管內徑。螺管內徑。 假設假設 , 則可認為則可認為B值沿徑向均勻分布，且沿

9、軸向值沿徑向均勻分布，且沿軸向B隨隨x變化，這變化，這樣，當樣，當P點位于軸線上不同位置時，其點位于軸線上不同位置時，其B值也不同，為計算方便，取其值也不同，為計算方便，取其平均值，即平均值，即rl22001220011coscos()2llCPWIWIBBdxdxrlrllll當線圈空心時，其當線圈空心時，其電感值電感值為為22222002()C PW BrWrWLrlrIIIl當當rl，上式可近似為，上式可近似為2200WrLl222202()mcFecccWrLrlrl 2222222002()()FecmcccWLLLrrlrrrlrlrlccrl22202()cm cWLr lrll

10、當半徑為當半徑為rc，磁導率為，磁導率為m的鐵心插入螺管線圈時，的鐵心插入螺管線圈時，插入部分的磁阻下降，插入部分的磁阻下降，磁感應強度磁感應強度B值增大，從而使電感值增加值增大，從而使電感值增加。根據(jù)以上求法可以求得當運動鐵心插入線圈內長度為根據(jù)以上求法可以求得當運動鐵心插入線圈內長度為lc時，電感值為時，電感值為此時，螺管內電感總量為此時，螺管內電感總量為當當 , ,，上式可近似為，上式可近似為 當傳感器的結構和材料確定以后，式中只有當傳感器的結構和材料確定以后，式中只有l(wèi)c為變量，即為變量，即L=f(lc)，（近似線性關系）所以當鐵心隨外作用產生不同（近似線性關系）所以當鐵心隨外作用產生

11、不同lc時，就有相應的電感時，就有相應的電感值值L。2222002()WrLrlrl因此，線圈空心時，其電感值為因此，線圈空心時，其電感值為 由螺管型單極式自感傳感器的工作原理可知，由于由螺管型單極式自感傳感器的工作原理可知，由于線圈線圈電流電流的存在，運動鐵心受到單向電磁力的作用，而且線圈電的存在，運動鐵心受到單向電磁力的作用，而且線圈電感量易受電源電壓和頻率及溫度變化等因素的影響，測量精感量易受電源電壓和頻率及溫度變化等因素的影響，測量精度較低。因此，為了度較低。因此，為了改善靈敏度及線性度，提高測量精度改善靈敏度及線性度，提高測量精度，常采用差動技術以改善其性能，由兩個單一結構的對稱組合

12、常采用差動技術以改善其性能，由兩個單一結構的對稱組合就構成了螺管型差動式自感傳感器。就構成了螺管型差動式自感傳感器。 螺線管差動式自感傳感器螺線管差動式自感傳感器螺管型差動式自感傳感器由于由于組合的兩個螺線管是對稱的組合的兩個螺線管是對稱的，設初始時鐵心位于中央位置，因此設初始時鐵心位于中央位置，因此鐵心兩邊的初始電感是相等的，為鐵心兩邊的初始電感是相等的，為222010202()cm cWLLLr lrll當鐵心由中間位置當鐵心由中間位置向右移動向右移動l lc c后，將使后，將使右邊電感增加而左邊電感減少右邊電感增加而左邊電感減少，即它們的，即它們的電感值分別為電感值分別為 222012(

13、)cmccWLr lrlll 222022()cmccWLr lrlll 螺管型差動式自感傳感器可以推導，每邊的可以推導，每邊的靈敏度靈敏度：因此，要使初始電感因此，要使初始電感L10和和L20 增大，必使增大，必使lc和和rc增增大，但從靈敏度來看，大，但從靈敏度來看，lc的增大又使靈敏度降低，的增大又使靈敏度降低，兩者是矛盾的，綜合考慮通常取兩者是矛盾的，綜合考慮通常取lc=l/2。 222010202()cm cWLLLr lrllK=(L0-L1)/l/cKL l0(5.8)5.3 5.3 互感式互感式( (變壓器式變壓器式) )傳感器傳感器 應用最多的是螺線管式互感傳感器應用最多的是

