自動檢測技術及應用：第三章 電感傳感器

1、本章介紹自感傳感器和差動變壓器的結構、分類、工作原理、特性參數(shù)、測量轉換電路、零點殘余電壓、相敏檢波電路、差動整流電路，電感傳感器用于微小位移的測量。電流輸出型傳感器，以及一次儀表和二線制儀表的相關知識。也簡單介紹了磁電式傳感器的原理及應用。第三章 電感傳感器 3.1 自感傳感器3.2 差動變壓器傳感器3.3 電感傳感器的應用3.4 磁電式傳感器的原理及應用第三章 電感傳感器 目錄進入進入進入進入電感傳感器可分為自感式和互感式兩大類。電感式傳感器通常是指自感傳感器。自感系數(shù)常用L來表示，簡稱自感或電感。線圈的自感與線圈的直徑、長短、匝數(shù)等因素有關。線圈面積越大、線圈越長、單位長度匝數(shù)越密，它的

2、自感就越大。有鐵芯的線圈的自感比沒有鐵芯時大很多。自感的單位是亨利,簡稱亨,符號是H。常用的較小的單位有毫亨(mH)和微亨(H)。自感傳感器的數(shù)值多為mH數(shù)量級。 第一節(jié) 自感傳感器 先看一個實驗： 將一只380V交流接觸器繞組與交流毫安表串聯(lián)后，接到機床用控制變壓器的36V交流電壓源上。毫安表的初始值約為幾十毫安。若慢慢將接觸器的活動鐵心（稱為銜鐵）往下按時，會發(fā)現(xiàn)毫安表的讀數(shù)逐漸減小。當銜鐵與固定鐵心之間的氣隙等于零時，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F220V準備工作電感傳感器的基本工作原理演示氣隙減小，電感變大，電流變小F變隙式電感傳感器的基本工作原理 當鐵心

3、的氣隙較大時，磁路的磁阻Rm也較大，線圈的電感L及感抗XL 較小，所以電流I 較大。當鐵心閉合時，氣隙變小，磁阻變小，電感L變大，電流I減小。 自感式電感傳感器常見的形式 a）變隙式 b）變截面角位移式 c）螺線管式1繞組 2鐵心 3銜鐵 4測桿 5導軌 6工件 7轉軸減小鐵心與銜鐵之間的有效投影面積，在較小的范圍內，電感成比例減小。變極距式電感傳感器的特性近似雙曲線變面積式電感傳感器的理論特性為線性AA1-繞組 2-鐵心 3-銜鐵變面積式電感傳感器也稱為變截面式電感傳感器。必須保持氣隙固定不變，電感L是氣隙與固定鐵心之間的有效投影截面積A的函數(shù)。 銜鐵上下移動，導致銜鐵與鐵心的有效投影面積和

4、電感的改變。A有效投影面積電感傳感器的輸出特性a）變隙式電感傳感器的-L特性曲線 b）變面積式電感傳感器的A-L特性曲線1實際輸出特性 2理想輸出特性螺線管式電感傳感器螺線管是具有多重卷繞的導線，卷繞內部可以是空心的，或者有一個磁芯。當有電流通過導線時，螺線管中間部位會產生比較均勻的磁場。作為傳感器，螺線管電感傳感器的主要元器件是一只螺線管和一根可移動的圓柱形銜鐵。銜鐵插入繞組后，將引起螺線管內部的磁阻的減小，電感隨插入的深度而增大。L空心螺線管x螺線管式電感傳感器的線性區(qū) 對于長螺線管（l r），當銜鐵工作在螺線管接近中部位置時，可以認為繞組內磁場強度是均勻的，此時繞組的電感量L與銜鐵插入深

5、度成正比。螺線管越長，線性區(qū)就越大。螺線管式電感傳感器的線性區(qū)約為螺線管長度的1/10。測桿應選用非導磁材料，電導率也應盡量小，以免增加鐵磁損耗和電渦流損耗。例：采用螺線管電感傳感器測量直徑為100mm的工件是否合格，被測工件的最大允許誤差為 1.5mm，求：應選長度大于多少毫米的螺線管？解：D=21.5mm=3mm，則螺線管長度為：l 3mm10倍=30mm（不包括外殼）。電感傳感器的靈敏度1繞組 3可動銜鐵 4測桿 6被測工件采取以下措施可以提高電感靈敏度：在繞組不致過熱的情況下，可適當提高勵磁電壓，但以不超過10V為宜；激勵源電源頻率以110kHz為好。如果頻率太低，感抗較小，激勵電流較

