電感式傳感器基本的原理和其應(yīng)用

1、電感式傳感器基本的原理和其應(yīng)用概述3.2 自感式傳感器差動變壓器式傳感器電渦流式傳感器 概述1.電感式傳感器的定義利用電磁感應(yīng)原理將被測非電量轉(zhuǎn)換成線圈自感系數(shù) 或互感系數(shù) 的變化，再由測量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出，這種裝置稱為電感式傳感器。電磁感應(yīng) 被測非電量自感系數(shù)L互感系數(shù)M測量電路 U、I、f2.電感式傳感器的分類電感式傳感器可分為自感式傳感器、差動變壓式傳感器和電渦流傳感器三種類型。3.2 自感式傳感器自感式傳感器的結(jié)構(gòu) 自感式傳感器由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。鐵芯與銜鐵由硅鋼片或坡莫合金等導磁材料制成。自感式傳感器結(jié)構(gòu)圖自感式傳感器的工作原理 自感式傳感器是把被測量變化轉(zhuǎn)

2、換成自感L的變化，通過一定的轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓或電流輸出。傳感器在使用時，其運動部分與動鐵心（銜鐵）相連，當動鐵芯移動時，鐵芯與銜鐵間的氣隙厚度 發(fā)生改變，引起磁路磁阻變化，導致線圈電感值發(fā)生改變，只要測量電感量的變化，就能確定動鐵芯的位移量的大小和方向。自感式傳感器的工作原理示意圖當線圈匝數(shù)N為常數(shù)時，電感L僅僅是磁路中磁阻的函數(shù)，只要改變 或S均可導致電感變化。因此變磁阻式傳感器又可分為變氣隙 厚度的傳感器和變氣隙面積S的傳感器。變氣隙式自感傳感器結(jié)構(gòu)線圈鐵心銜鐵由于可得：磁路的總磁阻可表示為：近似計算出線圈的電感量為：當鐵芯的結(jié)構(gòu)和材料確定后，自感L是氣隙厚度 和氣隙磁通截面積S的函數(shù),

3、即 。如果S保持不變，則L為 的單值函數(shù)，可構(gòu)成變氣隙型自感傳感器；如果保持 不變，使S隨位移而變，則可構(gòu)成變截面型自感傳感器；如果在線圈中放入圓柱形銜鐵，當銜鐵上下移動時，自感量將相應(yīng)變化，就構(gòu)成了螺線管型自感傳感器。變面積式自感傳感器：靈敏度為：由于漏感等原因，其線性區(qū)范圍較小，靈敏度也較低，因此，在工業(yè)中應(yīng)用得不多。銜鐵鐵芯線圈變面積式自感傳感器結(jié)構(gòu)lrx2ra線圈銜鐵螺管型電感傳感器螺管式自感傳感器：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量的變化。對于長螺管線圈lr，當銜鐵工作在螺管的中部時，可以認為線圈內(nèi)磁場強度是均勻的，線圈電感量L與銜鐵的插入深度l大致上成正比

4、。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單，制作容易，靈敏度較低，適用于測量較大的位移量。電感式傳感器的特點：（1）結(jié)構(gòu)簡單：沒有活動的電觸點，壽命長。（2）靈敏度高：輸出信號強，電壓靈敏度每毫米能達到上百毫伏。（3）分辨率大：能感受微小的機械位移與微小的角度變化。（4）重復性與線性度好：在一定位移范圍內(nèi)，輸出特性的線性度好，輸出穩(wěn)定。（5）電感式傳感器的缺點是存在交流零位信號，不適宜進行高頻動態(tài)測量。差動式自感傳感器 由于線圈中通有交流勵磁電流，因而銜鐵始終承受電磁吸力，會引起振動和附加誤差，而且非線性誤差較大。外界的干擾、電源電壓頻率的變化、溫度的變化都會使輸出產(chǎn)生誤差。在實際使用中，常采用兩個相同的傳感線圈共

5、用一個銜鐵，構(gòu)成差動式自感傳感器，兩個線圈的電氣參數(shù)和幾何尺寸要求完全相同。這種結(jié)構(gòu)除了可以改善線性、提高靈敏度外，對溫度變化、電源頻率變化等的影響也可以進行補償，從而減少了外界影響造成的誤差，可以減小測量誤差。1.差動式自感傳感器的結(jié)構(gòu) (a)變氣隙式； （b）變面積式； （c）螺管式差動式自感傳感器三種形式的差動式自感傳感器以變氣隙厚度式電感傳感器的應(yīng)用最廣。變氣隙式差動式自感傳感器結(jié)構(gòu)剖面圖2.差動式自感傳感器的特點 自感系數(shù)特性曲線如圖所示。自感系數(shù)特性曲線圖2.差動式自感傳感器的特點 差動氣隙式電感傳感器由兩個相同的電感線圈1、2和磁路組成。測量時，銜鐵通過測桿與被測位移量相連，當被

