第3章 電感傳感器

本章介紹自感傳感器和差動變壓器的結(jié)構(gòu)、分類、工作原理、特性參數(shù)、測量轉(zhuǎn)換電路、零點殘余電壓、相敏檢波電路、差動整流電路，電感傳感器用于微小位移的測量等。介紹電流輸出型傳感器，以及一次儀表和二線制儀表的相關(guān)知識。也簡單介紹磁電式傳感器的原理及應用。第三章電感傳感器

2023/10/172第一節(jié)自感傳感器第二節(jié)差動變壓器傳感器第三節(jié)電感傳感器的應用第三章電感傳感器目錄進入進入進入有一些頁面的文字較多，請教師做減法。電感傳感器可分為自感式和互感式兩大類。電感式傳感器通常是指自感傳感器。自感系數(shù)常用L來表示，簡稱自感或電感。線圈的自感與線圈的直徑、長短、匝數(shù)等因素有關(guān)。線圈面積越大、線圈越長、單位長度匝數(shù)越密，它的自感就越大。有鐵芯的線圈的自感比沒有鐵芯時大很多。自感的單位是亨利,簡稱亨,符號是H。常用的較小的單位有毫亨（mH）和微亨（μH）。自感傳感器的數(shù)值多為mH數(shù)量級。

第一節(jié)自感傳感器

先看一個實驗：

將一只380V交流接觸器的控制繞組與交流毫安表串聯(lián)后，接到機床用控制變壓器二次側(cè)的36V交流電壓源上。毫安表的初始值約為幾十毫安。若慢慢將接觸器的活動鐵心（稱為銜鐵）往下按時，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)只剩下十幾毫安。

2023/10/175變隙式電感傳感器的基本工作原理演示F220V準備工作“控制變壓器”36V自感傳感器的原理與分類氣隙減小，電感變大，電流變小F自感式電感傳感器常見的形式

a）變隙式b）變截面角位移式c）螺線管式1－繞組2－鐵心3－銜鐵4－測桿

5－導軌6－工件7－轉(zhuǎn)軸一、變隙式電感傳感器

當鐵心的氣隙較大時，磁路的磁阻Rm也較大，線圈的電感L及感抗XL較小，所以電流I較大。當鐵心閉合時，氣隙δ變小，磁阻變小，電感L變大，電流I減小。

現(xiàn)在時間是：*減小鐵心與銜鐵之間的有效投影面積，在較小的范圍內(nèi)，電感成比例減小。變隙式電感傳感器的特性近似雙曲線變面積式電感傳感器的理論特性為線性AA1-繞組2-鐵心3-銜鐵二、變截面式電感傳感器也稱為變截面式電感傳感器。必須保持氣隙δ固定不變，電感L是氣隙與固定鐵心之間的有效投影截面積A的函數(shù)。

銜鐵上下移動，導致銜鐵與鐵心的有效投影面積和電感的改變。A有效投影面積電感傳感器的輸出特性a）變隙式電感傳感器的

-L特性曲線

b）變面積式電感傳感器的A-L特性曲線1－實際輸出特性2－理想輸出特性三、螺線管式電感傳感器螺線管是具有多重卷繞的導線，卷繞內(nèi)部可以是空心的，或者有一個磁芯。當有電流通過導線時，螺線管中間部位會產(chǎn)生比較均勻的磁場。作為傳感器，螺線管電感傳感器的主要元器件是一只螺線管和一根可移動的圓柱形銜鐵。銜鐵插入繞組后，將引起螺線管內(nèi)部的磁阻的減小，電感隨插入的深度而增大。L空心螺線管x螺線管式電感傳感器的線性區(qū)

