現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)第3章電感式傳感器

主講人：鄭建毅廈門大學(xué)機(jī)電工程系第3章電感式傳感器2電感式傳感器概述電感型傳感器（InductanceSensor）是利用電磁感應(yīng)把被測(cè)物理量（如位移、振動(dòng)、壓力、流量、比重等)轉(zhuǎn)換成自感系數(shù)L或互感系數(shù)M的變化。再進(jìn)一步利用轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓或電流。特點(diǎn)：①

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無觸點(diǎn)，工作可靠壽命長(zhǎng)；②

靈敏度分辨率高，能測(cè)0.01μm的變化，輸出信號(hào)強(qiáng)（1mm位移～1百mv輸出）；③

線性度和重復(fù)性較好，在一定位移幾十μm～數(shù)mm內(nèi)，非線性誤差可做到0.05%～0.1%，且穩(wěn)定性好。在工業(yè)檢測(cè)系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。缺點(diǎn)：頻率響應(yīng)較低，不宜快速動(dòng)態(tài)測(cè)控。靈敏度、線性度和測(cè)量范圍相互制約3大綱一、自感式傳感器工作原理輸出特性測(cè)量電路應(yīng)用實(shí)例二、差動(dòng)變壓器式傳感器工作原理測(cè)量電路應(yīng)用實(shí)例三、電渦流式傳感器工作原理測(cè)量電路應(yīng)用實(shí)例4一、自感式傳感器（變磁阻式）工作原理變磁阻式傳感器由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料制成。線圈中電感量可由下式確定：根據(jù)磁路歐姆定律：式中,Rm為磁路總磁阻。氣隙很小，可以認(rèn)為氣隙中的磁場(chǎng)是均勻的。若忽略磁路磁損，則磁路總磁阻為5工作原理通常氣隙磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻，即則上式可寫為：可得：上式表明：當(dāng)線圈匝數(shù)為常數(shù)時(shí)，電感L僅僅是磁路中磁阻Rm的函數(shù)，改變?chǔ)幕駻0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δ的傳感器和變氣隙面積A0的傳感器。

目前使用最廣泛的是變氣隙厚度式電感傳感器。一、自感式傳感器（變磁阻式）6一、自感式傳感器（變磁阻式）輸出特性：L與δ之間是非線性關(guān)系，特性曲線如圖所示。變隙式電壓傳感器的L-δ特性分析：當(dāng)銜鐵處于初始位置時(shí)，初始電感量為