6、測體上下移動時，導桿帶動銜鐵也以相同的位移上下移動，使兩個磁回路中磁阻發(fā)生大小相等，方向相反的變化，導致一個線圈的電感量增加，另一個線圈的電感量減小，形成差動形式。差動式與單線圈電感式傳感器相比，具有以下優(yōu)點。（1）線性度高。（2）靈敏度高，即銜鐵位移相同時，輸出信號大一倍。（3）溫度變化、電源波動、外界干擾等對傳感器精度的影響，由于能互相抵消而減小。（4）電磁吸力對測力變化的影響也由于能相互抵消而減小。電感式傳感器的測量電路 自感式傳感器實現(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(zhuǎn)換電路把電感量的變化轉(zhuǎn)換成電壓（或電流）的變化，最常用的轉(zhuǎn)換電路有調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相電路。

7、1.調(diào)幅電路 （1）變壓器電路 圖3-8所示為變壓器電橋， 和 為傳感器兩個線圈的阻抗，另兩臂為電源變壓器二次側(cè)線圈的兩半，每半的電壓為 。（1）變壓器電橋電路變壓器電橋變壓器式電橋如圖所示，它的平衡臂為變壓器的兩個二次側(cè)繞組，當負載阻抗無窮大時輸出電壓為： UU/2U/2U0Z1Z2當銜鐵下移時，Z1=Z-Z，Z2=Z+Z，則有：同理，當銜鐵上移時，有：當銜鐵處于中間位置時，L1=L2=L0，Z1=Z2=Z0，此時橋路平衡，輸出電壓U0=0。輸出電壓反映了傳感器線圈阻抗的變化，由于是交流信號，實際上無法判別輸出的相位和位移的方向。（2）相敏檢波電路 帶相敏整流的電橋電路輸出電壓經(jīng)相敏檢波可以

8、反映出位移的大小和方向。VD4VVD1VD2VD3R1R2U0UZ1Z2當差動式自感電感傳感器處于中間位置時，Z1=Z2=Z，輸出電壓U0為零。當銜鐵移動使Z1增加，則Z2減小，當電源U上正下負時，電阻R2上的壓降大于R1上的壓降。帶相敏整流的電橋電路VD4VVD1VD2VD3R1R2U0UZ1Z2當電源U下正上負時，電阻R1上的壓降大于R2上的壓降，則電壓表有輸出，輸出電壓下正上負。反之，當Z2增加，Z1減小時，U上正下負，R1上壓降大于R2上壓降。U上負下正時，R2上壓降大于R1上壓降，電壓表也有輸出，輸出電壓上正下負。（3）調(diào)頻電路 調(diào)頻電路的基本原理是：傳感器電感的變化引起輸出電壓頻率

9、f的變化。一般把傳感器電感線圈L和一個固定電容C接入一個振蕩電路中，其振蕩頻率為：當L變化時，振蕩頻率隨之變化，根據(jù)f的大小即可測出被測量的值。f和L的特性曲線具有嚴重的非線性關(guān)系，要求后續(xù)電路做適當線性化處理。（4）調(diào)相電路 調(diào)相電路的基本原理是，傳感器電感的變化將引起輸出電壓相位 的變化。電感式傳感器的應(yīng)用電路1.電感式滾柱直徑分選裝置電感式滾柱直徑分選裝置實物電感式滾柱直徑分選裝置結(jié)構(gòu)原理 2. 變氣隙式差動電感壓力傳感器變氣隙式差動電感壓力傳感器主要由C形彈簧管、銜鐵、鐵芯和線圈等組成。變氣隙式差動電感壓力傳感器 3.其他應(yīng)用 電感式傳感器還可以應(yīng)用于磨加工主動測量、測量長度位移量和制