對于長螺線管（l>>r），當銜鐵工作在螺線管接近中部位置時，可以認為繞組內(nèi)磁場強度是均勻的，此時繞組的電感量L與銜鐵插入深度成正比。螺線管越長，線性區(qū)就越大。螺線管式電感傳感器的線性區(qū)約為螺線管長度的1/10。測桿應選用非導磁材料，電導率也應盡量小，以免增加鐵磁損耗和電渦流損耗。例:采用螺線管式電感傳感器,測量厚度δ為100mm的工件是否合格,被測工件的最大允許誤差為±1.5mm,求:應選長度大于多少毫米的螺線管？解：Δδ=2×1.5mm=3mm，則螺線管長度l應：l>3mm×10倍=30mm（不包括外殼）。電感傳感器的靈敏度1－繞組3－可動銜鐵4－測桿6－被測工件采取以下措施可以提高電感靈敏度：①在繞組不致過熱的情況下，可適當提高勵磁電壓，但以不超過10V為宜；②激勵源電源頻率以1～10kHz為好。如果頻率太低，感抗較小，激勵電流較大；頻率太高，銜鐵的磁滯損耗加大，分布電容也將引起繞組的Q值下降；③選用導磁性能好、鐵損小、電渦流損耗小的導磁材料作為銜鐵的材料，例如鐵氧體、非晶鐵磁材料等。當銜鐵偏離中間位置時，兩個繞組的電感一個增加,一個減小,形成差動形式。

四、差動電感傳感器a)變隙式差動傳感器b)螺線管差動傳感器1－上差動繞組2－鐵心3－銜鐵4－下差動繞組5－測桿6－工件7－基座2023/10/1716由于兩個繞組的結(jié)構(gòu)完全對稱，電磁吸力以及溫漂相互抵消。差動電感傳感器位移演示

差動螺線管式差動變隙式差動式電感傳感器對外界影響，如溫度的變化、電源頻率的變化等基本上可以互相抵消，銜鐵承受的電磁吸力也較小，從而減小了測量誤差。線性度改善，靈敏度增加一倍。傳感器采用差動型式的優(yōu)點差動電感傳感器的特性

1－上繞組特性

2－下繞組特性3－L1、L2差接后的特性從曲線圖可以看出,與非差動電感傳感器相比較，差動式電感傳感器的特性曲線的斜率變大，靈敏度提高；輸出曲線變直，線性度改善。五、自感傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路

1.差動電感傳感器的變壓器式電橋轉(zhuǎn)換電路1－銜鐵的位移曲線2－激勵源波形3－交流電橋的輸出波形4－普通檢波之后的直流平均值

5－相敏檢波之后的直流平均值t0－銜鐵上下位移到達差動螺線管繞組中間位置的時刻e0－零點殘余電壓的瞬時值

E0－零點殘余電壓的平均值第二節(jié)差動變壓器傳感器

復習電工知識：全波整流電路中用到的“單相變壓器”有一個一次繞組，有兩個二次繞組。當一次線圈加上交流激磁電壓Ui后，將在兩個二次線圈中產(chǎn)生感應電壓UO1、UO2。在全波整流電路中，兩個二次繞組正向串聯(lián)，總電壓等于兩個二次線圈的電壓之和。回目錄請將變壓器的二次繞組N21、N22的有關(guān)端點按全波整流電路的要求正確地連接起來。普通的全波整流變壓器接線兩個二次側(cè)繞組同向串聯(lián)（第一個繞組的尾端與第二個繞組的首端相連），串聯(lián)后的輸出電壓等于兩個繞組電壓之和。

變壓器的兩個二次繞組N21、N22的有關(guān)端點按全波整流電路的連接Uo10V10V=20V公共參考端一、差動變壓器傳感器的工作原理

差動變壓器是把被測位移量轉(zhuǎn)換為一次線圈與二次繞組間的互感量M的變化的裝置。由于兩個二次線圈采用差動接法，故稱為差動變壓器。目前應用最廣泛的結(jié)構(gòu)型式是螺線管式差動變壓器。

在差動變壓器的線框上繞有一個輸入繞組（稱一次繞組）；在同一線框的上端和下端再繞制兩個完全對稱的繞組（稱二次線圈），它們反向串聯(lián)（輸出電壓相互抵消），組成差動輸出形式。圖中標有黑點的一端稱為同名端，通俗的說法是指繞組的“頭”。

差動變壓器式傳感器的等效電路及接線

結(jié)構(gòu)特點：兩個二次繞組反向串聯(lián)，組成差動輸出形式。

請將二次繞組N21、N22的有關(guān)端點正確地連接起來，并指出哪兩個為輸出端點。差動接法的輸出電壓為uo=u21-u22差動變壓器的輸出特性1－理想輸出特性2－非相敏檢波實際輸出特性3－相敏檢波實際輸出特性Δx0－位移的不靈敏區(qū)二、差動變壓器的主要特性

