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(dòng)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(cè)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(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出，這種裝置稱為電感式傳感器。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、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(dòng)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(dǎo)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(cè)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(shí)，其運(yùn)動(dòng)部分與動(dòng)鐵心（銜鐵）相連，當(dāng)動(dòng)鐵芯移動(dòng)時(shí)，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(dǎo)致線圈電感值發(fā)生改變，只要測(cè)量電感量的變化，就能確定動(dòng)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(dāng)線圈匝數(shù)N為常數(shù)時(shí)，電感L僅僅是磁路中磁阻的函數(shù)，只要改變 或S均可導(dǎo)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(jì)算出線圈的電感量為：當(dāng)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(dāng)銜鐵上下移動(dòng)時(shí)，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(shí)，銜鐵在線圈中伸入長(zhǎng)度的變化將引起螺管線圈電感量的變化。對(duì)于長(zhǎng)螺管線圈lr，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l大致上成正比

4、。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。電感式傳感器的特點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單：沒有活動(dòng)的電觸點(diǎn)，壽命長(zhǎng)。（2）靈敏度高：輸出信號(hào)強(qiáng)，電壓靈敏度每毫米能達(dá)到上百毫伏。（3）分辨率大：能感受微小的機(jī)械位移與微小的角度變化。（4）重復(fù)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(diǎn)是存在交流零位信號(hào)，不適宜進(jìn)行高頻動(dòng)態(tài)測(cè)量。差動(dòng)式自感傳感器 由于線圈中通有交流勵(lì)磁電流，因而銜鐵始終承受電磁吸力，會(huì)引起振動(dòng)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(huì)使輸出產(chǎn)生誤差。在實(shí)際使用中，常采用兩個(gè)相同的傳感線圈共

5、用一個(gè)銜鐵，構(gòu)成差動(dòng)式自感傳感器，兩個(gè)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(duì)溫度變化、電源頻率變化等的影響也可以進(jìn)行補(bǔ)償，從而減少了外界影響造成的誤差，可以減小測(cè)量誤差。1.差動(dòng)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(dòng)式自感傳感器三種形式的差動(dòng)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(dòng)式自感傳感器結(jié)構(gòu)剖面圖2.差動(dòng)式自感傳感器的特點(diǎn) 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(dòng)式自感傳感器的特點(diǎn) 差動(dòng)氣隙式電感傳感器由兩個(gè)相同的電感線圈1、2和磁路組成。測(cè)量時(shí)，銜鐵通過測(cè)桿與被測(cè)位移量相連，當(dāng)被

6、測(cè)體上下移動(dòng)時(shí)，導(dǎo)桿帶動(dòng)銜鐵也以相同的位移上下移動(dòng)，使兩個(gè)磁回路中磁阻發(fā)生大小相等，方向相反的變化，導(dǎo)致一個(gè)線圈的電感量增加，另一個(gè)線圈的電感量減小，形成差動(dòng)形式。差動(dòng)式與單線圈電感式傳感器相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)。（1）線性度高。（2）靈敏度高，即銜鐵位移相同時(shí)，輸出信號(hào)大一倍。（3）溫度變化、電源波動(dòng)、外界干擾等對(duì)傳感器精度的影響，由于能互相抵消而減小。（4）電磁吸力對(duì)測(cè)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(cè)量電路 自感式傳感器實(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，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(gè)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(gè)二次側(cè)繞組，當(dāng)負(fù)載阻抗無窮大時(shí)輸出電壓為： UU/2U/2U0Z1Z2當(dāng)銜鐵下移時(shí)，Z1=Z-Z，Z2=Z+Z，則有：同理，當(dāng)銜鐵上移時(shí)，有：當(dāng)銜鐵處于中間位置時(shí)，L1=L2=L0，Z1=Z2=Z0，此時(shí)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(hào)，實(shí)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(dāng)差動(dòng)式自感電感傳感器處于中間位置時(shí)，Z1=Z2=Z，輸出電壓U0為零。當(dāng)銜鐵移動(dòng)使Z1增加，則Z2減小，當(dāng)電源U上正下負(fù)時(shí)，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(dāng)電源U下正上負(fù)時(shí)，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(fù)。反之，當(dāng)Z2增加，Z1減小時(shí)，U上正下負(fù)，R1上壓降大于R2上壓降。U上負(fù)下正時(shí)，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(fù)。（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(gè)固定電容C接入一個(gè)振蕩電路中，其振蕩頻率為：當(dāng)L變化時(shí)，振蕩頻率隨之變化，根據(jù)f的大小即可測(cè)出被測(cè)量的值。f和L的特性曲線具有嚴(yán)重的非線性關(guān)系，要求后續(xù)電路做適當(dāng)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(shí)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(dòng)電感壓力傳感器變氣隙式差動(dòng)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(dòng)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(dòng)測(cè)量、測(cè)量長(zhǎng)度位移量和制

10、做電子測(cè)微儀。 差動(dòng)變壓器式傳感器 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(cè)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(dāng)一次線圈接入激勵(lì)電源后，二次線圈就將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)兩者間的互感量變化時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也相應(yīng)變化。由于兩個(gè)二次線圈采用差動(dòng)接法，故稱為差動(dòng)變壓器式傳感器，簡(jiǎn)稱差動(dòng)變壓器。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)或互感系數(shù)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，這種裝置稱為電感式傳感器。差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu) 差動(dòng)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(dòng)變壓

