電感式傳感器

關(guān)于電感式傳感器12.04.2024112.04.20242電感式傳感器概念和類型

電感式傳感器是以電和磁為媒介，利用磁場(chǎng)的變化引起線圈的電感量或互感量的變化，把非電量轉(zhuǎn)化為電量的裝置（基于電磁感應(yīng)原理）。按照轉(zhuǎn)換方式的不同可分為自感式（包括可變磁阻式與渦流式）和互感式（差動(dòng)變壓器式）兩種。第2頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天12.04.20243§5-1自感式傳感器

自感式傳感器是利用線圈自身電感的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)非電量與電量的轉(zhuǎn)換。主要有變氣隙型、變面積型、螺管插鐵型。一、變磁路氣隙式電感傳感器組成：線圈、鐵芯和銜鐵組成。在鐵芯與銜鐵之間存在氣隙δ。第3頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天12.04.20244根據(jù)磁路理論，磁通為：原理分析：根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)線圈中通以電流I時(shí)，產(chǎn)生磁通，其大小與電流成正比，線圈的自感量L為第4頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天12.04.20245線圈自感可用下式計(jì)算：磁路的磁阻主要是氣隙δ產(chǎn)生的氣隙磁阻，聯(lián)立式（5－1）、（5－2）、（5－4），線圈的電感量為第5頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天12.04.20246線圈電感變化量（氣隙減小）

非線性誤差靈敏度和線性度之間存在矛盾；一般變氣隙式電感傳感器只能在較小的氣隙范圍內(nèi)變化微小的位移。因此只適用于微小位移量的檢測(cè)，一般約為0.001～1mm。上式說(shuō)明：當(dāng)活動(dòng)銜鐵的位移很小時(shí)，線圈的電感變化量與位移量成線性關(guān)系。

其靈敏度為第6頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天12.04.20247

原理1.靈敏度是一常數(shù)；2.在一定范圍內(nèi)不存在非線性；3.當(dāng)正反方向變化相同的x時(shí)，其電感變化量具有對(duì)稱性。但當(dāng)x>a時(shí)就不再存在直線關(guān)系，其線性范圍是有限的。結(jié)論二、變磁路截面積式自感傳感器傳感器的靈敏度第7頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天12.04.20248三、螺管插鐵型電感傳感器式中：L—單個(gè)線圈的電感量；

L0—空心螺管線圈的電感量，

W－單個(gè)線圈的匝數(shù)；

r－線圈的平均半徑；

rc－柱形銜鐵的半徑；

l

－單個(gè)螺管線圈長(zhǎng)度；

lc－柱形銜鐵插入到單個(gè)螺管內(nèi)的長(zhǎng)度；－鐵芯的有效磁導(dǎo)率。原理：?jiǎn)蝹€(gè)線圈電感量與銜鐵插入長(zhǎng)度關(guān)系為第8頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天12.04.20249傳感器的靈敏度：螺管線圈電感變化量總結(jié)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易制造，靈敏度低，適于較大位移（數(shù)毫米）測(cè)量。第9頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天12.04.202410四、差動(dòng)電感傳感器

自感式傳感器是單線圈工作，存在的問(wèn)題：沒(méi)有信號(hào)輸入時(shí)，仍有輸出；外界干擾時(shí)輸出產(chǎn)生誤差；靈敏度低等。差動(dòng)自感式傳感器可以克服這些缺點(diǎn)。由兩個(gè)結(jié)構(gòu)、材料和電氣參數(shù)相同自感傳感器構(gòu)成。第10頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天12.04.202411

對(duì)差動(dòng)式傳感器，當(dāng)共用銜鐵位移時(shí)，兩線圈的間隙按

0

、

0+變化，即一個(gè)線圈自感增加，另一個(gè)減小。當(dāng)

/

<<1時(shí)：1.