10、做電子測微儀。 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，把被測位移量轉(zhuǎn)換為一次線圈與二次線圈間的互感量變化的裝置。當一次線圈接入激勵電源后，二次線圈就將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，當兩者間的互感量變化時，感應(yīng)電動勢也相應(yīng)變化。由于兩個二次線圈采用差動接法，故稱為差動變壓器式傳感器，簡稱差動變壓器。利用電磁感應(yīng)原理將被測非電量轉(zhuǎn)換成線圈自感系數(shù)或互感系數(shù)的變化，再由測量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出，這種裝置稱為電感式傳感器。差動變壓器的結(jié)構(gòu) 差動變壓器結(jié)構(gòu)形式較多，有變隙式、變面積式和螺線管線等。a、b兩種結(jié)構(gòu)的差動變壓

11、器，銜鐵均為板形，靈敏度高，測量范圍則較窄，一般用于測量幾微米到幾百微米的機械位移。對于位移在1mm至上百毫米的測量，常采用圓柱形銜鐵的螺管型差動變壓器，如c、d兩種結(jié)構(gòu)。e、f兩種結(jié)構(gòu)是測量轉(zhuǎn)角的差動變壓器，通?？蓽y到幾秒的微小位移。非電量測量中，應(yīng)用最多的是螺線式差動變壓器，它可以測量范圍內(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。(e)、(f) 變截面式差動變壓器 (a)、(b) 變間隙式差動變壓器(c)、(d) 螺線管式差動變壓器差動變壓器的工作原理差動變壓器的結(jié)構(gòu)由鐵芯、銜鐵和線圈三部分組成。其結(jié)構(gòu)雖有很多形式，但其工作原理基本相同。差動變壓器上下兩只鐵芯均有

12、一個初級線圈1和一個次級線圈2。上下兩只初級線圈串聯(lián)后接交流激勵電壓，兩只次級線圈則按電勢反相串接。螺管型差動變壓器根據(jù)初、次級排列不同有二節(jié)式、三節(jié)式、四節(jié)式和五節(jié)式等形式。圖4.12 差動變壓器線圈各種排列形式1 一次線圈；2 二次線圈；3 銜鐵(a) 二節(jié)式 (b) 三節(jié)式 (c) 四節(jié)式 (d) 五節(jié)式311212112212123三節(jié)式的零點電位較小，二節(jié)式比三節(jié)式靈敏度高、線性范圍大，四節(jié)式和五節(jié)式改善了傳感器線性度。三段式螺管差動變壓器結(jié)構(gòu)示意圖將兩個匝數(shù)相等的次級繞組的同名端反向串聯(lián)，當初級繞組加以激磁電壓時，根據(jù)變壓器的作用原理在兩個次級繞組和中就會產(chǎn)生感應(yīng)電勢;如果工藝上保

13、證變壓器結(jié)構(gòu)完全對稱，則當活動銜鐵處于初始平衡位置時，輸出電壓為零。當活動銜鐵向某一個次級線圈方向移動時，則該次級線圈內(nèi)磁通增大，使其感應(yīng)電勢增加，差動變壓器有輸出電壓，其數(shù)值反映了活動銜鐵的位移。差動變壓器的等效電路U1L21U2L22E22E21R22R21R1M1M2螺線管式差動變壓器等效電路如圖，二次線圈開路時，一次線圈的電流為：二次繞組的感應(yīng)動勢為為：其有效值為：輸出阻抗為：三段式螺管差動變壓輸出電壓曲線如圖所示。差動變壓器輸出電壓曲線差動變壓器的測量電路 差動變壓器的輸出電壓是調(diào)幅波，為辨別銜鐵的移動方向，要進行解調(diào)。常用解調(diào)電路有：差動相敏檢波與差動整流電路。采用解調(diào)電路還可以消

14、除零位電壓。1.差動相敏檢波電路 差動相敏檢波的形式很多，相敏檢波電路要求參考電壓與差動變壓器次級輸出電壓的頻率相同，相位相同或相反；因此常接入移相電路。為了提高檢波效率，參考電壓幅值取為信號的。差動相敏檢波電路 移相器RP差動變壓器的測量電路 2.差動整流電路 差動整流電路簡單，不需參考電壓，不需要考慮相位調(diào)整和零位電壓影響，對感應(yīng)和分布電容影響不敏感。經(jīng)差動整流后變成直流輸出便于遠距離輸送。全波整流電路和波形圖(a)e1RRcabhgfdeUSC銜鐵在零位以下eabttteabttteabtecdtUSCtecdUSCUSCecd銜鐵在零位以上銜鐵在零位(b)差動整流電路根據(jù)半導體二級管單

