傳感器應用技術 課件 項目四 基于電感式傳感器接近式開關的設計與制作

傳感器應用技術項目四

基于電感式傳感器接近式開關的設計與制作自感式傳感器及應用自感式傳感器電感式傳感器是利用線圈自感或互感系數的變化來實現非電量電測的一種裝置。利用電感式傳感器，能對位移、壓力、振動、應變、流量等參數進行測量。電感式傳感器具有結構簡單、靈敏度高、輸出功率大、輸出阻抗小、抗干擾能力強及測量精度高等一系列優(yōu)點，因此在機電控制系統(tǒng)中得到廣泛的應用。電感式傳感器缺點是響應較慢,不宜于快速動態(tài)測量,而且傳感器的分辨率與測量范圍有關，測量范圍大,分辨率低，反之則高。電感傳感器包括自感式傳感器、互感式傳感器、電渦流式傳感器。自感式傳感器自感式傳感器的工作原理自感式傳感器式將被測量的變化轉變成線圈自感的變化的傳感器。電感傳感器主要由線圈、鐵芯和銜鐵所組成，鐵芯和銜鐵由導磁材料如硅鋼片或坡莫合金制成。根據電磁感應原理，當匝數為的N線圈中通以電流I時，就有該電流所產生的磁通量通過線圈，若通過每一圈的磁通量都是

，則有式中，L為線圈的自感系數。自感式傳感器又根據磁路歐姆定律：自感式傳感器改變任意一段磁路的幾何參數或磁導率，均可使線圈自感系數發(fā)生變化。據此，自感式傳感器又可進一步分為：氣隙厚度可變的變隙式；磁通面積可變的變截面式；以及利用銜鐵在螺管線圈中伸入長度的變化來改變線圈自感系數的螺管式電感傳感器。銜鐵移動磁路中氣隙磁阻變化線圈的電感值變化自感式傳感器1.變氣隙式自感傳感器自感式傳感器通常，空氣隙的厚度是比較小的（一般為0.1-1mm），因此可以認為氣隙磁場是均勻的，若忽略磁路鐵損，則磁路總磁阻為：變氣隙型電感傳感器結構原理自感式傳感器設鐵芯和銜鐵的橫截面積相同，且因氣隙較小，可以認為氣隙磁路的磁通面積與鐵芯相同（即

）；若鐵芯與銜鐵采用同一種導磁材料（其相對磁導率為

），且磁路總長為

，則由式（4-5）可得自感式傳感器對于變氣隙型結構，其磁通面積為定值，又因線圈匝數也固定，所以為一常數。由式（4-7）可以看出，總線圈式變氣隙型電感傳感器的電感與氣隙之間的對應關系是非線性的，其輸出特性曲線如圖-2所示。圖-2單線圈式變氣隙電感傳感器的輸出特性圖-1變氣隙型電感傳感器結構原理自感式傳感器變氣隙型電感傳感器的最大優(yōu)點是靈敏度高，其主要缺點是線性范圍小、自由行程小、制造裝配困難、互換性差，因而限制了它的應用。圖4-3差動式變氣隙型電感傳感器變截面型電感傳感器是通過導磁截面積的變化而使電感變化的，其結構也有單線圈式（圖4-4）和差動式（圖4-5）兩種形式。自感式傳感器2.變截面型自感傳感器自感式傳感器圖4-5所示的差動式變截面型電感傳感器制成圓筒形，鐵芯由上下磁環(huán)1組成，上、下線圈2也制成環(huán)形，磁芯（銜鐵）3插入其中。上、下線圈通電時在中段氣隙部分產生的磁通，由于方向相反而基本抵消。若忽略導體部分的磁阻，則線圈電感為自感式傳感器式（4-14）表明，這類傳感器輸入量

與輸出量

之間是有良好的線性關系。因此變截面型電感傳感器由于具有較好的線性，因而測量范圍可取大些；其自由行程可按需要安排，制造裝配方便；其缺點是靈敏度較低。螺管型電感傳感器的結構形式也可以分為單線圈式和差動式，圖4-6為這兩種形式的結構示意圖。自感式傳感器3.螺管型自感傳感器自感式傳感器自感式傳感器的應用

在機床行業(yè)，自感式傳感器得到廣泛的應用。常用于位移，尺寸，壓力力矩的測量，在計數，應變，流量，比重，金屬定位以及無損探傷上也有很多應用。自感式傳感器

自感式傳感器的應用

在汽車制造行業(yè)電感式傳感器是近距離定位金屬物體的通用方式，因此在汽車制造業(yè)的沖壓、焊裝涂裝、總裝環(huán)節(jié)中被廣泛應用。傳感器應用技術項目四