工作原理第11頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天12.04.202412靈敏度，為原來(lái)的兩倍。非線性誤差降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

第12頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天12.04.2024132.交流電橋初始條件電橋處于平衡狀態(tài)，輸出USC=0。當(dāng)銜鐵偏移時(shí)，，則第13頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天12.04.202414所以上式為，將代入后上式表明輸出電壓與銜鐵的位移成正比，其相位與運(yùn)動(dòng)方向有關(guān)，如圖所示，其優(yōu)點(diǎn)為：＊從理論上消除了零位輸出誤差；＊靈敏度提高一倍；＊線性度得到改善；＊差動(dòng)形式可以提高外界的干擾。第14頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天12.04.2024153.變壓器交流電橋電橋的工作臂是Z1、Z2，另外兩個(gè)臂是變壓器的次級(jí)線圈，輸出取自A、B兩點(diǎn)，B點(diǎn)為線圈的中心，并接地。初始時(shí)，當(dāng)銜鐵偏離時(shí)，第15頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天12.04.202416同理，當(dāng)銜鐵偏移

時(shí)，可推導(dǎo)出綜合上兩式有結(jié)論：a）以上交流電橋，變壓器電橋其輸出正比于

L/L0。b）輸出為交流信號(hào)，其方向、大小需通過(guò)整流、濾波后才能獲得相應(yīng)直流信號(hào)。4、相敏整流第16頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天12.04.202417§5-2互感式傳感器

互感式傳感器又稱變壓器式傳感器，是把非電量的變化轉(zhuǎn)換成線圈相互的互感量的變化，然后再經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)輸出。結(jié)構(gòu)形式主要有三種：螺管型差動(dòng)變壓器、型差動(dòng)變壓器及旋轉(zhuǎn)變壓器。但目前常用的是螺管型差動(dòng)變壓器。一、螺管型差動(dòng)變壓器

螺管型差動(dòng)變壓器按繞組排列形式可分為二段式、三段式、四段式、五段式等。1.原理第17頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天12.04.202418

如上圖左是三段繞組螺管型差動(dòng)變壓器，上圖右是其等效電路。由等效電路可得

主要由線圈繞組（初級(jí)繞組和次級(jí)繞組）、可移動(dòng)銜鐵、導(dǎo)磁外殼三大部分組成。第18頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天12.04.202419所以有當(dāng)銜鐵處于中間位置時(shí)M1=M2，E2=0當(dāng)銜鐵偏離中間位置時(shí)，設(shè)M1＝M+△M1，M2＝M－△M

2，△M1＝△M2＝△M，有

位移量與△M有近似線性關(guān)系。第19頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天12.04.2024202.主要特性（1）輸出特性差動(dòng)變壓器輸出電壓可用下式計(jì)算：E2為差動(dòng)變壓器輸出電壓有效值；x銜鐵的位移量；k1與變壓器結(jié)構(gòu)尺寸和電參數(shù)有關(guān)的系數(shù)；k2與變壓器結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)。（2）線性度

在輸出特性公式中，通常k2x2<<1，也就是說(shuō)k2通常很小，理想的輸出特性為

E’2=k1x第20頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天12.04.202421（3）靈敏度

則最大偏差為非線性誤差為

當(dāng)忽略k2x2時(shí)，差動(dòng)變壓器的靈敏度為k1。當(dāng)差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)確定后，激勵(lì)信號(hào)頻率是影響靈敏度的主要因素。靈敏度為(0.1～5)V/mm。第21頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天12.04.202422（4）激勵(lì)頻率差動(dòng)電源的激勵(lì)頻率對(duì)其靈敏度和線性度均有較大的影響。實(shí)際應(yīng)用中電源的激勵(lì)頻率常為400Hz～10kHz，并且高于銜鐵運(yùn)動(dòng)頻率的十倍。（5）零位輸出電壓零位電壓常為幾毫伏至幾十毫伏。零位電壓的危害：①零點(diǎn)附近靈敏度減?。虎诤蠼痈咴鲆娣糯笃鲿r(shí)，易使放大器出現(xiàn)飽和而堵塞有用信號(hào)通過(guò)。③如用來(lái)控制執(zhí)行元件，易產(chǎn)生誤動(dòng)作。第22頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天12.04.2024233.測(cè)量電路（1）相敏檢波電路