14、螺線管式互感傳感器, 它可以測量它可以測量1100mm范范圍內的機械位移。圍內的機械位移。 互感式傳感器：互感式傳感器：把被測的非電量變化轉換為線圈互感量變化的把被測的非電量變化轉換為線圈互感量變化的傳感器。該傳感器工作原理很象變壓器的工作原理，次級繞組傳感器。該傳感器工作原理很象變壓器的工作原理，次級繞組采用差動形式連接采用差動形式連接, 故又稱故又稱變壓器式傳感器變壓器式傳感器。 結構形式：結構形式：1 1 初級線圈初級線圈;2.3;2.3次級線圈次級線圈;4;4銜鐵銜鐵4123螺管型螺管型 基本元件有銜鐵、初級線圈、次級線圈和線圈框架等。初級線圈作為差動變壓器激勵用，相當于變壓器的原邊，

15、而次級線圈由結構尺寸和參數(shù)相同的兩個線圈反相串接而成，相當于變壓器的副邊。兩個次級繞組反向串聯(lián)，在忽略鐵損、導磁體磁阻和繞組分布電容的理想條件下，螺管型互感式傳感器等效電路如圖所示。根據(jù)互感知識，輸出電壓：根據(jù)互感知識，輸出電壓：222abUEE12222,0abMMEEU銜鐵處于中間位置銜鐵處于中間位置銜鐵左移銜鐵左移銜鐵右移銜鐵右移12222,0abMMEEU12222,0abMMEEU即隨著銜鐵即隨著銜鐵偏離中心位置的偏離中心位置的xx變變化，互感式傳感器的化，互感式傳感器的輸出電壓輸出電壓也將也將發(fā)生變化。發(fā)生變化。 理想情況下當鐵心位于中心平衡理想情況下當鐵心位于中心平衡位置時，差動

16、變壓器輸出電壓應為零，位置時，差動變壓器輸出電壓應為零，但實際上存在有零點殘余電壓但實際上存在有零點殘余電壓 U U0 0，必須必須設法減小。設法減小。根據(jù)電磁感應定律，次級繞組中感應電動勢的表達式分別為根據(jù)電磁感應定律，次級繞組中感應電動勢的表達式分別為 1111jUIrL當次級開路時當次級開路時112IMjEa122IMjEb在兩個次級繞組反向串聯(lián)和次級開路的條件下在兩個次級繞組反向串聯(lián)和次級開路的條件下11121222)(LjrUMMjEEUba12122211()()MMUUrL輸出電壓的有效值輸出電壓的有效值 注意問題：(2)(2)線性度線性度一般差動變壓器的線性范圍約為線圈骨架長度

17、的一般差動變壓器的線性范圍約為線圈骨架長度的1/101/4。(3)(3)溫度特性溫度特性差動變壓器的使用溫度通常為差動變壓器的使用溫度通常為8080（1 1）應用時激磁頻率一般在）應用時激磁頻率一般在400Hz400Hz到到5kHz5kHz的范圍內選擇的范圍內選擇 。 隨著頻率的變化，實際上不只是靈敏度而且線性度也要受到影響。如果希望有良好的線性度，對某一激磁頻率，必須相應選擇適的鐵芯長度。v根據(jù)法拉第電磁感應原理，成塊的金屬置于變化的磁場中，或者在磁場中作切割磁力線運動時，金屬導體內就要產生呈渦旋狀的感應電流，感應電流的流線在金屬導體內是閉合的，所以稱為電渦流，這種現(xiàn)象稱為電渦流效應。根據(jù)電

