第七章 電感式傳感器(河南理工大學)

第七章電感式傳感器

本章主要內容：（1）自感式傳感器；（2）差動變壓器式傳感器；（3）渦流傳感器（4）電感式傳感器的應用。1概述

電感式傳感器是一種根據(jù)電磁原理進行非電量檢測的器件，在自動控制設備中廣泛應用。電感式傳感器利用電磁感應定律將被測非電量（如位移、壓力、流量、振動）轉換為電感或互感的變化。按電感式傳感器結構可分為：自感式、互感式、電渦流式。2第一節(jié)自感式傳感器

先看一個實驗：將一只220V交流接觸器線圈與交流毫安表串聯(lián)后，接到機床用控制變壓器的36V交流電壓源上，如圖所示。這時毫安表的示值約為幾十毫安。用手慢慢將接觸器的活動鐵心（稱為銜鐵）往下按，我們會發(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)只剩下幾毫安。

3電感傳感器的基本工作原理演示F220V220V接觸器線圈36V4電感傳感器的基本工作原理演示氣隙變小，電感變大，電流變小F5結構:由線圈、鐵芯、銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵之間有氣隙，氣隙長度為σ;

傳感器運動部分與銜鐵相連，銜鐵移動時σ發(fā)生變化引起磁路的磁阻Rm變化，使電芯線圈的電感值L變化；一、電感傳感器的基本工作原理6當鐵心的氣隙較大時，磁路的磁阻Rm也較大，線圈的電感量L和感抗XL較小，所以電流I較大。當鐵心閉合時，磁阻變小、電感變大，電流減小。

7電感量計算公式

：N：線圈匝數(shù)；A：氣隙的有效截面積；

0：真空磁導率；

：氣隙長度。

8自感式電感傳感器常見的形式

變隙式變截面式螺線管變鐵芯式

9二、輸出特性電感初始氣隙σ0處初始電感量為L0

σ0LσL0L0+ΔLL0－ΔL氣隙減小，電感變大；氣隙增大，電感減小。10差動式原理：差動變隙式由兩個相同的線圈L1、L2

和磁路組成，兩個線圈串聯(lián)。當被測量通過導桿使銜鐵左右位移時，兩個回路中磁阻發(fā)生大小相等、方向相反的變化，形成差動形式。為減小非線性誤差，實際測量中多采用差動形式。11差動電感傳感器的基本結構

曲線1、2為L1、L2

的特性，3為差動特性在變隙式差動電感傳感器中，當銜鐵隨被測量移動而偏離中間位置時，兩個線圈的電感量一個增加，一個減小，形成差動形式。1-差動線圈2-鐵心3-銜鐵4-測桿5-工件

12差動式電感傳感器的優(yōu)點

（3）差動式電感傳感器的線性較好，且輸出曲線較陡，靈敏度約為非差動式電感傳感器的兩倍。

（1）線性范圍大，測量范圍寬。（2）結構對稱，可使溫度、電源頻率的變化等可以互相抵消，減小了測量誤差。13三、測量轉換電路

測量轉換電路的作用是將電感量的變化轉換成電壓或電流的變化，以便用儀表指示出來。常用的測量轉換電路為：（1）交流電橋；（2）變壓器電橋；（3）相敏整流電橋。14電感式傳感器的等效電路

從電路角度看，電感式傳感器的線圈并非是純電感，該電感由有功分量和無功分量兩部分組成。有功分量包括：線圈線繞電阻和渦流損耗電阻及磁滯損耗電阻，這些都可折合成為有功電阻，其總電阻可用R來表示；無功分量包含：線圈的自感L,繞線間分布電容，為簡便起見可視為集中參數(shù)，用C來表示。15（1）交流電橋測量電路（補充）兩個橋臂由相同線圈組成，另外兩個為平衡電阻

交流電橋結構示意圖等效電路16初始狀態(tài)：Z1=Z2=Z0，輸出電壓U0=0;當銜鐵偏離中間位置，氣隙變量為Δσ，則輸出電壓為即：（1）電橋輸出電壓U0與氣隙變量Δσ近似為線性關系。（2）電橋輸出電壓與橋壓UAC有關，還與初始氣隙σ0有關。17（2）變壓器式交流電橋電路

