電氣測試技術(shù)第4版課件3.3電感式傳感器

March22,2023《電氣測試技術(shù)（第4版）》

萬頻林德杰李學(xué)聰March22,20233.3電感式傳感器電感式傳感器是利用線圈自感或互感系數(shù)的變化來實(shí)現(xiàn)測量的一種裝置，可以用來測量位移、振動、壓力、流量、重量、力矩等各種非電物理量。位移、振動、壓力、流量、重量、力矩電感電壓、電流優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，壽命長；靈敏度高（1mm：→幾百mV）；分辨力好（0.01μm）；重復(fù)性好，線性度優(yōu)；缺點(diǎn)：頻率響應(yīng)較低，不宜快速動態(tài)測量；分辨力與測量范圍有關(guān)，測量范圍小，分辨力高，反之則低。March22,2023分類:電感式傳感器自感型互感型變面積型自感傳感器螺線管型自感傳感器變間隙型自感傳感器差動變壓器式傳感器壓磁式傳感器電渦流式傳感器March22,20233.3.1自感式傳感器圖3-25簡單自感傳感器結(jié)構(gòu)示意圖a）變氣隙式b）變面積式c）螺管式圖3-25是簡單自感傳感器結(jié)構(gòu)的示意圖3.3.1.1簡單自感式傳感器的原理及特性March22,2023自感式電感傳感器的原理及特性

右圖是簡單自感傳感器結(jié)構(gòu)的示意圖。它由線圈、鐵心和銜鐵所組成。線圈是套在鐵心上的。在鐵心與銜鐵之間有一個(gè)空氣隙，其厚度為。根據(jù)磁路的基本知識，傳感器線圈的電感量可按下式計(jì)算：

式中，為線圈匝數(shù)；為以平均長度表示的磁路的總磁阻。如果空氣隙厚度較小，而且不考慮磁路的鐵損，則總磁阻為：

因?yàn)橐话憧諝庀兜拇抛璞葘?dǎo)磁體的磁阻大很多，故在計(jì)算時(shí)，可忽略導(dǎo)磁體磁阻，則有：式中，為各段導(dǎo)磁體的磁路平均長度；為各段導(dǎo)磁體的磁導(dǎo)率；為各段導(dǎo)磁體橫截面積；為空氣隙的磁導(dǎo)率(

=H/cm)；為空氣隙截面積。March22,20231.變氣隙式自感傳感器的工作特性

因此，其靈敏度隨氣隙的增大而減小。由上頁分析可知線圈的電感值可近似地表示為變氣隙式自感傳感器的工作特性

March22,2023當(dāng)時(shí)，電感變化量為：

同理當(dāng)時(shí)，電感變化量為：

式中第一項(xiàng)為線性項(xiàng)，其靈敏度為：而第二項(xiàng)以后是非線性項(xiàng)，含有n次方的非線性。March22,2023若僅考慮二次方非線性，其非線性誤差為：由此可看出變氣隙式自感傳感器的特點(diǎn)：靈敏度高，測量范圍小，但非線性誤差大，為減小非線性誤差，不能太大，通常取為宜。March22,20232.變截面積式自感傳感器的工作特性

鐵心與銜鐵之間相對覆蓋面積隨被測量的變化面改變，導(dǎo)致線圈的電感量發(fā)生變化，這種形式稱之為變面積型電感傳感器，見圖1。L與δ是非線性的，但與S成線性，特性曲線參見圖。由此可看出變截面積式自感傳感器的特點(diǎn)：

測量范圍較大，非線性誤差小，但靈敏度較低。March22,20233.螺管式自感傳感器的工作特性

下圖為其結(jié)構(gòu)原理圖，銜鐵隨被測物移動，引起磁阻發(fā)生變化，導(dǎo)致電感量改變。線圈電感量與銜鐵進(jìn)入線圈的長度可表示為

通過以上分析可得結(jié)論:I.

變間隙型靈敏度較高,但非線性誤差較大；II.

變面積型靈敏度較小,但線性較好,量程較大；III.