6、大；頻率太高，銜鐵的磁滯損耗加大，分布電容也將引起繞組的Q值下降；選用導磁性能好、鐵損小、電渦流損耗小的導磁材料作為銜鐵的材料，例如鐵氧體、非晶鐵磁材料等。當銜鐵偏離中間位置時，兩個繞組的電感一個增加,一個減小,形成差動形式。 差動電感傳感器a)變隙式差動傳感器b)螺線管差動傳感器1上差動繞組 2鐵心 3銜鐵 4下差動繞組 5測桿 6工件 7基座由于兩個繞組的結構完全對稱，電磁吸力以及溫漂相互抵消。差動電感傳感器動作演示差動變隙式 差動螺線管式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。線性度改善，靈敏度增加一倍。

7、采用差動型式的優(yōu)點差動電感傳感器的特性 1上繞組特性 2下繞組特性 3L1、L2差接后的特性從曲線圖可以看出,與非差動電感傳感器相比較，差動式電感傳感器的特性曲線的斜率變大，靈敏度提高；輸出曲線變直，線性度改善。二、電感傳感器的測量轉換變壓器橋路1銜鐵的位移曲線 2激勵源波形 3交流電橋的輸出波形4普通檢波之后的直流平均值 5相敏檢波之后的直流平均值t0銜鐵上下位移到達差動螺線管繞組中間位置的時刻e0零點殘余電壓的瞬時值 E0零點殘余電壓的平均值采用相敏檢波電路的必要性檢波：將交變信號轉換為直流平均值。檢波電路的作用是將電感的變化轉換成直流電壓或電流，以便用儀表指示出來。但若僅采用電橋電路配以

8、普通的檢波電路，則只能判別位移的大小，卻無法判別輸出電壓的相位和位移的方向。如果在輸出電壓送到指示儀前，經過一個能判別相位的檢波電路，則不但可以反映幅值（位移的大?。?，還可以反映輸出電壓的相位（位移的方向）。這種檢波電路稱為相敏檢波電路。普通的整流電路及波形只能得到單一方向的直流電，不能反映被整流信號的相位。全波整流后,正負半周均變?yōu)檎妷簷z波用于信號轉換；整流用于功率轉換。一種典型的相敏檢波電路（有配套模塊）參考電壓UR起相敏開關電路作用，并能克服檢波二極管死區(qū)電壓對小信號檢波的影響。相敏檢波電路的輸出波形比較 第1根信號波形為傳感器輸出電壓us的波形，被被測物的低頻振動所調制；第2根為參考

9、電壓UR的波形，（大于被測信號10倍以上）； 第3根為相敏檢波后的低頻振動波形（解調信號) 。相敏檢波輸出特性與非相敏檢波比較a）普通檢波 b）相敏檢波1理想特性曲線 2實際特性曲線 E0零點殘余電壓 x0位移的不靈敏區(qū)具有中央零位的指示儀表實測得到的 相敏檢波電路的特性曲線 通過調零電路，可使輸出曲線平移到原點。銜鐵位移時的實驗數(shù)據(jù)及曲線第二節(jié) 差動變壓器傳感器 復習電工知識： 全波整流電路中用到的“單相變壓器”有一個一次繞組，有兩個二次繞組。 當一次線圈加上交流激磁電壓Ui后，將在兩個二次線圈中產生感應電壓UO1、UO2。在全波整流電路中，兩個二次繞組正向串聯(lián)，總電壓等于兩個二次線圈的電壓

10、之和?；啬夸浾垖⒆儔浩鞯亩卫@組N21、N22的有關端點按全波整流電路的要求正確地連接起來。普通的全波整流變壓器接線兩個二次側繞組同向串聯(lián)（第一個繞組的尾端與第二個繞組的首端相連），串聯(lián)后的輸出電壓等于兩個繞組電壓之和。 變壓器的兩個二次繞組N21、N22的有關端點按全波整流電路的連接：Uo10V10V=20V接地差動變壓器傳感器的工作原理 差動變壓器是把被測位移量轉換為一次線圈與二次繞組間的互感量M的變化的裝置。由于兩個二次線圈采用差動接法，故稱為差動變壓器。目前應用最廣泛的結構型式是螺線管式差動變壓器。 在差動變壓器的線框上繞有一個輸入繞組（稱一次繞組）；在同一線框的上端和下端再繞制兩個完

