第5章-電感式傳感器

第5章

電感式傳感器5.1概述5.2自感式傳感器5.3差動(dòng)變壓器式傳感器5.4電渦流式傳感器5.5電感式傳感器測(cè)量電路5.6應(yīng)用工作原理電磁感應(yīng)

被測(cè)非電量自感系數(shù)L互感系數(shù)M測(cè)量電路U、I、f電感式傳感器的定義利用線圈自感和互感的變化實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的裝置。電感式傳感器的感測(cè)量位移、振動(dòng)、壓力、應(yīng)變、流量、比重等。電感式傳感器的種類

根據(jù)轉(zhuǎn)換原理：自感式（変磁阻式）、互感式（差動(dòng)變壓器式）、電渦流式三種；

根據(jù)結(jié)構(gòu)形式：氣隙型、面積型和螺管型。5.1概述優(yōu)點(diǎn)

①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠②分辨率高機(jī)械位移0.1μm，甚至更?。惠敵鲂盘?hào)強(qiáng)，電壓靈敏度可達(dá)數(shù)百mV/mm。

③重復(fù)性好，線性度優(yōu)良在幾十μm到數(shù)百mm的位移范圍內(nèi)，輸出特性的線性度較好，且比較穩(wěn)定。④能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸、記錄、顯示和控制不足不宜高頻動(dòng)態(tài)測(cè)量。電感式不圓度測(cè)量系統(tǒng)外形

（參考洛陽匯智測(cè)控技術(shù)有限公司資料）旋轉(zhuǎn)盤測(cè)量頭利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換成線圈自感系數(shù)L的變化，再由測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出，這種裝置稱為自感式傳感器，也稱為變磁阻式傳感器。1.工作原理δ線圈鐵芯銜鐵Δδ結(jié)構(gòu)：線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料如硅鋼片或坡莫（鐵鎳）合金制成，在鐵芯和銜鐵之間有氣隙，氣隙厚度為δ，傳感器的運(yùn)動(dòng)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自感式傳感器的工作原理演示

式中：N---線圈匝數(shù)RM---磁路總磁阻（磁路歐姆定律）線圈自感為:δ線圈鐵芯銜鐵Δδ

若很小，且不考慮磁路鐵損，則磁路總磁阻為:鐵芯磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于空氣的磁導(dǎo)率，因此鐵芯磁阻遠(yuǎn)較氣隙磁阻小則線圈自感L為：分類：變氣隙厚度δ0的電感式傳感器；變氣隙面積S0的電感式傳感器；0002.變磁阻式傳感器基本類型（1）變氣隙式（閉磁路）自感傳感器l0線圈鐵芯銜鐵Δl設(shè)初始?xì)庀堕L度為l0，初始電感量為L0，銜鐵位移引起的氣隙變化量為Δl0，則由電感量表達(dá)式可知L與l0為非線性關(guān)系，特性曲線如圖所示。變氣隙式自感式傳感器L與l0關(guān)系初始電感量為：若銜鐵下移?δ：δ=δ0+?δ自感的相對(duì)變化量為：

則電感減小，變化量為ΔL：一般，則上式可由泰勒級(jí)數(shù)展開成級(jí)數(shù)形式為忽略高次項(xiàng)，可得自感變化與氣隙變化成近似線性關(guān)系：

變氣隙式自感傳感器的靈敏度為：靈敏度K隨初始?xì)庀兜脑龃蠖鴾p小。。因此變隙式常用于測(cè)量微小位移的場(chǎng)合，

變氣隙型電感傳感器為了減小非線性誤差,實(shí)際測(cè)量中廣泛采用差動(dòng)變氣隙式電感傳感器，采用兩個(gè)電氣參數(shù)和幾何尺寸完全相同的傳感線圈共用一個(gè)銜鐵來構(gòu)成。