1.靈敏度

差動變壓器的靈敏度一般可達10mV/(mm?V),行程越小,靈敏度越高。為了提高靈敏度，勵磁電壓不超過10V為宜。電源頻率以1~10kHz為好。

2.線性范圍差動變壓器線性范圍約為線圈骨架長度的1/10左右。例：欲測量Φ120mm2mm軸的直徑誤差，應選擇線圈骨架長度l為多少的差動變壓器（或電感傳感器）為宜？（注：ΔΦ=4mm）解：差動變壓器的有效長度l>4mm×10倍=40mm

（不包括外殼）。三、差動變壓器的“差動整流”測量電路差動變壓器的二次電壓u21、u22分別經(jīng)VD1～VD4、VD5～VD8組成的兩個普通橋式電路整流，變成直流電壓Ua0和Ub0。由于Uao與Ubo是反向串聯(lián)的，所以UC3=Uab=Ua0-Ub0。該電路是以兩個橋路整流后的直流電壓之差作為輸出,不涉及相位。RP是調(diào)零電位器。工件直徑D增大，銜鐵上移時的輸出波形在第一象限

Ｃ3、Ｃ4和Ｒ3、Ｒ4組成低通濾波電路，時間常數(shù)τ≥10T

（T為激勵源的周期）Ua0＞Ub0

,所以Uab＞0輸出直流電壓為正值

工件直徑D減小，

銜鐵下移時的輸出波形在第四象限,可以從輸出電壓的正負值來判斷銜鐵位移的方向。

當差動變壓器采用差動整流測量電路時,應恰當設置二次繞組的電壓,使在銜鐵最大位移時,仍然能大于二極管的死區(qū)電壓（0.5V）的10倍,才能克服二極管的正向非線性的影響,減小測量誤差。Ua0＜Ub0,所以Uab

＜

0輸出直流電壓為負值差動整流的特點電路是以兩個橋路整流后的直流電壓之差作為輸出的，所以稱為差動整流電路。它不但可以反映位移的大?。妷旱姆担?，還可以反映位移的方向。

上圖中的RP是用來微調(diào)電路平衡的，VD1~VD4、VD5~VD8組成普通橋式整流電路，Ｃ3、Ｃ4、Ｒ3、Ｒ4組成低通濾波電路，Ａ1及Ｒ21、Ｒ22、Ｒf、Ｒ23組成差動減法放大器，用于克服a、b兩點的對地共模電壓。線性差動變壓器（LVDT）隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，目前已能將差動整流電路中的激勵源、相敏或差動整流電路、信號放大電路、溫度補償電路等做成厚膜電路，裝入差動變壓器的外殼（靠近電纜引出部位）內(nèi)，它的輸出信號可設計成符合國家標準的1～5V或4～20mA，這種型式的差動變壓器稱為線性差動變壓器。第三節(jié)電感式傳感器的應用

一、位移測量

軸向式電感測微器的外形

高可靠性航空插頭耐磨紅寶石測頭回目錄其他電感測微頭模擬式及

數(shù)字式

電感測微儀

比較軸向式電感測微器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1—引線電纜2—固定磁筒

3—銜鐵4—線圈

5—測力彈簧6—防轉(zhuǎn)銷

7—鋼球?qū)к墸ㄖ本€軸承）

8—測桿9—密封套

10—測端11—被測工件

12—基準面軸向式電感測微器特性量程±3μm時的絕對誤差：0.1μm長時間穩(wěn)定性：≤0.1μm/4h（預熱15min后，±3μm檔。）溫度特性：≤1分度值/10℃電源電壓在170～253V范圍內(nèi)變化對示值的影響≤1/7分度值。二、電感式滾柱直徑分選裝置

1－氣缸2－活塞3－推桿4－被測滾柱5－落料管6－電感測微器7－鎢鋼測頭8－限位擋板9－電磁翻板10－滾柱的公差分布11－容器（料斗）12－氣源處理三聯(lián)件電感式滾柱直徑分選裝置

測微儀圓柱滾子電感式滾柱直徑分選裝置外形

滑道分選倉位軸承滾子外形電感式滾柱直徑

分選裝置外形2落料振動臺滑道11個分選倉位廢料倉電感式滾柱直徑分選裝置（機械結(jié)構(gòu)放大）汽缸控制鍵盤直徑測微裝置長度測微裝置滑道機械及氣動元件電感測微器汽缸