電橋的兩臂是傳感器線圈阻抗臂、另外兩個臂是交流變壓器次級線圈各占1∕2，交流供電。

橋路輸出電壓為：18

當銜鐵在中間位置

Z1=Z2=Z，

U0=0（忽略電阻壓降）當銜鐵偏移，Z1增大，Z2減小時，輸出電壓當銜鐵向另一方向偏移，Z1減小，Z2增大時，輸出電壓19差動自感傳感器輸出特性曲線1—理想特性曲線

2—實際特性曲線

Ur：為殘壓20

差動自感傳感器經過電橋之后，可將位移量變?yōu)殡妷狠敵?，但電壓輸出不能反映位移的方向。因此需要一個判別位移方向的環(huán)節(jié)。這時可用另一種測量電路來實現(xiàn)，這種測量電路----相敏電橋電路。（3）相敏整流電橋21相敏整流電橋

原理分析：（1）銜鐵在中間位置：Z1=Z2=Z0,當電壓u為上正下負，則VD1、VD4導通，VD2、VD3截止，R2的壓降等于R1的壓降uo=0;當電壓u為上負下正。。。。。。uo=0（2)

銜鐵沿方向1偏離中間位置：Z1=Z0+△Z,Z2=Z0-△Z,當電壓u為上正下負，則VD1、VD4導通，VD2、VD3截止，R2的壓降大于R1的壓降；當電壓u為上負下正，則VD1、VD4截止，VD2、VD3導通，R2的壓降大于R1的壓降，則輸出電壓uo為上負下正。22相敏整流電橋

（3）銜鐵沿方向2離中間位置：Z1=Z0-△Z,Z2=Z0+△Z,分析過程類似。則輸出電壓uo為上正下負。23相敏整流電橋的輸出特性

1—理想特性曲線2—實際特性曲線即：相敏整流電橋的輸出既能反映銜鐵位移的大小，又能反映位移的方向。

24（4）諧振式（調幅、調頻、調相）測量電路調幅式電路輸出幅值隨電感L變化調頻電路電感L變化時諧振頻率變化

25四、自感式傳感器的應用1.壓力測量

26滾珠大小分揀根據(jù)電感傳感器對滾珠直徑的測量，實現(xiàn)自動分揀。27第二節(jié)變壓器式傳感器（互感式）把被測的非電量變化轉換為線圈互感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，并且次級繞組用差動形式連接，故稱差動變壓器式傳感器。變壓器結構形式：變隙式、變面積式和螺線管式等。在非電量測量中，應用最多的是螺線管式差動變壓器，它可以測量1～100mm機械位移，并具有測量精度高、靈敏度高、結構簡單、性能可靠等優(yōu)點。28一、變隙式變壓器兩個初級繞組的同名端順向串聯(lián)，而兩個次級繞組的同名端則反相串聯(lián)。變壓器式傳感器的結構示意圖29當沒有位移時，銜鐵C處于初始平衡位置，它與兩個鐵芯的間隙有δa0=δb0=δ0，則繞組W1a和W2a間的互感Ma與繞組W1b和W2b的互感Mb相等，致使兩個次級繞組的互感電勢相等，即e2a=e2b。由于次級繞組反相串聯(lián)，因此，差動變壓器輸出電壓Uo=e2a-e2b=0。當被測體有位移時，與被測體相連的銜鐵的位置將發(fā)生相應的變化，使δa≠δb，互感Ma≠Mb，兩次級繞組的互感電勢e2a≠e2b，輸出電壓Uo=e2a-e2b≠0，即差動變壓器有電壓輸出，且輸出電壓的大小和極性與被測體位移的大小和方向有關。30二、螺線管式差動變壓器次級次級骨架初級銜鐵次級次級初級31差動變壓器等效電路32差動變壓器輸出電壓的特性曲線33由圖可以看出，當銜鐵位于中心位置時，差動變壓器輸出電壓并不等于零，我們把差動變壓器在零位移時的輸出電壓稱為零點殘余電壓，記作ΔUo。產生殘余電壓的原因是：由于兩個次級線圈繞組電氣參數(shù)（M互感L電感R內阻）不同，幾何尺寸工藝上很難保證完全相同。34三、變壓器式傳感器測量電路差動變壓器的輸出是交流電壓(用交流電壓表測量，只能反映銜鐵位移的大小，不能反映移動的方向)。為了達到能辨別移動方向，實際測量時，常常采用差動整流電路和相敏檢波電路。

