《傳感器與檢測技術(shù)》課件-項目三 電感式傳感器及應(yīng)用

項目三電感式傳感器及應(yīng)用知識目標(biāo)掌握自感式電感傳感器的工作原理；了解變隙式、變截面積式、螺線管式電感傳感器的結(jié)構(gòu)形式，并能分析它們的輸出特性；掌握差動式電感傳感器的特點；了解電阻平衡臂電橋、變壓器電橋等測量電路的工作原理；掌握螺管式差動變壓器的工作原理；了解差動變壓器的基本特性；了解差動相敏檢波電路的測量原理；了解電渦流傳感器的工作原理；了解電感式位移、壓力、加速度傳感器、電渦流式轉(zhuǎn)速計的主要組成部分及工作原理。技能目標(biāo)

根據(jù)實際要求將位移、振動、加速度、壓力、轉(zhuǎn)速等非電量轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率信號，并能選擇合適的電感式傳感器的結(jié)構(gòu)形式和測量電路。任務(wù)一自感式傳感器定義：電感傳感器是將被測量轉(zhuǎn)換為線圈的自感或互感的變化來測量的裝置。特點：結(jié)構(gòu)簡單、可靠，輸出功率高，分辨力高（0.01μm),靈敏(幾百mV/1mm),線性較好(0.05～0.1%），穩(wěn)定，抗干擾能力強。但頻率響應(yīng)低，不宜進行快速動態(tài)測量。圖3-1 自感式傳感器的結(jié)構(gòu)原理1-線圈2-鐵心3-銜鐵

由電工學(xué)可知，如果不考慮磁路的鐵損和漏磁時，傳感器的自感量L可寫為：自感傳感器的工作原理：如果通過被測量可以轉(zhuǎn)化為氣隙厚度δ或氣隙導(dǎo)磁截面積S0的變化，則可以用其測量。知識準(zhǔn)備

根據(jù)變化量的不同，可將自感傳感器分為三種類型：

靈敏度線性行程制造變δ高差小難變S較高好大較易螺管式低差大易一.變截面積式電感傳感器設(shè)初始鐵芯與銜鐵的相對面積為鐵芯的橫截面積，即S0=ab，a和b分別為為截面的長和寬，則銜鐵位移x時，線圈電感變化量為：其電感的相對變化量為

特點：由于x要小于a以及漏感等原因，其線性區(qū)較小，而且靈敏度也低。a）結(jié)構(gòu)示意圖

b)輸出特性

二.變隙式電感傳感器設(shè)電感傳感器初始氣隙為初始電感量為L0，銜鐵位移引起的氣隙變化量為，初始電感量為：

當(dāng)銜鐵上移

時，傳感器氣隙減小

，即則此時輸出電感為：則：當(dāng)時，可將上式用泰勒級數(shù)展開成級數(shù)形式為由上式可求得電感增量與相對增量的表達式，即同理，當(dāng)銜鐵隨被測體的初始位置向下移動時，傳感器氣隙增大，即，則此時有：若忽略高次項，可得：靈敏度為：變隙式電感傳感器的特點：輸入輸出是非線性關(guān)系，為了保證一定的線性度，只能讓其工作在一段很小的區(qū)域，δ一般取在0.1～0.5mm之間，一般用于測量微小位移。為了減小非線性誤差，實際測量中廣泛采用差動變隙式電感傳感器。三.螺線管式電感傳感器圖3-4螺線管式電感傳感器1-線圈2-銜鐵3-測桿

經(jīng)證明，單線圈螺線管式電感傳感器電感相對變化量為：單線圈螺線管式電感傳感器特點：電感相對變化量與輸入位移成正比，但由于螺管線圈內(nèi)磁場分布不均勻，因而實際上螺線管式電感傳感器的輸出特性并非線性，并且靈敏度較低，但結(jié)構(gòu)簡單，制作容易，螺管可以做的稍長以測量較大的位移。四、差動電感傳感器圖3-5差動式電感傳感器的原理結(jié)構(gòu)圖1-線圈2-鐵心3-銜鐵4-測桿