氣水分離器（供氣三聯(lián)件）儲氣罐導氣管

氣壓表（0.4MPa左右）二位五通電磁換向閥驅(qū)動線圈進氣孔P出氣孔A出氣孔B氣缸活塞運動方向直流電磁鐵通電后銜鐵的運動方向交流電磁鐵銜鐵運動方向銜鐵電感式滾柱直徑分選界面

分選結(jié)果基本符合正態(tài)分布差動變壓器式厚度測量原理

差動變壓器式布匹張力控制當卷取輥轉(zhuǎn)動太快時，布料的張力將增大，導致張力輥向上位移，使差動變壓器的銜鐵不再處于中間位置。N21與N1之間的互感量M1減小，N22與N1的互感量M2增大，因此U21減小，U22增大，經(jīng)差動整流之后，Uo2為負值，去控制伺服電動機，使它的轉(zhuǎn)速變慢，從而使張力恒定。三、電感式圓度測量采用旁向式電感測微頭電感式圓度測試系統(tǒng)旁向式電感測微頭電感式圓度測量系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)盤測量頭圓度測量打印電感傳感器式輪廓儀

旁向式電感測微頭四、壓力測量

1.變壓器式壓力變送器的結(jié)構(gòu)及電路1－壓力輸入接口2－波紋膜盒3－膜盒的自由端4－印制電路板5－差動繞組6－銜鐵7－電源變壓器8－罩殼9－指示燈10－密封隔板11－安裝底座壓力變送器結(jié)構(gòu)膜盒由兩片波紋膜片焊接而成。波紋膜片是一種壓有同心波紋的圓形金屬薄膜。當膜片四周固定，兩側(cè)面存在壓差時，膜片將彎向壓力低的一側(cè)，因此能夠?qū)毫D(zhuǎn)換為位移。波紋膜片比平膜片柔軟得多，因此多用作測量較小壓力的彈性敏感元器件。壓力變送器電路分析220V電源變壓器的二次側(cè)經(jīng)橋式整流、電解電容濾波后，輸出電壓經(jīng)三端穩(wěn)壓集成塊轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的18V直流電壓，為差動變壓器的交流激勵源提供能源。也可以用開關(guān)電源來代替以上的降壓、整流、穩(wěn)壓環(huán)節(jié)。當被測工件的直徑D為標準值時，u21=u22，UAC=0。當被測工件的直徑D增大時，u21增大，u22減小，在濾波電容上合成的電壓UAC

為上正下負的直流電壓。幅值與D的增量成正比。D減小時，UAC

為上負下正。再經(jīng)U/I轉(zhuǎn)換器，將輸出電壓轉(zhuǎn)換成4~20mA的標準輸出電流Io。D（低壓差穩(wěn)壓電源）2.一次儀表

上述壓力變送器已經(jīng)將傳感器與信號調(diào)理電路組合在一個殼體中，這在工業(yè)中被稱為一次儀表。一次儀表的輸出信號可以是電壓，也可以是電流。由于電流信號不易受干擾，且便于遠距離傳輸（可以不考慮線路壓降），所以在工業(yè)中多采用電流輸出型一次儀表。變送器是能夠?qū)鞲衅鞯妮敵鲂盘栟D(zhuǎn)換為可以被控制器所接受的標準信號的儀器。變送器的輸出信號可直接與電動過程控制儀表，例如與DDZ-Ⅲ調(diào)節(jié)器或DCS連接。3.二線制儀表及變送器我國規(guī)定在DDZ-Ⅲ及其之后的儀表標準中，電流輸出為4～20mA；電壓輸出為1～5V(舊標準為0～10mA或0~2V)。4mA對應于傳感器的零輸入，20mA（能量不足以會產(chǎn)生電火花）對應于滿度輸入。不讓信號占有0～4mA這一范圍的原因，一方面是有利于判斷線路故障（開路）或儀表故障；另一方面，這類一次儀表內(nèi)部均采用微電流集成電路，總的耗電還不到4mA，因此還能利用略小于4mA這一部分“本底電流”為一次儀表的內(nèi)部電路提供工作電流，使一次儀表有可能成為“二線制儀表”。