35(1)差動整流電路

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。（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36輸入一交流信號時整流電路的輸出電壓為：U0=U24-U68（有效值相減）鐵芯T在中間位置，U24=U68U0=0T上移，U24＞U68U0＞0，T下移，U24＜U68U0＜0

鐵芯上移鐵芯下移U0U037各種電感式傳感器非接觸式位移傳感器測厚傳感器電感粗糙度儀接近式傳感器四、應用舉例3839

差動變壓器式傳感器可直接用于位移測量，也可以用來測量與位移有關的任何機械量，如振動，加速度，應變等等。

（1）壓差計

當壓差變化時，腔內膜片位移使差動變壓器次級電壓發(fā)生變化，輸出與位移成正比，與壓差成正比。

40（2）液位測量

沉筒式液位計將水位變化轉換成位移變化，再轉換為電感的變化，差動變壓器的輸出反映液位高低。41（3）電感式測微器

軸向式電感測微器的外形

42模擬式及數(shù)字式電感測微儀43（4）電感式滾柱直徑分選裝置測微儀圓柱滾子44（5）電感式圓度計該圓度計采用旁向式電感測微頭45

電渦流傳感器是根據(jù)電渦流效應原理制成的傳感器。

電渦流式傳感器的特點：（1）結構簡單，使用方便；（2）靈敏度高；（3）抗干擾能力強；（4）可實現(xiàn)非接觸測量；（5）測量線性范圍寬（300μm～1000mm）；（6）壽命長。第三節(jié)渦流式傳感器46一、渦流效應金屬導體置于變化的磁場中，金屬導體內部會產生一圈圈閉合的電流，這種電流叫電渦流，這種現(xiàn)象叫做電渦流效應。形成電渦流必須具備兩個條件：①存在交變磁場②導電體處于交變磁場中

47電渦流效應演示

48現(xiàn)象分析

當線圈兩端加交流電壓時，線圈中產生交流電流，因而產生交變磁場H1。將線圈靠近金屬物體時，金屬物體內部就會產生渦流I2，這個渦流同樣產生交變磁場H2，H2抵消H1，則線圈的電感減小，電流變大。相反，當線圈遠離金屬物體時，電流變小。

49電渦流的應用

清潔、高效的電磁爐50電磁爐內部的勵磁線圈51電磁爐的工作原理高頻電流通過勵磁線圈，產生交變磁場，在鐵質鍋底會產生無數(shù)的電渦流，使鍋底自行發(fā)熱，燒開鍋內的食物。52大直徑電渦流探雷器

53二、等效電路分析

金屬物體產生渦流后，則可以把渦流所在范圍近似看成一個單匝短路次級線圈。這時線圈和金屬物體就可用一個付邊短路的變壓器等效電路來表示。54解方程得到金屬靠近后傳感器（初級）的等效阻抗

即：被測體（金屬）的電阻率ρ、導磁率μ、厚度d，線圈與被測體間的距離X，激勵線圈的角頻率ω等都通過渦流效應和磁效應與線圈阻抗Z有關。若控制某些參數(shù)不變，只改變其中一個參數(shù)，可使阻抗Z成為這個參數(shù)的單值函數(shù)。55三、電渦流傳感器的應用

1、位移測量

位移測量包含：偏心、間隙、位置、傾斜、彎曲、變形、移動、圓度、沖擊、偏心率、寬度等等。來自不同應用領域的許多量都可歸結為位移或間隙變化。

56偏心和振動檢測572、振動測量用電渦流探頭、調幅法測量簡諧振動時，探頭的輸出波形。583、轉速測量

若轉軸上開z個槽(或齒)，頻率計的讀數(shù)為f，則轉軸的轉速n（單位為r/min）的計算公式為

59電渦流涂層厚度儀原理604.電渦流式通道

安全檢查門

安檢門的內部設置有發(fā)射線圈和接