11、全對稱的繞組（稱二次線圈），它們反向串聯(lián)（輸出電壓相互抵消），組成差動輸出形式。圖中標有黑點的一端稱為同名端，通俗的說法是指繞組的“頭”。 差動變壓器式傳感器的等效電路及接線 結構特點： 兩個二次繞組反向串聯(lián)，組成差動輸出形式。 請將二次繞組N21、N22的有關端點正確地連接起來，并指出哪兩個為輸出端點。差動接法的輸出電壓為uo= u21-u22差動變壓器的輸出波形.差動變壓器的輸出特性1理想輸出特性 2非相敏檢波實際輸出特性 3相敏檢波實際輸出特性 x0位移的不靈敏區(qū)靈敏度與線性度 差動變壓器的靈敏度一般可達10mV/(mmV)，行程越小，靈敏度越高。 為了提高靈敏度，勵磁電壓不超過10V為

12、宜。電源頻率以110kHz為好。 差動變壓器線性范圍約為線圈骨架長度的1/10左右。 例：欲測量120mm2mm軸的直徑誤差，應選擇線圈骨架長度為多少的差動變壓器（或電感傳感器）為宜 ？ （注：x=4mm）差動變壓器的差動整流測量電路差動變壓器的二次電壓u21、u22分別經VD1VD4、VD5VD8組成的兩個普通橋式電路整流，變成直流電壓Ua0和Ub0。由于Uao與Ubo是反向串聯(lián)的，所以UC3=Uab=Ua0-Ub0。該電路是以兩個橋路整流后的直流電壓之差作為輸出,不涉及相位。 RP是調零電位器。工件直徑D增大，銜鐵上移時的輸出波形在第一象限 3、4和3、4組成低通濾波電路，其時間常數(shù)10T

13、 （T為激勵源的周期）Ua0Ub0 ,所以Uab 0輸出直流電壓為正值 工件直徑D減小，銜鐵下移時的輸出波形在第四象限,可以從輸出電壓的正負值來判斷銜鐵位移的方向。 當差動變壓器采用差動整流測量電路時,應恰當設置二次繞組的電壓,使在銜鐵最大位移時,仍然能大于二極管的死區(qū)電壓（0.5V）的10倍,才能克服二極管的正向非線性的影響,減小測量誤差。Ua0Ub0 ,所以Uab 0輸出直流電壓為負值差動整流的特點電路是以兩個橋路整流后的直流電壓之差作為輸出的，所以稱為差動整流電路。它不但可以反映位移的大?。妷旱姆担€可以反映位移的方向。 上圖中的RP是用來微調電路平衡的， VD1VD4、VD5VD

14、8組成普通橋式整流電路， 3、4、3、4組成低通濾波電路，1及21、22、f、23組成差動減法放大器，用于克服a、b兩點的對地共模電壓。 線性差動變壓器（LVDT）隨著微電子技術的發(fā)展，目前已能將差動整流電路中的激勵源、相敏或差動整流電路、信號放大電路、溫度補償電路等做成厚膜電路，裝入差動變壓器的外殼（靠近電纜引出部位）內，它的輸出信號可設計成符合國家標準的15V或420mA，這種型式的差動變壓器稱為線性差動變壓器。第三節(jié) 電感式傳感器的應用 一、位移測量 軸向式電感測微器的外形 高可靠性航空插頭耐磨紅寶石測頭回目錄其他電感測微頭模擬式及數(shù)字式電感測微儀比較軸向式電感測微器的內部結構 1引線電

15、纜 2固定磁筒 3銜鐵 4線圈 5測力彈簧 6防轉銷 7鋼球導軌（直線軸承） 8測桿 9密封套 10測端 11被測工件 12基準面 軸向式電感測微器特性量程3m時的絕對誤差：0.1m長時間穩(wěn)定性：0.1m/4h（預熱15min后，3m檔。）溫度特性：1分度值/10電源電壓在170253V范圍內變化對示值的影響1/7分度值。電感式滾柱直徑分選裝置 1氣缸 2活塞 3推桿 4被測滾柱 5落料管 6電感測微器 7鎢鋼測頭 8限位擋板 9電磁翻板 10滾柱的公差分布 11容器（料斗） 12氣源處理三聯(lián)件電感式滾柱直徑分選裝置 測微儀圓柱滾子電感式滾柱直徑分選裝置外形 滑道分選倉位軸承滾子外形電感式滾柱