當(dāng)銜鐵上移Δδ時(shí)，傳感器氣隙減小Δδ，即δ=δ0－Δδ，則此時(shí)輸出電感為7一、自感式傳感器（變磁阻式）輸出特性當(dāng)Δδ/δ0<<1時(shí)（泰勒級(jí)數(shù)）：可求得電感增量ΔL和相對(duì)增量ΔL/L0的表達(dá)式，即同理，當(dāng)銜鐵隨被測(cè)體的初始位置向下移動(dòng)Δδ時(shí)，有上面兩個(gè)結(jié)果做線性處理，即忽略高次項(xiàng)后，可得同理，可求得電感增量ΔL和相對(duì)增量ΔL/L0的表達(dá)式，即8一、自感式傳感器（變磁阻式）靈敏度可見：變間隙式電感傳感器的測(cè)量范圍與靈敏度及線性度相矛盾，因此變隙式電感式傳感器適用于測(cè)量微小位移的場(chǎng)合。靈敏度：?jiǎn)挝粴庀逗穸茸兓鸬碾姼辛肯鄬?duì)變化銜鐵上移切線斜率變大非線性銜鐵下移切線斜率變小非線性無論上移或下移，非線性都將增大9一、自感式傳感器（變磁阻式）差動(dòng)變隙式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)變隙式電感傳感器。差動(dòng)變隙式電感傳感器銜鐵上移Δδ：兩個(gè)線圈的電感變化量ΔL1、ΔL2分別表示:差動(dòng)傳感器電感的總變化量具體表達(dá)式為:10對(duì)上式進(jìn)行線性處理,即忽略高次項(xiàng)得一、自感式傳感器（變磁阻式）差動(dòng)變隙式電感傳感器靈敏度K0為比較單線圈式和差動(dòng)式：①差動(dòng)式變間隙電感傳感器的靈敏度是單線圈式的兩倍。②差動(dòng)式的非線性項(xiàng)(忽略高次項(xiàng))：?jiǎn)尉€圈的非線性項(xiàng)（忽略高次項(xiàng))：由于Δδ/δ0<<1，因此，差動(dòng)式的線性度得到明顯改善，非線性誤差減小。11一、自感式傳感器（變磁阻式）螺管式自感傳感器特點(diǎn)：測(cè)量范圍大，數(shù)百毫米，靈敏度低，大量程直線位移。差動(dòng)螺管式自感傳感器測(cè)量范圍1~200mm線性度0.1%~1%分辨率<0.01um12自感式傳感器一般采用調(diào)幅電路。一、自感式傳感器（變磁阻式）測(cè)量電路1.變壓器電橋電橋的輸出電壓為：1）當(dāng)鐵芯處于中間位置時(shí)，2）當(dāng)鐵芯向下移動(dòng)時(shí)，3）當(dāng)鐵芯向上移動(dòng)時(shí)，13一、自感式傳感器（變磁阻式）測(cè)量電路2.帶相敏整流的交流電橋既能判別銜鐵位移的大小，又能判斷銜鐵位移的方向；消除零點(diǎn)殘余電壓，還改善了線性度。1）當(dāng)鐵芯處于中間位置時(shí)，2）當(dāng)鐵芯向上移動(dòng)時(shí)，3）當(dāng)鐵芯向下移動(dòng)時(shí)，14自感式傳感器的應(yīng)用1、電感測(cè)微儀探頭測(cè)量電橋交流放大相敏檢波指示器振蕩器變氣隙式電感測(cè)微儀動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍：±1mm分辨率：1um精度：3%1516自感式傳感器的應(yīng)用17自感式傳感器的應(yīng)用2、電感壓力傳感器——變氣隙式結(jié)構(gòu)F18自感式傳感器的應(yīng)用19自感式傳感器的應(yīng)用20自感式傳感器的應(yīng)用21二、差動(dòng)變壓器式傳感器（互感式）差動(dòng)變壓器是把被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換成線圈互感量的變化。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且次級(jí)繞組用差動(dòng)的形式連接，故稱之為差動(dòng)變壓器式傳感器。變隙式變面積式螺線管式(a)、(b)變隙式差動(dòng)變壓器(c)、(d)螺線管式差動(dòng)變壓器(e)、(f)變面積式差動(dòng)變壓器22螺線管式差動(dòng)變壓器工作原理兩個(gè)次級(jí)線圈反相串聯(lián)，并且在忽略鐵損、導(dǎo)磁體磁阻和線圈分布電容的理想條件下,其等效電路：當(dāng)初級(jí)繞組加以激勵(lì)電壓U時(shí),根據(jù)變壓器的工作原理,在兩個(gè)次級(jí)繞組W2a和W2b中便會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)E2a和E2b。如果工藝上保證變壓器結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱,當(dāng)活動(dòng)銜鐵處于初始平衡位置時(shí),必然會(huì)使兩互感系數(shù)M1=M2。根據(jù)電磁感應(yīng)原理,將有E2a=E2b。由于變壓器兩次級(jí)繞組反相串聯(lián),因而Uo=E2a-E2b=0,即差動(dòng)變壓器輸出電壓為零。23螺線管式差動(dòng)變壓器工作原理

當(dāng)活動(dòng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí),由于磁阻的影響，W2a中磁通將大于W2b，使M1>M2，因而E2a增加，而E2b減小。反之，E2b增加，E2a減小。因?yàn)閁o=E2a-E2b，所以當(dāng)E2a、E2b

隨著銜鐵位移x變化時(shí)，Uo也必將隨x而變化。

當(dāng)銜鐵位于中心位置時(shí)，差動(dòng)變壓器輸出電壓并不等于零，我們把差動(dòng)變壓器在零位移時(shí)的輸出電壓稱為零點(diǎn)殘余電壓，記作ΔUo，它的存在使傳感器的輸出特性不經(jīng)過零點(diǎn)，造成實(shí)際特性與理論特性不完全一致。24螺線管式差動(dòng)變壓器工作原理25螺線管式差動(dòng)變壓器基本特性根據(jù)差動(dòng)變壓器等效電路。當(dāng)次級(jí)開路時(shí)式中：U——初級(jí)線圈激勵(lì)電壓；