基于電感式傳感器接近式開關的設計與制作

自感式傳感器的轉換電路自感式傳感器把被測量的變化轉變成了電感量的變化。為了測出電感量的變化，就要用轉換電路把電感量的變化轉換成電壓（或電流）的變化，以便進一步放大和處理。最常用的轉換電路有調幅、調頻和調相電路。轉換電路(1)交流電橋調幅電路的主要形式是交流電橋。關于交流電橋，已經在第三章介紹過，在此主要討論自感式傳感器中經常用到的變壓器電橋。圖4-7中，電橋的兩臂為電源變壓器次級線圈的兩半（每半電壓為

），另兩臂是差動式電感傳感器的兩個線圈?？紤]到傳感器線圈不僅具有電感，而且線圈導線具有一定的電阻，所以用

和

來表示電感傳感器兩個線圈的阻抗。電橋對角線上

兩點的電位差為空載輸出電壓。轉換電路1.調幅電路轉換電路下面分三種情況討論：（1）當傳感器的銜鐵位于中間位置時，它在兩個線圈中的插入深度相等，所以兩線圈的電感相等，若兩線圈繞制得十分對稱，則其阻抗也相等，此時

代入上式得

。這說明當銜鐵處于中間位置時，電橋平衡，沒有輸出電壓。（2）當銜鐵向上移動時，上線圈的磁阻減小，電感增大、阻抗增大，即

，而下線圈的磁阻增大、電感減小、阻抗隨之減小，即

。代入式（4-15）得

轉換電路轉換電路(2)諧振式調幅電路圖4-8所示是諧振式調幅電路。在諧振式調幅電路中，傳感器L與電容C、變壓器原邊串聯在一起，接入交流電源，變壓器副邊將有電壓u0輸出，輸出電壓的頻率與電源頻率相同，而幅值隨著電感L而變化，圖4-8(b)所示為輸出電壓u0與電感L的關系曲線，其中L0為諧振點的電感值，此電路靈敏度很高，但線性很差，適用于線性要求不高的場合。實際使用時，一般使用特性曲線一側接近線性的一段。轉換電路2.調頻電路調頻電路的基本原理是傳感器電感L變化將引起輸出電壓頻率的變化。一般是把傳感器電感L和電容C接入一個振蕩回路中，其振蕩頻率

,諧振式調幅電路如圖4-9所示。當L變化時，振蕩頻率隨之變化，根據f的大小即可測出被測量的值。圖4-9（b）表示f與L的特性，它具有明顯的非線性關系。該頻率可由數字頻率計直接測量，也可通過f—V轉換，用數字電壓表測量。轉換電路3.調相電路調相電路就是把傳感器電感L變化轉換為輸出電壓相位

的變化。圖4-10所示為一個相位電橋，一臂為傳感器L，另一臂為固定電阻R。設計時使電感線圈具有高的品質因數。忽略損耗電阻，則電感線圈上壓降uL與固定電阻上壓降uR是兩個相互垂直的分量。當電感L變化時，輸出電壓uo的幅值不變，相位角隨之變化，與L的關系為:當L有了微小變化

后，輸出相位變化為:圖4-10（c）輸出電壓相位與電感的特性關系:轉換電路傳感器應用技術項目四

基于電感式傳感器接近式開關的設計與制作

零點殘余電壓及補償

當兩線圈的阻抗相等，即Z1=Z2時,電橋平衡,輸出電壓為零。由于傳感器阻抗是一個復阻抗，因此為了達到電橋平衡，就要求兩線圈的電阻相等，兩線圈的電感也要相等。實際上這種情況是不能精確達到的，因而在傳感器輸入量為零時，電橋有一個不平衡輸出電壓ΔUo存在，也就是我們現在指的殘余電壓。零點殘余電壓及補償零點殘余電壓及補償此時盡管被測位移為零，而表頭的指示卻并不為零。如果零點殘余電壓的數值過大，則將使非線性誤差增大。不同檔位的放大倍數有顯著差別，甚至造成放大器末級趨于飽和，使儀器不能正常工作，甚至不再反映被測量的變化。在儀器的放大倍數較大時，這點尤應注意。因此零點殘余電壓的大小是判別電感傳感器質量的重要指標。零點殘余電壓及補償零點殘余電壓主要由基波分量和高次諧波分量組成。1.產生零點殘余電壓的原因大致有如下兩點：（1）由于兩電感線圈的電氣參數及導磁體幾何尺寸不完全對稱，在兩電感線圈上的電壓幅值和相位不同，從而形成零點殘余電壓的基波分量。（2）由于傳感器導磁材料磁化曲線的非線性（如鐵磁飽和、磁滯損耗），使激勵電流與磁通波形不一致，從而形成零點殘余電壓的高次諧波分量。