螺管型靈敏度較低,但量程大且結(jié)構(gòu)簡單。March22,20233.3.1.2差動式電感傳感器

由于自感傳感器具有初始電感，線圈流向負(fù)載的電流不為零，銜鐵永遠(yuǎn)受有吸力，線圈電阻受溫度影響引起溫度誤差，靈敏度低等缺點(diǎn)。因此，實(shí)際中應(yīng)用較少，常用差動自感傳感器。差動自感傳感器：用兩個(gè)相同的傳感線圈共用一個(gè)銜鐵,構(gòu)成差動式電感傳感器,這樣可以提高傳感器的靈敏度,減小測量誤差。March22,2023變氣隙式差動自感傳感器原理見圖3-26.它由一個(gè)公共銜鐵和上、下兩個(gè)對稱的線圈L1和L2組成。

當(dāng)銜鐵向上位移，在差動自感傳感器中，電感變化量：變氣隙式差動自感傳感器的特性分析上式中第一項(xiàng)是線性項(xiàng)，其靈敏度為：可見，差動自感傳感器的靈敏度是簡單自感傳感器的2倍。差動自感傳感器僅含奇次方非線性項(xiàng)，其三次方非線性誤差為：非線性得到很大的改善。同理，變面積式和螺管式差動自感傳感器也能得到提高靈敏度和改善線性度的同樣的結(jié)論。圖3-26變氣隙式差動自感傳感器March22,20233.3.1.2測量電路圖3-27變壓器式交流電橋1.基本測量電路

基本測量電路通常采用交流電橋，如圖3-27所示。電橋的兩臂和為差動自感傳感器中的兩個(gè)線圈的阻抗，另兩臂為電源變壓器二次線圈的兩半（每一半的電壓為），輸出電壓取自A、B兩點(diǎn)。假定0點(diǎn)為參考零電位，則A點(diǎn)的電壓為：B點(diǎn)的電位為：則有輸出電壓（3-56）當(dāng)銜鐵處于中心位置時(shí)，由于兩線圈完全對稱，因此，代入式（3-56），得：當(dāng)銜鐵向下移動時(shí)，下面線圈的阻抗增加，即，而上面線圈的阻抗減小，即，故此時(shí)的輸出電壓為：March22,2023若傳感器線圈為高值，即線圈電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其電感阻抗，即時(shí)，其輸出電壓的有效值為：式中，為電源角頻率。同理，當(dāng)傳感器銜鐵上移同樣大小的距離時(shí)，可推得：其有效值為：比較式（3-57）和式（3-59）可知，當(dāng)銜鐵向上移動和向下移動相同距離時(shí)，其輸出大小相等，方向相反。由于電源電壓是交流，所以盡管式中有正負(fù)號，還是無法加以分辨。March22,2023帶相敏整流的交流電橋圖3-28帶相敏整流的測量電橋當(dāng)銜鐵處于中間位置時(shí)，，電橋處于平衡狀態(tài)，輸出電壓；當(dāng)銜鐵上移，使上線圈阻抗增大，，而下線圈阻抗減少。設(shè)輸入交流電壓為正半周，即A點(diǎn)為正，B點(diǎn)為負(fù)，則二極管VD1、VD4導(dǎo)通，VD2、VD3截止。在A→E→C→B支路中，C點(diǎn)電位由于的增大而比平衡時(shí)C點(diǎn)的電位降低；在A→F→D→B支路中，D點(diǎn)電位由于的降低而比平衡時(shí)D點(diǎn)的電位增加，即D點(diǎn)電位高于C點(diǎn)電位，此時(shí)直流電壓表正向偏轉(zhuǎn)。設(shè)輸入交流電壓為負(fù)半周，即A點(diǎn)為負(fù)，B點(diǎn)為正，則二極管VD2、VD3導(dǎo)通，VD1、VD4截止。在B→C→F→A支路中，C點(diǎn)電位由于的減小而比平衡時(shí)降低。March22,2023帶相敏整流的交流電橋而在B→D→E→A支路中，D點(diǎn)電位由于的增加而比平衡時(shí)的電位增加。所以仍然是D點(diǎn)電位高于C點(diǎn)電位，直流電壓表正向偏轉(zhuǎn)。只要銜鐵上移，不論輸入電壓是正半周還是負(fù)半周，電壓表總是正向偏轉(zhuǎn)，即輸出電壓總為下正、上負(fù)。用同樣的分析方法，當(dāng)銜鐵下移時(shí)，，無論交流電壓的極性如何，電壓表總是反向偏轉(zhuǎn)，即輸出電壓總是上正、下負(fù)?？梢姡捎脦嗝粽鞯慕涣麟姌?，輸出信號既能反映位移的大小，又能反映銜鐵運(yùn)動的方向，并能消除零點(diǎn)殘余電壓，改善輸出特性。其輸出特性見圖3-29b。March22,2023帶相敏整流的交流電橋由于傳感器的結(jié)構(gòu)不可能絕對對稱輸入交流電壓含有高次諧波等原因，銜鐵在中間位置時(shí)輸出電壓不等于零而等于較小的電壓，稱為零點(diǎn)殘余電壓，不帶相敏整流電路的變壓器橋路的輸出特性，見圖3-29a。