15、向?qū)ㄔ磉M行解調(diào)的。如傳感器的一個次級線圈的輸出瞬時電壓極性，在f點為“”，e點為“”，則電流路徑是fgdche（參看圖a）。反之，如f點為“”，e點為“”，則電流路徑是ehdcgf?？梢?，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d到c。同理可分析另一個次級線圈的輸出情況。輸出的電壓波形見圖（b），其值為USC=eabecd。差動變壓器的應(yīng)用電路 差動變壓器式傳感器可以直接用于位移測量，也可測量與位移有關(guān)的任何機械量，如力、力矩、壓力、壓差、振動、加速度、應(yīng)變、液位等。 1.力和力矩的測量差動變壓器式力傳感器2.壓力測量將差動變壓器和彈性敏感元件（膜片、膜盒和彈簧管等）相結(jié)

16、合，可以組成各種形式的壓力傳感器。這種變送器可分檔測量(31036103)N/m2壓力，輸出信號電壓為(030)mV，精度為級。220V1接頭 2 膜盒 3 底座 4 線路板 3 差動變壓器 6 銜鐵 7 罩殼V振蕩器穩(wěn)壓電源差動變壓器相敏檢波電路12343673.加速度傳感器 用于測定振動物體的頻率和振幅時其激勵頻率必須是振動頻率的十倍以上，才能得到精確的測量結(jié)果。可測量的振幅為3)mm，振動頻率為(0130)Hz。穩(wěn)壓電源振蕩器檢波器濾波器(b)(a)220V加速度a方向a輸出1211 彈性支承 2 差動變壓器3.4 電渦流式傳感器3.4.1 電渦流式傳感器的工作原理 根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原

17、理，塊狀金屬導體置于變化的磁場中，導體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應(yīng)電流，稱之為電渦流或渦流，這種現(xiàn)象稱為渦流效應(yīng)。電渦流傳感器是利用電渦流效應(yīng)，將位移、溫度等非電量轉(zhuǎn)換為阻抗的變化或電感的變化從而進行非電量電測的。目前生產(chǎn)的變間隙位移傳感器，器量程范圍為300mm800mm。將塊狀金屬導體置于通有交變電流的傳感器線圈磁場中。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，由于電流的變化，在線圈周圍就產(chǎn)生一個交變磁場，當被測導體置于該磁場范圍之內(nèi)，被測導體內(nèi)便產(chǎn)生電渦流，電渦流也將產(chǎn)生一個新磁場，和方向相反，抵消部分原磁場，從而導致線圈的電感量、阻抗和品質(zhì)因素發(fā)生變化。電渦流式傳感器示意圖根據(jù)等效電路列出電路方程組為：可得傳

18、感器的等效阻抗為：傳感器的等效電感為：電渦流傳感器等效電路圖MR1R2L2L1U1I1I23.4.2 電渦流式傳感器的結(jié)構(gòu)電渦流式傳感器結(jié)構(gòu)比較簡單，主要由一個安置在探頭殼體的扁平圓形線圈構(gòu)成。電渦流傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)電渦流傳感器實物圖電渦流式傳感器的測量電路利用電渦流式變換元件進行測量時，為了得到較強的電渦流效應(yīng)；通常激磁線圈工作在較高頻率下，所以信號轉(zhuǎn)換電路主要有調(diào)幅電路和調(diào)頻電路兩種。1.調(diào)幅式（AM）電路調(diào)幅式電路結(jié)構(gòu)2.調(diào)頻式（FM）電路調(diào)頻式電路（100kHz1MHz）結(jié)構(gòu)如圖所示。調(diào)頻式電路的結(jié)構(gòu)當電渦流線圈與被測體的距離x改變時，電渦流線圈的電感量L也隨之改變，引起LC振蕩器的輸出頻率變化，此頻率可直接用計算機測量。如果要用模擬儀表進行顯示或記錄時，必須使用鑒頻器，將 轉(zhuǎn)換為電壓 。電渦流式傳感器的應(yīng)用電路電渦流式傳感器具有測量范圍大、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強和可以非接觸測量等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和科學研究各個領(lǐng)域中。1.電磁爐電磁爐是我們?nèi)粘Ｉ钪斜貍涞募矣秒娖髦?，渦流傳感器是其核心器件之一，高頻電流通過勵磁線圈，產(chǎn)生交變磁場；在鐵質(zhì)鍋底會產(chǎn)生無數(shù)的電渦流，使鍋底自行發(fā)熱，燒開鍋內(nèi)的食物。電磁爐工作示意圖電磁爐內(nèi)部