4~20mA二線制輸出方式簡介所謂二線制儀表是指儀表與外界的聯(lián)系只需兩根導線。多數(shù)情況下，其中一根（紅色）為+24V電源線，另一根（黑色）既作為電源負極引線，又作為信號傳輸線。在信號傳輸線的末端通過一只標準“負載電阻”（也稱“取樣電阻”）接地（也就是電源負極），就能將電流信號轉(zhuǎn)變成電壓信號。

4~20mA二線制儀表接線方法及負載電阻若取樣電阻RL=250.0

，則對應于4～20mA的輸出電壓Uo為1～5V。這類標準化輸出的傳感器或儀表稱為變送器。變送器的輸出信號可直接與電動過程控制儀表，例如與DDZ-Ⅲ調(diào)節(jié)器或DCS連接。4~20mA二線制數(shù)顯表及HART協(xié)議HART數(shù)字通訊協(xié)議被用于4~20mA通信協(xié)議的工業(yè)標準。在4-20mA基礎(chǔ)上疊加低電平的HART信號數(shù)字通信信號，可以在同一電纜上同時被傳遞，而不會干擾4~20mA模擬信號?？梢员容^方便地與DCS（分布式計算機控制系統(tǒng)）進行通信。例：某二線制電流輸出型溫度變送器的產(chǎn)品說明書注明其量程范圍為0～1000℃，對應輸出電流為4～20mA。求：

當測得輸出電流I=12mA時的被測溫度t。解因為該儀表說明書未說明線性度，所以可以認為輸出電流與溫度之間為線性關(guān)系，即I與t的數(shù)學關(guān)系為一次方程，所以有：I=a0+a1t

當t=0℃時，I=4mA，所以a0=4mA當p=1000℃時，I=20mA，20=4+a1×1000，可得：a1=0.016mA/℃，所以該壓力變送器的輸入-輸出方程為：I=4mA+0.016(mA/℃)t

將I=12mA代入I=a0+a1t，得：p=(Ｉ-4mA)/a1=(12-4)/0.016=500℃在4~20mA儀表中，12mA對應于滿度輸入的一半。畫出該二線制電流輸出型溫度變送器的輸入/輸出曲線解

I=a0+a1p，x軸為溫度坐標，y為電流坐標。當t=0℃時，I=4mA，當t=1000℃時，I=20mA，在兩點間作直線，如下圖：補充知識：磁電式傳感器的原理及應用磁電式傳感器是基于電磁感應原理,通過磁電相互作用將被測非電量轉(zhuǎn)換成感應電動勢的傳感器,也稱為感應式傳感器、電動式傳感器。磁電式傳感器屬于自發(fā)電型傳感器，電路簡單，輸出信號強，適合于振動、轉(zhuǎn)速、扭矩等測量。缺點：頻率響應低。回目錄

結(jié)束磁電式傳感器的工作原理磁電感應式傳感器是以電磁感應原理為基礎(chǔ)的。根據(jù)法拉第電磁感應定律可知，當運動導體在磁場中切割磁力線，或線圈所在磁場的磁通變化時，導體將產(chǎn)生感生電動勢e，當導體形成閉合回路就會出現(xiàn)感應電流。導體中感應電動勢e的大小與回路所包圍的磁通量的變化率成正比，則N匝線圈在變化磁場中感應電動勢為：磁電式傳感器工作原理（續(xù)）根據(jù)電磁感應定律，N匝線圈中的感應電動勢的大小由磁通的變化率決定。實現(xiàn)磁通量變化的方法有：（1）線圈與磁場發(fā)生相對運動；（2）磁路中磁阻變化；（3）恒定磁場中線圈切割磁力線的面積變化。當傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，B

、l、N為常數(shù)，則e與線圈相對于磁場的速度v成正比。磁電傳感器只適合于動態(tài)測量。且要求磁鐵的時間、溫度等穩(wěn)定性好，可采用鋁鎳鈷等永磁合金。剩磁最高可達1.3T,溫度系數(shù)為-0.02%/℃?，F(xiàn)在時間是：*變磁阻式磁電轉(zhuǎn)速傳感器線圈3和磁鐵5靜止不動，測量齒輪2（導磁材料制成）與旋轉(zhuǎn)體1上一起轉(zhuǎn)動。1-被測旋轉(zhuǎn)體2-齒