圖3-29變壓器橋路的輸出特性a）不帶相敏整流電路的輸出特性b）帶相敏整流電路的輸出特性March22,20232.數(shù)字化測量電路阻抗測量的數(shù)字化儀器已得到日益廣泛的應(yīng)用，它具有測量精度高，反應(yīng)迅速，使用方便等優(yōu)點(diǎn)。圖3-30阻抗的數(shù)字化測量原理框圖March22,2023相敏檢波電路圖3-30被測阻抗接在運(yùn)算放大器A1的輸入回路，適用于測量較小的阻抗，若測量較大的阻抗，可將被測阻抗替代運(yùn)算放大器A1中的

，原來被測阻抗的位置接一個(gè)精密的固定電阻。該電路是電感和電容兩用的測量電路。圖3-31相敏檢波電路March22,20233.3.1.4自感傳感器應(yīng)用實(shí)例1.JGH電感測厚儀圖3-32JGH測厚儀電路原理圖March22,20232.BYM型壓力傳感器圖3-33BYM型壓力傳感器March22,20233.3.2差動變壓器式傳感器差動變壓器式傳感器的工作原理是把被測量的變化轉(zhuǎn)換成互感系數(shù)的變化。傳感器本身是互感系數(shù)可變的變壓器，故又稱互感式傳感器。由于共二次側(cè)接成差動形式（相同的同名端相接），故又稱為差動變壓器式傳感器。March22,20233.3.2.1差動變壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理差動變壓器由鐵芯、骨架和兩個(gè)或多個(gè)二次側(cè)線圈組成，見圖3-34a.在差動變壓器的一次側(cè)繞組通以適當(dāng)頻率的激勵電壓，當(dāng)鐵芯隨被測量的變化作上、下位移時(shí)，一次側(cè)繞組對兩個(gè)對稱的二次側(cè)繞組之間的互感也作相應(yīng)的變化，因此兩個(gè)二次側(cè)繞組的感應(yīng)電動勢和也作相應(yīng)的變化，從而將位移轉(zhuǎn)換成輸出電壓，見圖3-34b。圖

3-34差動變壓器的結(jié)構(gòu)、原理及其輸出特性a）結(jié)構(gòu)圖

b）原理圖

c）輸出特性March22,2023當(dāng)忽略差動變壓器的渦流損耗、磁滯損耗和分布電容等影響時(shí)，則可以看作是一個(gè)理想的差動變壓器，其等效電路。當(dāng)鐵芯向上移動時(shí)，E2的幅值為：當(dāng)鐵芯向下移動時(shí)，E2的幅值為：差動變壓器輸出阻抗的模為：1）等效電路計(jì)算圖3-35差動變壓器的等效電路a）等效電路b）簡化等效電路

3.3.2.2差動變壓器的基本特性1.等效電路

當(dāng)忽略差動變壓器的渦流損耗、磁滯損耗和分布電容等影響時(shí)，則可以看作是一個(gè)理想的差動變壓器，其等效電路見圖3-35a。March22,20232）靈敏度

差動變壓器的靈敏度是指在單位勵磁電壓下，鐵心移動單位位移時(shí)的輸出電壓或電流，以V/(mm·V)或mA/(mm·V)表示。一般差動變壓器的靈敏度可達(dá)0.1~0.5V/(mm·V)或100mA/(mm·V)。3）線性范圍

理想的差動變壓器二次側(cè)輸出電壓應(yīng)與鐵心位移成線性關(guān)系。實(shí)際上由于鐵心的長度、直徑、材質(zhì)和線圈骨架的形狀、大小的不同均對線性度有直接的影響。差動變壓器一般線性范圍約為線圈骨架長度的1/10~1/4。由于差動變壓器中間部分磁場是均勻的且較強(qiáng)，所以只有中間部分線性度較好。4）溫度特性

差動變壓器受溫度影響機(jī)械結(jié)構(gòu)的膨脹、收縮、線圈電阻的變化，會使測量精度下降。由于機(jī)械部分熱脹冷縮，影響測量精度達(dá)數(shù)μm到10μm左右，如果要把機(jī)械部分的溫度影響限制在1μm的范圍內(nèi)，則需把差動變壓器在使用環(huán)境中放置24h后，方可進(jìn)行測量。March22,2023當(dāng)差動變壓器鐵心位于中間位置時(shí)，由于對稱的兩個(gè)二次線圈反向串聯(lián)，理論上感生電動勢應(yīng)大小相等方向相反，因而差動輸出電壓應(yīng)該為零，但實(shí)際情況并不為零，總會有一個(gè)很小的輸出電壓U0。這個(gè)電壓一般稱為“零點(diǎn)殘余電壓”，使傳感器的輸出特性不過零點(diǎn)，見圖3-36a。I.