18、渦流效應制成的傳感器稱為電渦流式傳感器。 5.4 電渦流式傳感器電渦流式傳感器目前生產的變間隙位移傳感器，量程范圍為300800mm。電磁爐的工作原理電磁爐的工作原理 高頻電流通過勵高頻電流通過勵磁線圈，產生交變磁磁線圈，產生交變磁場，在鐵質鍋底會產場，在鐵質鍋底會產生無數(shù)的電渦流，使生無數(shù)的電渦流，使鍋底發(fā)熱，燒開鍋鍋底發(fā)熱，燒開鍋 內內 食食 物。物。電磁爐內部的勵磁線圈電磁爐內部的勵磁線圈v電渦流傳感器結構很簡單，由傳感器線圈和被測金屬導體兩部分組成。 高頻電流線圈靠近被測金屬，線圈上的高頻電流所產生的高頻電磁場在金屬表面上產生電渦流。線圈通入交變電流I1，在線圈的周圍產生交變的磁場H1

19、位于該磁場中的金屬導體上產生感應電動勢并形成渦流I2渦流I2也產生相應的磁場H2，H2與H1方向相反H H2 2的作用的作用引起線圈等效阻抗、等效電感和品質因素等發(fā)生相應的變引起線圈等效阻抗、等效電感和品質因素等發(fā)生相應的變化。化。 電渦流傳感器原理圖電渦流傳感器原理圖3.3.1 3.3.1 工作原理工作原理v其中，傳感器線圈受電渦流效應時等效阻抗Z的函數(shù)關系式為Z=F (,r,f,x)，線圈等效阻抗的變化反映了金屬導體的渦流效應。 如果保持上式中其它參數(shù)不變，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轉換電路測出阻抗Z的變化量，即可實現(xiàn)對該參數(shù)的測量，

20、從而構成測量該參數(shù)的傳感器。v常用的常用的電渦流測距傳感器，電渦流測距傳感器，即是在即是在（金屬電阻率），（金屬電阻率），（金屬磁導率），（金屬磁導率），r（金屬厚度），（金屬厚度），I（勵磁電流），（勵磁電流），f（勵（勵磁頻率）恒定不變時，阻抗僅是距離磁頻率）恒定不變時，阻抗僅是距離x的單值函數(shù)。的單值函數(shù)。R1、L1為傳感器線圈的電阻和電感；為傳感器線圈的電阻和電感；短路線圈電阻為短路線圈電阻為R2、電感為、電感為L2；由于傳感器線圈與金屬導體之間存在磁性聯(lián)系，故它們間存在互感由于傳感器線圈與金屬導體之間存在磁性聯(lián)系，故它們間存在互感M，互感隨線圈與金屬導體間距離的減小而增大?；ジ须S線圈

21、與金屬導體間距離的減小而增大。11傳感器線圈；傳感器線圈；22電渦流短路線電渦流短路線圈圈 電渦流式傳感器等效電路電渦流式傳感器等效電路 簡化模型及等效電路簡化模型及等效電路根據(jù)等效電路可列出電路方程組：根據(jù)等效電路可列出電路方程組： 解方程組，可得線圈復阻抗：解方程組，可得線圈復阻抗： 線圈的等效電感：線圈的等效電感：22222221)( LRMLLL等),(xffZ111121222210R IjL IjM IUR IjL IjM I因此，電渦流傳感器的工作原理，因此，電渦流傳感器的工作原理，實際上是由于受到交變磁場實際上是由于受到交變磁場作用的導體產生的電渦流起到調整線圈原來阻抗作用的結

22、果。作用的導體產生的電渦流起到調整線圈原來阻抗作用的結果。為同時研究阻抗實、虛兩部分，常用品質因數(shù)為同時研究阻抗實、虛兩部分，常用品質因數(shù)Q來表示。來表示。222211212eqeq222222221()()UMMZRRjLLRj LRLRLI110LjRZ222222221RLRMRReq222222221LLRMLLeq可見：因渦流效應，等效阻抗Z的實部增大，虛部減少，即等效的品質因素Q減小。說明電渦流將消耗電能，在導體上產生熱量。品質因素：線圈質量參數(shù)Q=L/R，Q越大線圈損耗越小，反之損耗越大2222222122222221.)()(LLRMLjRLRMRIUZ111 5.5 電感式傳