16、直徑分選裝置外形2落料振動臺滑道11個分選倉位廢料倉電感式滾柱直徑分選裝置（機械結構放大）汽缸控制鍵盤直徑測微裝置長度測微裝置滑道機械及氣動元件電感測微器汽缸 氣水分離器（供氣三聯(lián)件）儲氣罐導氣管 氣壓表（0.4MPa左右）二位五通電磁換向閥驅動線圈進氣孔P出氣孔A出氣孔B氣缸活塞運動方向直流電磁鐵通電后銜鐵的運動方向交流電磁鐵銜鐵運動方向銜鐵電感式滾柱直徑分選界面 分選結果基本符合正態(tài)分布差動變壓器式厚度測量原理 差動變壓器式布匹張力控制當卷取輥轉動太快時，布料的張力將增大，導致張力輥向上位移，使差動變壓器的銜鐵不再處于中間位置。N21與N1之間的互感量M1增加，N22與N1的互感量M2減小

17、，因此U21增大，U22減小，經相敏檢波之后的Uo為負值，去控制伺服電動機，使它的轉速變慢，從而使張力恒定。電感式不圓度計 采用旁向式電感測微頭電感式不圓度測試系統(tǒng)旁向式電感測微頭電感式不圓度測量系統(tǒng)旋轉盤測量頭不圓度測量打印電感傳感器式輪廓儀 旁向式電感 測微頭壓力測量 1壓力輸入接口 2波紋膜盒 3膜盒的自由端 4印制電路板 5差動繞組 6銜鐵 7電源變壓器8罩殼 9指示燈 10密封隔板 11安裝底座壓力變送器結構膜盒由兩片波紋膜片焊接而成。波紋膜片是一種壓有同心波紋的圓形金屬薄膜。當膜片四周固定，兩側面存在壓差時，膜片將彎向壓力低的一側，因此能夠將壓力轉換為位移。波紋膜片比平膜片柔軟得多

18、，因此多用作測量較小壓力的彈性敏感元器件。壓力變送器電路分析220V電源變壓器的二次側經橋式整流、電解電容濾波后，輸出電壓經三端穩(wěn)壓集成塊轉變成穩(wěn)定的18V直流電壓，為差動變壓器的交流激勵源提供能源。也可以用開關電源來代替以上的降壓、整流、穩(wěn)壓環(huán)節(jié)。當被測工件的直徑D為標準值時，u21= u22，UAC =0。當被測工件的直徑D增大時，u21增大， u22減小，在濾波電容上合成的電壓UAC 為上正下負的直流電壓。幅值與D的增量成正比。 D減小時， UAC 為上負下正。再經U/I轉換器，將輸出電壓轉換成420mA的標準輸出電流Io。D（或用開關電源）一次儀表及電流輸出型儀表 上述壓力變送器已經將

19、傳感器與信號調理電路組合在一個殼體中，這在工業(yè)中被稱為一次儀表。一次儀表的輸出信號可以是電壓，也可以是電流。由于電流信號不易受干擾，且便于遠距離傳輸（可以不考慮線路壓降），所以在工業(yè)中多采用電流輸出型一次儀表。420mA輸出方式及二線制儀表新的儀表標準規(guī)定電流輸出為420mA；電壓輸出為15V(舊標準為010mA或02V)。4mA對應于零輸入，20mA對應于滿度輸入。不讓信號占有04mA這一范圍的原因，一方面是有利于判斷線路故障（開路）或儀表故障；另一方面，這類一次儀表內部均采用微電流集成電路，總的耗電還不到4mA，因此還能利用04mA這一部分“本底電流”為一次儀表的內部電路提供工作電流，使一

20、次儀表有可能成為“兩線制儀表”。 420mA二線制輸出方式簡介所謂二線制儀表是指儀表與外界的聯(lián)系只需兩根導線。多數(shù)情況下，其中一根（紅色）為+24V電源線，另一根（黑色）既作為電源負極引線，又作為信號傳輸線。在信號傳輸線的末端通過一只標準“負載電阻”（也稱“取樣電阻”）接地（也就是電源負極），就能將電流信號轉變成電壓信號。 420mA二線制儀表接線方法及負載電阻若取樣電阻RL=250.0，則對應于420mA的輸出電壓Uo為15V。這類標準化的傳感器或儀表又稱為變送器。變送器的輸出信號可直接與電動過程控制儀表，例如與DDZ-調節(jié)器連接。420mA二線制數(shù)顯表外形及HART協(xié)議HART 數(shù)字通訊協(xié)