盡可能保證傳感器幾何尺寸、線圈電氣參數(shù)玫磁路的對稱。磁性材料要經(jīng)過處理，消除內(nèi)部的殘余應(yīng)力，使其性能均勻穩(wěn)定。

II.

選用合適的測量電路，如采用相敏整流電路。既可判別銜鐵移動方向雙可改善輸出特性，減小零點(diǎn)殘余電動勢。Ⅲ.采用補(bǔ)償線路減小零點(diǎn)殘余電動勢在差動變壓器二次側(cè)串、并聯(lián)適當(dāng)數(shù)值的電阻電容元件，當(dāng)調(diào)整這些元件時(shí)，可使零點(diǎn)殘余電動勢減小。

減小零點(diǎn)殘余的方法：U0約為零點(diǎn)幾mV到幾十mV5）零點(diǎn)殘余電壓及其消除方法

圖3-36零點(diǎn)殘余電壓及其消除方法之一a）零點(diǎn)殘余電壓b）帶相敏整流電路的特性曲線

March22,2023一些典型的補(bǔ)償電路圖3-37補(bǔ)償電路a）電阻補(bǔ)償b）電阻補(bǔ)償c）阻容補(bǔ)償

March22,20233.3.2.3差動變壓器的測量電路差動變壓器最常應(yīng)用的測量電路是差動整流電路，見圖3-38。把兩個(gè)二次電壓分別整流后，以它們的差為輸出（ab端），這樣，二次電壓的相位和零點(diǎn)缺余電壓都不必考慮。圖3-38中的圖a和圖b用在連接低阻抗負(fù)載的場合，是電流輸出型。圖c和圖d用在連接高阻抗負(fù)載的場合，是電壓輸出型。圖3-38差動變壓器的測量電路a）全波整流電流輸出型b）半波整流電流輸出型c）全波整流電壓輸出型d）半波整流電壓輸出型