ω——激勵(lì)電壓U的角頻率；

I1——初級(jí)線圈激勵(lì)電流；

r1、

L1——初級(jí)線圈直流電阻和電感。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，次級(jí)繞組中感應(yīng)電勢(shì)的表達(dá)式分別為:由于次級(jí)兩繞組反相串聯(lián)，且考慮到次級(jí)開路，則由以上關(guān)系可得輸出電壓的有效值為26螺線管式差動(dòng)變壓器①活動(dòng)銜鐵處于中間位置時(shí)M1=M2=M

故Uo=0②活動(dòng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí)M1=M+ΔM，M2=M-ΔM

故與E2a同極性。.③活動(dòng)銜鐵向下移動(dòng)時(shí)M1=M-ΔM，M2=M+ΔM

故與E2b同極性。.27二、差動(dòng)變壓器式傳感器差動(dòng)變壓器式傳感器測(cè)量電路問題：（1）差動(dòng)變壓器的輸出是交流電壓(用交流電壓表測(cè)量，只能反映銜鐵位移的大小，不能反映移動(dòng)的方向);（2）測(cè)量值中將包含零點(diǎn)殘余電壓。為了達(dá)到能辨別移動(dòng)方向和消除零點(diǎn)殘余電壓的目的，實(shí)際測(cè)量時(shí)，常常采用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路。28

(1)差動(dòng)整流電路

這種電路是把差動(dòng)變壓器的兩個(gè)次級(jí)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。從圖（c）電路結(jié)構(gòu)可知，不論兩個(gè)次級(jí)線圈的輸出瞬時(shí)電壓極性如何，流經(jīng)電容C1的電流方向總是從2到4，流經(jīng)電容C2的電流方向總是從6到8，故整流電路的輸出電壓為

當(dāng)銜鐵在零位時(shí)，因?yàn)閁24=U68，所以U2=0；當(dāng)銜鐵在零位以上時(shí)，因?yàn)閁24>U68

，則U2>0；而當(dāng)銜鐵在零位以下時(shí)，則有U24<U68，則U2<0。U2的正負(fù)只能判斷銜鐵的位置在零位處或上下，但不能判斷運(yùn)動(dòng)的方向。..........29(2)相敏檢波電路

輸入信號(hào)uy(差動(dòng)變壓器式傳感器輸出的調(diào)幅波電壓)通過變壓器A加到環(huán)形電橋的一個(gè)對(duì)角線上。參考信號(hào)ua通過變壓器B加到環(huán)形電橋的另一個(gè)對(duì)角線上。輸出信號(hào)u’y從變壓器A與B的中心抽頭引出。平衡電阻R起限流作用，以避免二極管導(dǎo)通時(shí)變壓器B的次級(jí)電流過大。RL為負(fù)載電阻。ua的幅值要遠(yuǎn)大于輸入信號(hào)uy的幅值，以便有效控制四個(gè)二極管的導(dǎo)通狀態(tài)，且ua和差動(dòng)變壓器式傳感器激磁電壓u1由同一振蕩器供電，保證二者同頻同相（或反相）。