21、議被廣泛接受為用于數(shù)字化增強的420mA通信協(xié)議的工業(yè)標準。在4-20mA基礎上疊加低電平的HART信號數(shù)字通信信號 ，可以在同一電纜上同時被傳遞，而不會干擾420mA模擬信號。420mA二線制儀表的HART 數(shù)字通訊.例：某兩線制電流輸出型溫度變送器的產品說明書注明其量程范圍為01000，對應輸出電流為420mA。求： 當測得輸出電流I=12mA時的被測溫度t。解 因為該儀表說明書未說明線性度，所以可以認為輸出電流與溫度之間為線性關系，即I與t的數(shù)學關系為一次方程，所以有：I =a0+a1t 當t =0 時，I =4mA，所以a 0=4mA當t =1000時，I =20mA，20= 4+a1

22、1000，可得：a1=0.016mA/，所以該溫度變送器的輸入/輸出方程為：I =4mA+0.016( mA/)t 將I=12mA代入I =a0+a1t ，得：t =(-4mA)/a1=(12-4)/0.016=500。畫出該兩線制電流輸出型溫度變送器的輸入/輸出曲線解 I =a0+a1t，x軸為溫度坐標，y為電流坐標。當t =0 時，I =4mA，當t=1000時，I =20mA，作一次直線：最大的負載電阻的計算常見的一次儀表本身所需的最低工作電壓為12V左右。如果電源為36V，那么負載電阻兩端的壓降最大只能達到24V，則負載電阻最大為RL(36V-12V)/20mA1200如果考慮傳輸電路

23、會有一些壓降，則負載電阻的最大值將隨傳輸電路的電壓降增大而減小。第四節(jié) 磁電式傳感器的原理及應用磁電式傳感器是基于電磁感應原理,通過磁電相互作用將被測非電量轉換成感應電動勢的傳感器,也稱為感應式傳感器、電動式傳感器。磁電式傳感器屬于自發(fā)電型傳感器，電路簡單，輸出信號強，適合于振動、轉速、扭矩等測量。缺點：頻率響應低?；啬夸?結束磁電式傳感器的工作原理磁電感應式傳感器是以電磁感應原理為基礎的。根據(jù)法拉第電磁感應定律可知，當運動導體在磁場中切割磁力線，或線圈所在磁場的磁通變化時，導體將產生感生電動勢e，當導體形成閉合回路就會出現(xiàn)感應電流。導體中感應電動勢e的大小與回路所包圍的磁通量的變化率成正比，

24、則N匝線圈在變化磁場中感應電動勢為：磁電式傳感器工作原理（續(xù)）當線圈垂直于磁場方向運動以速度v切割磁力線時，感應電動勢為：式中：x線圈的位移（m）；l-線圈的平均長度（m）；B線圈所在磁場 的磁感應強度（T）磁電式傳感器工作原理（續(xù)）根據(jù)電磁感應定律，N匝線圈中的感應電動勢的大小由磁通的變化率決定。實現(xiàn)磁通量變化的方法有：（1）線圈與磁場發(fā)生相對運動；（2）磁路中磁阻變化；（3）恒定磁場中線圈切割磁力線的面積變化。當傳感器的結構參數(shù)確定后，B 、 l 、N為常數(shù)，則e與線圈相對于磁場的速度v成正比。磁電傳感器只適合于動態(tài)測量。且要求磁鐵的時間、溫度等穩(wěn)定性好，可采用鋁鎳鈷等永磁合金。剩磁最高可

25、達1.3T,溫度系數(shù)為-0.02%/.變磁阻式磁電轉速傳感器線圈3和磁鐵5靜止不動，測量齒輪2（導磁材料制成）與旋轉體1上一起轉動。1-被測旋轉體2-齒輪3-線圈4-軟鐵 5-永久磁鐵 齒輪每轉動一個齒，與軟鐵4之間構成的磁路的磁阻就變化一次，磁通也就變化一次，線圈3中產生的感應電動勢的變化頻率等于測量齒輪2上齒輪的齒數(shù)z與轉速成正比。變磁阻式磁電轉速傳感器計算2導磁鐵心 3繞組 4永久磁鐵 5汽車發(fā)動機曲軸轉子z齒數(shù) T傳感器輸出脈沖的周期Z=4例：測得e的頻率f=10Hz。求：曲軸轉子的轉速n（r/min）。解：T=1/f=1/100=0.1s。則曲軸轉子每轉一圈，產生4個脈沖。則曲軸轉子每轉一圈花費0.4s，每1秒轉動2.5圈，則n=60