March22,20233.3.2.4差動變壓器的應(yīng)用實(shí)例1.CPC-A型差壓計(jì)圖3-39CPC-A型差壓計(jì)圖3-40T1和T2組成的無差平衡系統(tǒng)March22,20232.差動變壓器式電子秤圖3-42差動變壓器式電子秤原理示意圖3.差動變壓器式加速度傳感器圖3-43差動變壓器式加速度傳感器March22,20234.差動變壓器式角位移傳感器差動變壓器也可以做成改變導(dǎo)磁截面積的變截面型傳感器，用來測量角位移，其結(jié)構(gòu)見圖3-44。它通?？蓽y到幾角秒的微小位移，輸出的線性范圍一般在±10°左右。這種傳感器又稱微同步器。圖3-44差動變壓器式角位移傳感器March22,20233.3.3電渦流式傳感器成塊的金屬在交變磁場中或在磁場中作切割磁力線運(yùn)動時(shí)，金屬內(nèi)部會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢形成電流，這種電流就稱電渦流。建立在電渦流效應(yīng)原理上傳感器，稱為電渦流式傳感器。渦流傳感器的最大特點(diǎn)是可以對一些參數(shù)進(jìn)行非接觸的連續(xù)測量，動態(tài)響應(yīng)好，靈敏度高，測量線性范圍大（300μm~1000mm），抗干擾能力強(qiáng)，在工業(yè)中應(yīng)用越來越廣。它可以用來測量振動、位移、厚度、轉(zhuǎn)速、溫度、硬度等參數(shù)，還可以進(jìn)行無損探傷，是一種有發(fā)展前途的傳感器。渦流傳感器在金屬體上產(chǎn)生的電渦流，其滲透深度與傳感器線圈的勵磁電流的頻率有關(guān)，所以渦流傳感器主要可分為高頻反射和低頻透射兩類。March22,20233.3.3.1高頻反射渦流傳感器高頻反射渦流傳感器是一只固定在框架上的扁平線圈（見圖3-45）。傳感器工作的等效電路見圖3-46。圖3-45高頻反射電渦流傳感器原理圖3-46電渦流傳感器的等效電路March22,2023高頻反射渦流傳感器高頻反射渦流傳感器是一只固定在框架上的扁平線圈（見圖3-45）。當(dāng)沒有測量體接近時(shí)，傳感器的線圈由于高頻電流的激勵，將產(chǎn)生一個(gè)高頻交變磁場。當(dāng)被測導(dǎo)電體靠近傳感器時(shí)，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，在被測導(dǎo)電體的表面將產(chǎn)生與交變磁場相交鏈的電渦流（渦流作用范圍一般為線圈外徑的1.4倍），此渦流又將產(chǎn)生一磁場，而總是抵抗的存在。被測導(dǎo)體靠近通有高頻電流的傳感器時(shí)，除存在渦流效應(yīng)外，還存在磁效應(yīng)，結(jié)果改變了傳感器的電參數(shù)，使線圈的Q值下降。March22,2023圖3-47諧振特性曲線圖3-48傳感器輸出特性曲線March22,20233.3.3.2低頻透射傳感器低頻透射式電渦流傳感器采用低頻激勵，因而能得到較大的貫穿深度，可用于測量金屬的厚度。圖3-49為低頻透射渦流傳感器原理圖。圖3-49低頻透射式電渦流傳感器原理圖3-50不同激磁頻率的關(guān)系曲線March22,20233.3.3.3測量電路根據(jù)電渦流傳感器原理，被測參數(shù)變化可以轉(zhuǎn)換成傳感器線圈的Q值、等效阻抗和等效電感的變化，利用測量電路把這些參數(shù)轉(zhuǎn)換為電量輸出。其測量電路可采用諧振測量電路，也可采用電橋電路。諧振測量電路根據(jù)其輸出是電壓的幅值還是頻率，又可分為調(diào)幅和調(diào)頻兩種。March22,20231.橋式測量電路為了提高穩(wěn)定性和靈敏度，對差動式傳感器可采用橋式測量電路，電路原理見圖3-51。圖3-51橋式測量電路March22,20232.諧振幅值測量電路見圖3-52。傳感器線圈和固定電容組成并聯(lián)諧振回路，由石英晶體振蕩器提供頻率（1MHz）穩(wěn)定的高頻激勵電流，在無被測導(dǎo)體時(shí)，使電路的諧振回路諧振頻率為：圖3-52諧振幅值測量電路March22,20233.調(diào)頻測量電路測量電路見3-53。傳感器線圈作為一個(gè)電感元件接入振蕩器中。該測量電路由兩大部分組成，即電容三點(diǎn)式振蕩器和射極輸出器。電容三點(diǎn)式振蕩器產(chǎn)生高頻正弦波，其頻率隨傳感器線圈的變化而變化，該頻率信號通過耦合到射極輸出器，再由頻率計(jì)測量輸出頻率的大小。圖3-53調(diào)頻測量電路March22,20233.3.3.4電渦流傳感器的應(yīng)用實(shí)例1.厚度測量利用電渦流傳感器無接觸地測量金屬板的厚度的原理見圖3-54。被測金屬板的厚度為：圖3-54電渦流傳感器測量厚度實(shí)例March22,20232.轉(zhuǎn)速測量

在旋轉(zhuǎn)體的軸上剛性連接上開有n個(gè)槽或齒輪的金屬調(diào)制盤，在盤的旁邊安裝一個(gè)電渦流傳感器，見圖3-55。當(dāng)旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動時(shí)，金屬調(diào)制盤與傳感器的距離周期性地改變，因此傳感器輸出信號也周期性改變，該信號經(jīng)放大和整形后變成一系列脈沖，可用數(shù)字頻率計(jì)進(jìn)行測量。圖3-55電渦流傳感器測量轉(zhuǎn)速的原理March22,20233.3.4壓磁式傳感器壓磁式傳感器也是測力傳感器中的一種，它是利用壓磁效應(yīng)原理工作的。3.3.4.1工作原理當(dāng)鐵磁材料受機(jī)械力作用時(shí)，其內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)變，引起磁導(dǎo)率的變化。當(dāng)外加機(jī)械力消失后，其磁導(dǎo)率復(fù)原。通常把在機(jī)械變形（拉伸、壓縮、扭曲等）作用下，所引起的磁性質(zhì)的變化稱為壓磁效應(yīng)。鐵磁材料的壓磁效應(yīng)的規(guī)律是：鐵磁材料受拉力作用時(shí)，在力的作用方向磁導(dǎo)率提高，