11、器，銜鐵均為板形，靈敏度高，測(cè)量范圍則較窄，一般用于測(cè)量幾微米到幾百微米的機(jī)械位移。對(duì)于位移在1mm至上百毫米的測(cè)量，常采用圓柱形銜鐵的螺管型差動(dòng)變壓器，如c、d兩種結(jié)構(gòu)。e、f兩種結(jié)構(gòu)是測(cè)量轉(zhuǎn)角的差動(dòng)變壓器，通?？蓽y(cè)到幾秒的微小位移。非電量測(cè)量中，應(yīng)用最多的是螺線式差動(dòng)變壓器，它可以測(cè)量范圍內(nèi)的機(jī)械位移，并具有測(cè)量精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。(e)、(f) 變截面式差動(dòng)變壓器 (a)、(b) 變間隙式差動(dòng)變壓器(c)、(d) 螺線管式差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器的工作原理差動(dòng)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(dòng)變壓器上下兩只鐵芯均有

12、一個(gè)初級(jí)線圈1和一個(gè)次級(jí)線圈2。上下兩只初級(jí)線圈串聯(lián)后接交流激勵(lì)電壓，兩只次級(jí)線圈則按電勢(shì)反相串接。螺管型差動(dòng)變壓器根據(jù)初、次級(jí)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(dòng)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(diǎn)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(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)示意圖將兩個(gè)匝數(shù)相等的次級(jí)繞組的同名端反向串聯(lián)，當(dāng)初級(jí)繞組加以激磁電壓時(shí)，根據(jù)變壓器的作用原理在兩個(gè)次級(jí)繞組和中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì);如果工藝上保

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

14、除零位電壓。1.差動(dòng)相敏檢波電路 差動(dòng)相敏檢波的形式很多，相敏檢波電路要求參考電壓與差動(dòng)變壓器次級(jí)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(hào)的。差動(dòng)相敏檢波電路 移相器RP差動(dòng)變壓器的測(cè)量電路 2.差動(dòng)整流電路 差動(dòng)整流電路簡(jiǎn)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(duì)感應(yīng)和分布電容影響不敏感。經(jīng)差動(dòng)整流后變成直流輸出便于遠(yuǎn)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(dòng)整流電路根據(jù)半導(dǎo)體二級(jí)管單

15、向?qū)ㄔ磉M(jìn)行解調(diào)的。如傳感器的一個(gè)次級(jí)線圈的輸出瞬時(shí)電壓極性，在f點(diǎn)為“”，e點(diǎn)為“”，則電流路徑是fgdche（參看圖a）。反之，如f點(diǎn)為“”，e點(diǎn)為“”，則電流路徑是ehdcgf?？梢?，無論次級(jí)線圈的輸出瞬時(shí)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(gè)次級(jí)線圈的輸出情況。輸出的電壓波形見圖（b），其值為USC=eabecd。差動(dòng)變壓器的應(yīng)用電路 差動(dòng)變壓器式傳感器可以直接用于位移測(cè)量，也可測(cè)量與位移有關(guān)的任何機(jī)械量，如力、力矩、壓力、壓差、振動(dòng)、加速度、應(yīng)變、液位等。 1.力和力矩的測(cè)量差動(dòng)變壓器式力傳感器2.壓力測(cè)量將差動(dòng)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(cè)量(31036103)N/m2壓力，輸出信號(hào)電壓為(030)mV，精度為級(jí)。220V1接頭 2 膜盒 3 底座 4 線路板 3 差動(dòng)變壓器 6 銜鐵 7 罩殼V振蕩器穩(wěn)壓電源差動(dòng)變壓器相敏檢波電路12343673.加速度傳感器 用于測(cè)定振動(dòng)物體的頻率和振幅時(shí)其激勵(lì)頻率必須是振動(dòng)頻率的十倍以上，才能得到精確的測(cè)量結(jié)果?？蓽y(cè)量的振幅為3)mm，振動(dòng)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(dòng)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(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中，導(dǎo)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(jìn)行非電量電測(cè)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(dǎo)體置于通有交變電流的傳感器線圈磁場(chǎng)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(gè)交變磁場(chǎng)，當(dāng)被測(cè)導(dǎo)體置于該磁場(chǎng)范圍之內(nèi)，被測(cè)導(dǎo)體內(nèi)便產(chǎn)生電渦流，電渦流也將產(chǎn)生一個(gè)新磁場(chǎng)，和方向相反，抵消部分原磁場(chǎng)，從而導(dǎo)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(jiǎn)單，主要由一個(gè)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(shí)物圖電渦流式傳感器的測(cè)量電路利用電渦流式變換元件進(jìn)行測(cè)量時(shí)，為了得到較強(qiáng)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(hào)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(dāng)電渦流線圈與被測(cè)體的距離x改變時(shí)，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(jì)算機(jī)測(cè)量。如果要用模擬儀表進(jìn)行顯示或記錄時(shí)，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(cè)量范圍大、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)和可以非接觸測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究各個(gè)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(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