＊比較器＊放大電路＊檢波器＊濾波器第23頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天12.04.202424第24頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天12.04.202425VinVoVinVo第25頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天12.04.202426VsVinVbVoVoutVs和Vin同相時(shí)第26頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天12.04.202427Vs和Vin反相時(shí)VsVinVbVoVout第27頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天12.04.202428（2）差動(dòng)整流電路單相半波差動(dòng)整流（電壓、電流型），單相全波橋式差動(dòng)整流電路（電壓、電流型）

。（3）單片LVDT信號(hào)處理電路LVDT（Linearvariabledifferentialtransformer）的單片集成信號(hào)處理IC有AD598、AD698第28頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天12.04.202429

金屬板置于一只線圈的附近，它們之間相互的間距為x，當(dāng)線圈輸入一交變電流I1時(shí)，便產(chǎn)生交變磁通量Φ，金屬板在此交變磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流i2，這種電流在金屬體內(nèi)是閉合的，所以稱之為“渦電流”或“渦流”。

§5-3電渦流式傳感器一、工作原理渦流的大小與金屬板的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ、厚度h，金屬板與線圈的距離x，激勵(lì)電流角頻率ω等參數(shù)有關(guān)。若改變其中某一參數(shù)，而固定其他參數(shù)不變，就可根據(jù)渦流的變化測(cè)量該參數(shù)。第29頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天12.04.202430

高頻(>lMHz)激勵(lì)電流，產(chǎn)生的高頻磁場(chǎng)作用于金屬板的表面，由于集膚效應(yīng)，在金屬板表面將形成渦電流。與此同時(shí)，該渦流產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)又反作用于線圈，引起線圈自感L或阻抗ZL的變化，其變化與距離該金屬板的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ、激勵(lì)電流i，及角頻率ω等有關(guān)，若只改變距離δ而保持其他系數(shù)不變，則可將位移的變化轉(zhuǎn)換為線圈自感的變化，通過(guò)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電壓輸出。高頻反射式渦流傳感器多用于位移測(cè)量。

渦流式傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式。

二、渦流傳感器類型1.高頻反射式第30頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天12.04.202431

低頻透射式渦流傳感器的工作原理如圖所示，發(fā)射線圈ω1和接收線圈ω2分別置于被測(cè)金屬板材料G的上、下方。2、低頻透射式

由于低頻磁場(chǎng)集膚效應(yīng)小，滲透深，當(dāng)?shù)皖l（音頻范圍)電壓e1加到線圈ω1的兩端后，所產(chǎn)生磁力線的一部分透過(guò)金屬板材料G,使線圈ω2產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e2。但由于渦流消耗部分磁場(chǎng)能量，使感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e2減少，當(dāng)金屬板材料G越厚時(shí)，損耗的能量越大，輸出電動(dòng)勢(shì)e2越小。因此，e2的大小與G的厚度及材料的性質(zhì)有關(guān)，試驗(yàn)表明，e2隨材料厚度h的增加按負(fù)指數(shù)規(guī)律減少,如圖所示，因此，若金屬板材料的性質(zhì)一定，則利用e2的變化即可測(cè)量其厚度。第31頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天12.04.202432三、特性分析（1）輸出特性：一定距離范圍內(nèi)呈線性（2）靈敏度靈敏度正比于線圈直徑，反比于線圈厚度；被測(cè)測(cè)物體半徑大于線圈外徑1.8倍，要有一定厚度；正比于電導(dǎo)率，反比于磁導(dǎo)率；正比于工作頻率。四、測(cè)量電路1.調(diào)幅式測(cè)量電路第32頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天12.04.2024332.調(diào)頻式測(cè)量電路第33頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天12.04.202434第34頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天12.04.2024353.電橋測(cè)量電路第35頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天12.04.202436§5-4電感式傳感器應(yīng)用一、電感式傳感器應(yīng)用1.電感式位移式傳感器2.差動(dòng)變壓器測(cè)速3.差動(dòng)變壓器測(cè)慣性加速度4.磨加工連續(xù)表面主動(dòng)測(cè)量?jī)x5.三維電感測(cè)頭二、電渦流傳感器應(yīng)用1.渦流式傳感器測(cè)位移第36頁(yè),共44