現(xiàn)以變隙式為例來分析差動式傳感器的輸出特性，由圖可知，差動變隙式電感傳感器由兩個相同的電感線圈和共用的銜鐵組成，測量時，銜鐵通過導(dǎo)桿與被測位移量相連，當(dāng)被測體上下移動時，導(dǎo)桿帶動銜鐵也以相同的位移上下移動，使兩個磁回路中磁阻發(fā)生大小相等、方向相反的變化，導(dǎo)致一個線圈的電感量增加，另一個線圈的電感量減小，形成差動形式。當(dāng)銜鐵往上移動時，兩個線圈的電感量一個增加一個減少，根據(jù)結(jié)構(gòu)對稱的關(guān)系，其增加和減少的量、大小相等，則總的電感變化量為靈敏度為：從上述分析可知，差動電感傳感器由于采用了對稱的兩個線圈，銜鐵共用，因此與單線圈電感傳感器的待性比較，可以得到如下結(jié)論：1）差動式比單線圈式的靈敏度高一倍。2）由于兩個線圈電感變化量中心高次項，即非線性項能夠部分相互抵消，所以，差動式的線性度得到明顯改善。3）差動形式的結(jié)構(gòu)還具有溫度自補償和抗外磁場干擾的能力。五、電感式傳感器的測量電路電感式傳感器得測量電路有交流分壓器式、交流電橋式和諧振式等幾種。對于差動式電感傳感器通常都采用交流電橋電路。1）電阻平衡臂電橋圖3-6電阻平衡臂電橋設(shè)初始Z1=Z2=Rr+jωL，并且R1=R2=R，滿足電橋平衡條件Z1/Z2=R1/R2，電橋平衡。工作時，Z1=Z+ΔZ，Z2=Z－ΔZ，輸出電壓為輸出電壓幅值為輸出阻抗為：整理后得：Q為電感線圈的品質(zhì)因素，Q=ωL/R。當(dāng)線圈具有較高的品質(zhì)因素Q時，2）變壓器電橋輸出電壓取自A、B兩點，B點為變壓器的次級線圈中心抽頭。則輸出電壓為：當(dāng)傳感器的銜鐵處于中間位置時，即Z1＝Z2＝Z（Z表示銜鐵處于中間位置時一個線圈的阻抗），這時U0＝0，電橋平衡。當(dāng)銜鐵向下移動時，上面線圈的阻抗增加，即

，而下面線圈的阻抗減小，即

，則有：

反之，當(dāng)銜鐵向上移動同樣大小的距離時，則：變壓器電橋的輸出電壓幅值為輸出阻抗為這種變壓器電橋與電阻平衡臂電橋相比，使用元件少、輸出阻抗低，因此應(yīng)用較廣。自感傳感器結(jié)構(gòu)舉例

BYM型壓力傳感器采用了變氣隙差動傳感器，當(dāng)被測壓力p變化時，彈簧管1的自由端產(chǎn)生位移，帶動與自由端剛性連接自感傳感器的銜鐵2發(fā)生移動，使傳感器的線圈5和6中的電感值一個增加另一個減小。傳感器輸出信號的大小決定于銜鐵位移的大小，輸出信號的相位，決定于銜鐵移動的方向。

當(dāng)測桿移動時，帶動銜鐵在電感線圈中移動，線圈放在圓筒形磁心中，線圈配置成差動形式，即當(dāng)銜鐵由中間位置向上移動時，上線圈的電感量增加，睛線圈的電感量減少。兩個線圈用導(dǎo)線引出，以便接入測量電路。測量力由彈簧產(chǎn)生。電感式壓力傳感器：主要由C型彈簧管、銜鐵、鐵芯和線圈等組成。當(dāng)被測壓力進入C型彈簧管時，C型彈簧管發(fā)生形變，其自由端發(fā)生位移，帶動與自由端連成一體的銜鐵運動，使線圈1和線圈2的電感發(fā)生大小相等、符號相反的變化即一個電感增大，一個電感減小。電感的這種變化通過電橋電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。由于輸出電壓和被測壓力成比例關(guān)系，所以只要用檢測儀表測量輸出電壓，即可得知被測壓力的大小。任務(wù)二差動變壓器