當(dāng)位移Δx>0，u0與uy’為同頻同相。不論u0與uy’是正半周還是負(fù)半周，負(fù)載電阻RL兩端得到的電壓始終為正。當(dāng)位移Δx<0時(shí)：u0與uy’為同頻反相。不論u0與uy’是正半周還是負(fù)半周，負(fù)載電阻RL兩端得到的輸出電壓始終為負(fù)。30(2)相敏檢波電路31變隙式差動(dòng)變壓器輸出特性1理想特性；2實(shí)際特性對(duì)測(cè)量產(chǎn)生的影響：1、零點(diǎn)殘余電壓的存在，會(huì)造成零點(diǎn)附近的不靈敏區(qū)。2、零點(diǎn)殘余電壓輸入放大器內(nèi)會(huì)使得放大器末級(jí)趨向飽和，影響電路正常工作。產(chǎn)生原因：1、傳感器的兩次級(jí)繞組的電氣參數(shù)與幾何尺寸的不對(duì)稱，導(dǎo)致它們產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)幅值不等，相位不同，構(gòu)成零點(diǎn)殘余電壓的基波。零點(diǎn)殘余電壓及其組成（a）殘余電壓波形；(b)波形分析兩次級(jí)繞組相位差不等于180°時(shí)的差動(dòng)輸出電壓零點(diǎn)殘余電壓32零點(diǎn)殘余電壓磁化曲線非線性引起磁通波形失真零點(diǎn)殘余電壓的消除方法1、從設(shè)計(jì)和工藝上保證結(jié)構(gòu)對(duì)稱性產(chǎn)生原因：2、由于磁性材料磁化曲線的非線性，產(chǎn)生了零點(diǎn)殘余電壓的高次諧波（三次諧波），提高加工精度，線圈選配成對(duì)，采用磁路可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。選用高導(dǎo)磁材料，并經(jīng)過熱處理，消除殘余應(yīng)力，提高磁性材料的均勻性和穩(wěn)定性。磁路工作點(diǎn)選在磁化曲線的線性段。2、選擇合適的測(cè)量線路采用相敏檢波后的輸出特性3、采用補(bǔ)償線路調(diào)相位式殘余電壓補(bǔ)償電路33差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用34差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用35差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用36三、電渦流式傳感器電渦流現(xiàn)象：由物理學(xué)知，當(dāng)通過金屬體的磁通發(fā)生變化時(shí)，會(huì)在金屬里感應(yīng)電勢(shì)，該電勢(shì)會(huì)在金屬體中產(chǎn)生電流，這種電流的流線形狀成閉合回路，似水中漩渦稱渦電流。電渦流式傳感器特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，頻率響應(yīng)快、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、體積較小，具有非接觸測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)?？捎脕頊y(cè)量振動(dòng)、位移、厚度、轉(zhuǎn)速、表面溫度等。線圈阻抗變化與金屬導(dǎo)體的電阻率、磁導(dǎo)率有關(guān)。對(duì)于非磁性材料，被測(cè)體的電導(dǎo)率越高，則靈敏度越高。但當(dāng)被測(cè)體是磁性材料時(shí)，其導(dǎo)磁率將影響電渦流線圈的感抗，遲滯損耗還將影響電渦流線圈的Q值，所以其靈敏度要視具體情況而定。37三、電渦流式傳感器(1)工作原理:

交變電流傳感器線圈被測(cè)導(dǎo)體交變磁場(chǎng)H1電渦流交變磁場(chǎng)H2參數(shù)變化(電感、阻抗、品質(zhì)因素等)輸出信號(hào)

當(dāng)通有一定交變電流的電感線圈L靠近金屬導(dǎo)體時(shí)，在金屬周圍產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，在金屬表面將產(chǎn)生電渦流i2。電渦流又將形成一個(gè)方向相反的磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)反作用于線圈L，改變線圈電感量的大小。電感L的變化程度與線圈的幾何尺寸、距離x和ρ、μ等各種因素有關(guān)。傳感器線圈受電渦流影響時(shí)的等效阻抗Z的函數(shù)關(guān)系式為Z=F(ρ,μ,x,ω)

式中,r為線圈與被測(cè)體的尺寸因子。

測(cè)量方法：如果保持上式中其它參數(shù)不變，而只改變其中一個(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測(cè)量電路測(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。38電渦流傳感器測(cè)量電路1.調(diào)頻式電路傳感器線圈接入LC振蕩回路，當(dāng)傳感器與被測(cè)導(dǎo)體距離x改變時(shí)，在渦流影響下，傳感器的電感變化，將導(dǎo)致振蕩頻率的變化，該變化的頻率是距離x的函數(shù)，即f=L(x),該頻率可由數(shù)字頻率計(jì)直接測(cè)量，或者通過f-V變換，用數(shù)字電壓表測(cè)量對(duì)應(yīng)的電壓。振蕩器的頻率為為了避免輸出電纜的分布電容的影響，通常將L、C裝在傳感器內(nèi)。此時(shí)電纜