零點殘余電壓及補償2.零點殘余電壓的存在對傳感器的影響：1.使得傳感器輸出特性在零點附近不靈敏，限制了分辨率的提高。2.零點殘余電壓太大，將使線性度變壞，靈敏度下降。3.會使放大器飽和，堵塞有用信號通過，致使儀器不再反映被測量的變化。

零點殘余電壓及補償3.減小電感傳感器零點殘余電壓的措施1）從設計和工藝上保證結構對稱性為保證線圈和磁路的對稱性，首先，要求提高加工精度，線圈選配成對，采用磁路可調節(jié)結構。其次，應選高磁導率、低矯頑力、低剩磁感應的導磁材料。并應經過熱處理，消除殘余應力，以提高磁性能的均勻性和穩(wěn)定性。由高次諧波產生的因素可知，磁路工作點應選在磁化曲線的線性段。

零點殘余電壓及補償2）選用合適的測量線路采用相敏檢波電路不僅可鑒別銜鐵移動方向，而且把銜鐵在中間位置時，因高次諧波引起的零點殘余電壓消除掉。如圖，采用相敏檢波后銜鐵反行程時的特性曲線由1變到2，從而消除了零點殘余電壓。

u0+x-x210相敏檢波后的輸出特性零點殘余電壓及補償3．采用補償線路補償方法主要有：加串聯電阻、加串聯電容、加反饋電阻或反饋電容等。下圖是幾種補償電路的例子。①由于兩個次級線圈感應電壓相位不同，并聯電容可改變其一的相位，也可將電容C改為電阻，如圖(a)。由于R的分流作用將使流入傳感器線圈的電流發(fā)生變化，從而改變磁化曲線的工作點，減小高次諧波所產生的殘余電壓。圖(b)中串聯電阻R可以調整次級線圈的電阻分量。