附圖差動(dòng)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

=0.1~0.2

差動(dòng)式：

=2mm，

=0.2~0.4mm

較大行程位移測(cè)量，常用的螺管式電感傳感器如果采用差動(dòng)變隙型電感傳感器，則靈敏度提高一倍。

螺管型電感傳感器（2）螺管式自感（開磁路）傳感器傳感器工作時(shí)，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(duì)于長螺管線圈l>>r，當(dāng)銜鐵工作在螺管的中部時(shí)，可以認(rèn)為線圈內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度是均勻的，線圈電感量L與銜鐵的插入深度大致上成正比。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作容易，靈敏度較低，適用于測(cè)量較大的位移量。rx螺管線圈鐵芯l載流螺線管在軸線上任一點(diǎn)P（P點(diǎn)位移為x）處產(chǎn)生的磁場(chǎng)，根據(jù)圖和畢奧—沙伐爾—拉普拉斯定律(簡(jiǎn)稱畢—沙—拉定律)可得式中，l——螺管長；W——線圈總匝數(shù)；I——線圈電流強(qiáng)度；——P點(diǎn)至兩端點(diǎn)連線與軸線的夾角；；r——螺管內(nèi)徑。

假設(shè),則可認(rèn)為B值沿徑向均勻分布，且沿軸向B隨x變化，這樣，當(dāng)P點(diǎn)位于軸線上不同位置時(shí)，其B值也不同，為計(jì)算方便，取其平均值，即當(dāng)線圈空心時(shí)，其電感值為當(dāng)，上式可近似為當(dāng)半徑為rc，磁導(dǎo)率為μm的鐵心插入螺管線圈時(shí)，插入部分的磁阻下降，磁感應(yīng)強(qiáng)度B值增大，從而使電感值增加。根據(jù)以上求法可以求得當(dāng)運(yùn)動(dòng)鐵心插入線圈內(nèi)長度為lc時(shí)，電感值為此時(shí)，螺管內(nèi)電感總量為當(dāng),，上式可近似為當(dāng)傳感器的結(jié)構(gòu)和材料確定以后，式中只有l(wèi)c為變量，即L=f(lc)，（近似線性關(guān)系）所以當(dāng)鐵心隨外作用產(chǎn)生不同lc時(shí)，就有相應(yīng)的電感值L。因此，線圈空心時(shí)，其電感值為

由螺管型單極式自感傳感器的工作原理可知，由于線圈電流的存在，運(yùn)動(dòng)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(cè)量精度較低。因此，為了改善靈敏度及線性度，提高測(cè)量精度，常采用差動(dòng)技術(shù)以改善其性能，由兩個(gè)單一結(jié)構(gòu)的對(duì)稱組合就構(gòu)成了螺管型差動(dòng)式自感傳感器。

螺線管差動(dòng)式自感傳感器螺管型差動(dòng)式自感傳感器由于組合的兩個(gè)螺線管是對(duì)稱的，設(shè)初始時(shí)鐵心位于中央位置，因此鐵心兩邊的初始電感是相等的，為當(dāng)鐵心由中間位置向右移動(dòng)Δlc后，將使右邊電感增加而左邊電感減少，即它們的電感值分別為

螺管型差動(dòng)式自感傳感器可以推導(dǎo)，每邊的靈敏度：因此，要使初始電感L10和L20

增大，必使lc和rc增大，但從靈敏度來看，lc的增大又使靈敏度降低，兩者是矛盾的，綜合考慮通常取lc=l/2。

K=(L0-L1)/Δl0(5.8)5.3互感式(變壓器式)傳感器

應(yīng)用最多的是螺線管式互感傳感器,它可以測(cè)量1～100mm范圍內(nèi)的機(jī)械位移。

互感式傳感器：把被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)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(jí)繞組采用差動(dòng)形式連接,故又稱變壓器式傳感器。

結(jié)構(gòu)形式：1初級(jí)線圈;2.3次級(jí)線圈;4銜鐵4123螺管型基本元件有銜鐵、初級(jí)線圈、次級(jí)線圈和線圈框架等。初級(jí)線圈作為差動(dòng)變壓器激勵(lì)用，相當(dāng)于變壓器的原邊，而次級(jí)線圈由結(jié)構(gòu)尺寸和參數(shù)相同的兩個(gè)線圈反相串接而成，相當(dāng)于變壓器的副邊。兩個(gè)次級(jí)繞組反向串聯(lián)，在忽略鐵損、導(dǎo)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(shí)，輸出電壓：銜鐵處于中間位置銜鐵左移銜鐵右移即隨著銜鐵偏離中心位置的Δx變化，互感式傳感器的輸出電壓也將發(fā)生變化。