23、感器的測量電路電感式傳感器的測量電路 電感式傳感器實現(xiàn)了把被測量的變化為電感量的變化。電感式傳感器實現(xiàn)了把被測量的變化為電感量的變化。為了測出電感量的變化，就要用轉換電路把電感量的變化轉為了測出電感量的變化，就要用轉換電路把電感量的變化轉換成電壓（或電流）的變化。換成電壓（或電流）的變化。1.電感式傳感器的測量電路（1）脈沖調寬式測量電路（參見第4章電容式傳感器）（2）交流電橋電路）交流電橋電路2.差動變壓器式傳感器的測量電路 （3）精密）精密2極管檢波電路極管檢波電路3.電渦流式傳感器的測量電路 （4）調頻式（參見第4章電容式傳感器） （5）調幅式）調幅式圖中圖中B B點的電壓為點的電壓為：

24、2BEU 212AZUEZZ圖中圖中A A點的電壓為點的電壓為：輸出電壓：輸出電壓：201212ABZUUUEZZ討論：討論：（1 1）當鐵芯處于中間位置時，）當鐵芯處于中間位置時，Z Z1 1=Z=Z2 2=Z=Z，這時，這時U U0 0=0,=0,電橋平衡；電橋平衡；（2 2）當鐵芯向下移動時，下面線圈的阻抗增加，）當鐵芯向下移動時，下面線圈的阻抗增加，Z Z2 2=Z+Z=Z+Z，上面線圈的阻，上面線圈的阻抗減小，抗減小，Z Z1 1=Z-Z=Z-Z得：得：12222SOSRjLZZZEUEEZZRj L （2）交流電橋電路）交流電橋電路（3 3）當鐵芯向上移動同樣大小的距離時，）當鐵芯

25、向上移動同樣大小的距離時，Z Z2 2=Z-Z, Z=Z-Z, Z1 1=Z+Z=Z+Z，得：，得： 01222ZZEZUEZZ 幅值為：幅值為：222222222SOSSLRLUEERLRL 輸出電壓幅值為輸出電壓幅值為:ELRLUsO222（2 2）、（）、（3 3）兩種情況的輸出電壓大小相等，方向相反，由于）兩種情況的輸出電壓大小相等，方向相反，由于E E是交流電是交流電壓，難以區(qū)分，所以輸出電壓壓，難以區(qū)分，所以輸出電壓U U0 0在輸入到指示器前必須先進行整流、濾在輸入到指示器前必須先進行整流、濾波。波。 當當L Rs時，時，U0= 浮 子鐵 芯液 罐 銜鐵中間位置銜鐵中間位置21L

26、L HGUU 銜鐵上移銜鐵上移L1增大，自感電動勢增加；增大，自感電動勢增加；L2減小，自感電動勢減少。減小，自感電動勢減少。 正半周正半周E點電勢高，點電勢高，F(xiàn)點低點低通路通路EJGF，UG降低降低通路通路EKHF，UH升高升高HGUU 負半周負半周F點電勢高，點電勢高，E點低點低通路通路EJHF，UG降低降低通路通路EKGF，UH升高升高HGUU 結論：無論是正半周還是負半周，結論：無論是正半周還是負半周，銜鐵上移時銜鐵上移時UGUH。銜鐵下移時，銜鐵下移時，UGUH;銜鐵上移時，銜鐵上移時，UGUH。通過相敏檢波電路輸出電壓的通過相敏檢波電路輸出電壓的正負可判斷銜鐵位移的方向。正負可判斷銜鐵位移的方向。相敏檢波電路輸出電壓的大小和正負判斷銜鐵位移的大小和方向。相敏檢波電路輸出電壓的大小和正負判斷銜鐵位移的大小和方向。 （3）精密）精密2極管檢波電路極管檢波電路v課本107頁 圖5.19由精密整流電路，濾波器和加法器組成。當當vi 0時，運放的輸出電壓時，運放的輸出電壓Vo為負，二極管為負，二極管D2截止，截止，D1導通，輸出電壓導通，輸