零點殘余電壓及補償②并聯電位器W用于電氣調零，改變兩次級線圈輸出電壓的相位，如圖所示。電容C(0.02μF)可防止調整電位器時使零點移動。

零點殘余電壓及補償③接入R0(幾百kΩ)或補償線L0(幾百匝)。繞在差動變壓器的初級線圈上以減小負載電壓，避免負載不是純電阻而引起較大的零點殘余電壓。電路如圖。

零點殘余電壓及補償傳感器應用技術項目四

基于電感式傳感器接近式開關的設計與制作互感式傳感器把被測的非電量變化轉換為線圈互感變化的傳感器稱為互感式傳感器。這種傳感器是根據變壓器的基本原理制成的，并且次級繞組用差動形式連接，故稱差動變壓器式傳感器。差動變壓器結構形式較多，有變隙式、變面積式和螺線管式等，下圖為差動變壓器的結構示意圖?；ジ惺絺鞲衅?a)、(b)變間隙式差動變壓器(c)、(d)螺線管式差動變壓器(e)、(f)變截面式差動變壓器互感式傳感器a、b兩種結構的差動變壓器，銜鐵均為板形，靈敏度高，測量范圍則較窄，一般用于測量幾微米到幾百微米的機械位移。對于位移在1mm至上百毫米的測量，常采用圓柱形銜鐵的螺管型差動變壓器，如c、d兩種結構。e、f兩種結構是測量轉角的差動變壓器，通?？蓽y到幾秒的微小位移。非電量測量中，應用最多的是螺線式差動變壓器，它可以測量1～100mm范圍內的機械位移，并具有測量精度高、靈敏度高、結構簡單、性能可靠等優(yōu)點?；ジ惺絺鞲衅鞑顒幼儔浩鞯慕Y構由鐵芯、銜鐵和線圈三部分組成。其結構雖有很多形式，但其工作原理基本相同。差動變壓器上下兩只鐵芯均有一個初級線圈1和一個次級線圈2。上下兩只初級線圈串聯后接交流激勵電壓，兩只次級線圈則按電勢反相串接。互感式傳感器螺管型差動變壓器根據初、次級排列不同有二節(jié)式、三節(jié)式、四節(jié)式和五節(jié)式等形式。三節(jié)式的零點電位較小，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。311212112212123(a)二節(jié)式(b)三節(jié)式(c)四節(jié)式(d)五節(jié)式差動變壓器線圈各種排列形式1一次線圈；2二次線圈；3銜鐵互感式傳感器三段式螺管差動變壓器結構示意圖互感式傳感器差動變壓器輸出電壓曲線三段式螺管差動變壓輸出電壓曲線如圖所示：互感式傳感器將兩個匝數相等的次級繞組的同名端反向串聯，當初級繞組加以激磁電壓時，根據變壓器的作用原理在兩個次級繞組和中就會產生感應電勢;如果工藝上保證變壓器結構完全對稱，則當活動銜鐵處于初始平衡位置時，輸出電壓為零。當活動銜鐵向某一個次級線圈方向移動時，則該次級線圈內磁通增大，使其感應電勢增加，差動變壓器有輸出電壓，其數值反映了活動銜鐵的位移?；ジ惺絺鞲衅髀菥€管式差動變壓器等效電路如圖，二次線圈開路時，一次線圈的電流為：互感式傳感器二次繞組的感應動勢為為：其有效值為：輸出阻抗為：互感式傳感器上式說明，當激磁電壓的幅值和角頻率、初級繞組的直流電阻及電感為定值時，差動變壓器輸出電壓僅僅是初級繞組與兩個次級繞組之間互感之差的函數。因此，只要求出互感和對活動銜鐵位移x的關系式，再代入公式即可得到螺線管式差動變壓器的基本特性表達式。下面分三種情況進行分析：(1)活動銜鐵處于中間位置時故互感式傳感器(2)活動銜鐵向上移動故與同極性互感式傳感器(3)活動銜鐵向下移動故與同極性互感式傳感器互感式傳感器互感式傳感器傳感器應用技術項目四

基于電感式傳感器接近式開關的設計與制作電渦流式傳感器及應用電渦流式傳感器是利用金屬導體中的渦流與激勵磁場之間進行電磁能量傳遞而實現的，因此也必須有一個交變磁場的激勵源（傳感器線圈）。被測對象以某種方式調制磁場，從而改變激勵線圈的電感。電渦流式傳感器的工作原理是基于電渦流效應，電感線圈產生的磁力線經過金屬導體時，金屬導體就會產生感應電流，該電流的流線呈閉合回線，類似水渦形狀，故稱之為電渦流，這種現象稱為電渦流效應。電渦流式傳感器由一個線圈和與線圈鄰近的金屬體組成。電渦流式傳感器（a）傳感器激勵線圈

（b）被測金屬導體圖3-1電渦流式傳感器原理圖

電渦流式傳感器電渦流式傳感器工作原理和等效電路如圖所示：采用電渦流式傳感器并配用相應的轉換電路，可得到與該被測量相對應的電信號（電壓、電流或頻率）輸出。這種方法常用來測量位移、金屬體厚度、溫度等參數，并可用作探傷。電渦流式傳感器1.電渦流的徑向形成范圍線圈—導體系統(tǒng)產生的電渦流密度既是線圈與導體間距離x的函數，又是沿線圈半徑方向r的函數。當導體間距離x一定時，電渦流密度

J與半徑r的關系曲線如圖所示。電渦流式傳感器金屬扁平線圈渦流區(qū)r/ras1hrasj

電渦流密度J與半徑r的關系曲線①電渦流徑向形成范圍大約在傳感器線圈外徑ras的1.8～2.5倍范圍內，且分布不均勻。②電渦流密度在ri=0處為零。

③電渦流的最大值在r=ras附近的一個狹窄區(qū)域內。④可以用一個平均半徑為 的短路環(huán)來集中表示分散的電渦流。電渦流式傳感器2.電渦流強度與距離的關系理論分析和實驗都已證明，當x改變時，電渦流密度也發(fā)生變化，即電渦流強度隨距離x的變化而變化。根據線圈—導體系統(tǒng)的電磁作用，可以得到金屬導體表面的電渦流強度為：

電渦流式傳感器

以上分析表明：①電渦流強度與距離x呈非線性關系，且隨著x/ras的增加而迅速減小。②當利用電渦流式傳感器測量位移時，只有在x/ras<<1(一般取0.05～0.15)的條