理想情況下當(dāng)鐵心位于中心平衡位置時(shí)，差動(dòng)變壓器輸出電壓應(yīng)為零，但實(shí)際上存在有零點(diǎn)殘余電壓Δ

U0，必須設(shè)法減小。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，次級(jí)繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的表達(dá)式分別為

當(dāng)次級(jí)開路時(shí)在兩個(gè)次級(jí)繞組反向串聯(lián)和次級(jí)開路的條件下輸出電壓的有效值注意問題：(2)線性度一般差動(dòng)變壓器的線性范圍約為線圈骨架長度的1/10~1/4。(3)溫度特性差動(dòng)變壓器的使用溫度通常為80℃（1）應(yīng)用時(shí)激磁頻率一般在400Hz到5kHz的范圍內(nèi)選擇。

隨著頻率的變化，實(shí)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(duì)某一激磁頻率，必須相應(yīng)選擇適的鐵芯長度。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，成塊的金屬置于變化的磁場(chǎng)中，或者在磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，金屬導(dǎo)體內(nèi)就要產(chǎn)生呈渦旋狀的感應(yīng)電流，感應(yīng)電流的流線在金屬導(dǎo)體內(nèi)是閉合的，所以稱為電渦流，這種現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。根據(jù)電渦流效應(yīng)制成的傳感器稱為電渦流式傳感器。

5.4電渦流式傳感器目前生產(chǎn)的變間隙位移傳感器，量程范圍為300～800mm。電磁爐的工作原理

高頻電流通過勵(lì)磁線圈，產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，在鐵質(zhì)鍋底會(huì)產(chǎn)生無數(shù)的電渦流，使鍋底發(fā)熱，燒開鍋內(nèi)食物。電磁爐內(nèi)部的勵(lì)磁線圈電渦流傳感器結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，由傳感器線圈和被測(cè)金屬導(dǎo)體兩部分組成。

高頻電流線圈靠近被測(cè)金屬，線圈上的高頻電流所產(chǎn)生的高頻電磁場(chǎng)在金屬表面上產(chǎn)生電渦流。線圈通入交變電流I1，在線圈的周圍產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)H1位于該磁場(chǎng)中的金屬導(dǎo)體上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)并形成渦流I2渦流I2也產(chǎn)生相應(yīng)的磁場(chǎng)H2，H2與H1方向相反H2的作用引起線圈等效阻抗、等效電感和品質(zhì)因素等發(fā)生相應(yīng)的變化。電渦流傳感器原理圖3.3.1工作原理其中，傳感器線圈受電渦流效應(yīng)時(shí)等效阻抗Z的函數(shù)關(guān)系式為Z=F(ρ,μ,r,f,x)，線圈等效阻抗的變化反映了金屬導(dǎo)體的渦流效應(yīng)。

如果保持上式中其它參數(shù)不變，只改變其中一個(gè)參數(shù)，傳感器線圈阻抗Z就僅僅是這個(gè)參數(shù)的單值函數(shù)。通過與傳感器配用的轉(zhuǎn)換電路測(cè)出阻抗Z的變化量，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)該參數(shù)的測(cè)量，從而構(gòu)成測(cè)量該參數(shù)的傳感器。常用的電渦流測(cè)距傳感器，即是在ρ（金屬電阻率），μ（金屬磁導(dǎo)率），r（金屬厚度），I（勵(lì)磁電流），f（勵(lì)磁頻率）恒定不變時(shí)，阻抗僅是距離x的單值函數(shù)。R1、L1為傳感器線圈的電阻和電感；短路線圈電阻為R2、電感為L2；由于傳感器線圈與金屬導(dǎo)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(dǎo)體間距離的減小而增大。1—傳感器線圈；2—電渦流短路線圈電渦流式傳感器等效電路

簡(jiǎn)化模型及等效電路根據(jù)等效電路可列出電路方程組：

解方程組，可得線圈復(fù)阻抗：

線圈的等效電感：因此，電渦流傳感器的工作原理，實(shí)際上是由于受到交變磁場(chǎng)作用的導(dǎo)體產(chǎn)生的電渦流起到調(diào)整線圈原來阻抗作用的結(jié)果。為同時(shí)研究阻抗實(shí)、虛兩部分，常用品質(zhì)因數(shù)Q來表示?？梢姡阂驕u流效應(yīng)，等效阻抗Z的實(shí)部增大，虛部減少，即等效的品質(zhì)因素Q減小。說明電渦流將消耗電能，在導(dǎo)體上產(chǎn)生熱量。品質(zhì)因素：線圈質(zhì)量參數(shù)Q=ωL/R，Q越大線圈損耗越小，反之損耗越大111

5.5電感式傳感器的測(cè)量電路

電感式傳感器實(shí)現(xiàn)了把被測(cè)量的變化為電感量的變化。為了測(cè)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。1.電感式傳感器的測(cè)量電路（1）脈沖調(diào)寬式測(cè)量電路（參見第4章電容式傳感器）（2）交流電橋電路2.差動(dòng)變壓器式傳感器的測(cè)量電路

（3）精密2極管檢波電路3.電渦流式傳感器的測(cè)量電路（4）調(diào)頻式（參見第4章電容式傳感器）

（5）調(diào)幅式圖中B點(diǎn)的電壓為：圖中A點(diǎn)的電壓為：輸出電壓：討論：（1）當(dāng)鐵芯處于中間位置時(shí)，Z1=Z2=Z，這時(shí)U0=0,電橋平衡；（2）當(dāng)鐵芯向下移動(dòng)時(shí)，下面線圈的阻抗增加，Z2=Z+ΔZ，上面線圈的阻抗減小，Z1=Z-ΔZ得：（2）交流電橋電路（3）當(dāng)鐵芯向上移動(dòng)同樣大小的距離時(shí)，Z2=Z-ΔZ,Z1=Z+ΔZ，得：

幅值為：輸出電壓幅值為:（2）、（3）兩種情況的輸出電壓大小相等，方向相反，由于E是交流電壓，難以區(qū)分，所以輸出電壓U0在輸入到指示器前必須先進(jìn)行整流、濾波。

當(dāng)ωL>>Rs時(shí)，U0=±①銜鐵中間位置②銜鐵上移L1增大，自感電動(dòng)勢(shì)增加；L2減小，自感電動(dòng)勢(shì)減少。

正半周→E點(diǎn)電勢(shì)高，F(xiàn)點(diǎn)低通路E→J→G→F，UG降低通路E→K→H→F，UH升高負(fù)半周→F點(diǎn)電勢(shì)高，E點(diǎn)低通路E→J→H→F，UG降低通路E→K→G→F，UH升高結(jié)論：無論是正半周還是負(fù)半周，銜鐵上移時(shí)UG<UH。為了既能判斷銜鐵位移的大小，又能判斷銜鐵位移的方向，通常在交流測(cè)量電橋中引入相敏整流電路，把電橋的交流輸出轉(zhuǎn)換為直流輸出。相敏檢波電路

③銜鐵下移L1增小，自感電動(dòng)勢(shì)減少；L2減大，自感電動(dòng)勢(shì)增加。

結(jié)論：無論正半周還是負(fù)半周，銜鐵下移時(shí)UG>UH。銜鐵下移時(shí)，UG>UH;銜鐵上移時(shí)，UG<UH。通過相敏檢波電路輸出電壓的正負(fù)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(fù)判斷銜鐵位移的大小和方向。

（3）精密2極管檢波電路

課本107頁圖5.19由精密整流電路，濾波器和加法器組成。a.精密全波整流電路當(dāng)vi<0時(shí)，運(yùn)放的輸出電壓Vo’為正，二極管D1截止，D2導(dǎo)通，相當(dāng)于反相比例放大器，其輸出電壓Vo=-（R2／R1）Vi=-Vi當(dāng)vi>0時(shí)，運(yùn)放的輸出電壓Vo’為負(fù)，二極管D2截止，D1導(dǎo)通，輸出電壓Vo=Vi若取R2=R1=R輸出電壓為

當(dāng)時(shí)，通，止。