互感型電感傳感器是先將被測量的變化轉(zhuǎn)換成互感系數(shù)M的變化，再變換為電壓信號輸出。這種傳感器實質(zhì)上是一個輸出電壓可變的變壓器。當(dāng)變壓器初級線圈輸入穩(wěn)定交流電壓后，次級線圈便產(chǎn)生感應(yīng)電壓輸出，該電壓隨被測量的變化而變化，所以又稱為差動變壓器，其結(jié)構(gòu)形式有多種，應(yīng)用最廣的是螺管式差動變壓器。

知識準(zhǔn)備1.螺管式差動變壓器1）工作原理1-初級線圈2-次級線圈3-銜鐵4-測桿差動變壓器的等效電路

初級線圈的電流值為：

初級線圈的電流導(dǎo)致磁通φ21、φ22的產(chǎn)生，于是在次級線圈中感應(yīng)出電壓：因此，空載輸出電壓為：其幅值為：輸出阻抗為：2）基本特性①靈敏度

差動變壓器的靈敏度是指差動變壓器銜鐵移動單位長度時所產(chǎn)生的輸出電壓的變化，其單位為mV/mm，實際使用時，還常用mV/(mm/V)表示單位激勵電壓的靈敏度值。一般差動變壓器的靈敏度大于50mV/（mm/V）。

影響差動變壓器靈敏度的因素：

激勵電源的頻率、電流強度、初級與次級線圈匝數(shù)、銜鐵幾何尺寸等參數(shù)。提高差動變壓器的靈敏度的途徑：

（1）

增加二次繞組的匝數(shù)N2，N2的增加可使靈敏度增加；（2）選擇較高的激磁頻率；（3）增大銜鐵直徑，使其接近于線圈架內(nèi)徑，但不觸及線圈架，銜鐵采用導(dǎo)磁率高、鐵損小、渦流損耗小的材料。②頻率特性

差動變壓器的激磁頻率一般從50Hz到10KHz較為適當(dāng)。頻率太低時差動變壓器的靈敏度顯著降低，溫度誤差和頻率誤差增加。但頻率太高，鐵損和耦合電容等的影響增加，輸出值下降。因此具體應(yīng)用時，在400Hz到5KHz的范圍內(nèi)選擇。

③線性范圍

理想的差動變壓器次級輸出電壓應(yīng)與銜鐵位移成線性關(guān)系。實際上，由于銜鐵的直徑、長度、材質(zhì)的不同和線圈骨架的形狀、大小的不同等，均對線性關(guān)系有直接的影響，所以一般差動變壓器的線性范圍約為線圈骨架長度的1/10～1/4。一般差動變壓器的線性范圍約為線圈骨架全長的1/10左右。提高線性度的方法：（1）把差動變壓器的交流輸出電壓，用差動整流電路進行整流；（2）依靠測量電路④溫度特性機械結(jié)構(gòu)的膨脹、收縮、測量電路的溫度特性等的影響，會造成差動變壓器測量精度的下降。機械部分的熱脹冷縮，對差動變壓器測量精度的影響可達數(shù)微米到十微米左右。

⑤零位電壓（零點殘余電壓）當(dāng)差動變壓器銜鐵位于中間位置時，理論上輸出應(yīng)為零，但實際上總是存在零位不平衡電壓輸出，即零位電壓。零位電壓是由于兩個次級線圈的結(jié)構(gòu)不對稱，以及初級線圈銅損電阻、鐵磁材質(zhì)不均勻、線圈間分布電容等原因所形成。要減小零位電壓，最重要的是使傳感器的上下幾何尺寸和電氣參數(shù)嚴(yán)格地相互對稱。同時，銜鐵或鐵芯必須經(jīng)過熱處理，以改善導(dǎo)磁性能，提高磁性能地均勻性和穩(wěn)定性。對于存在零位電壓的電路可采用零位補償電路進行補償（在放大電路前加相敏整流器）。2.差動相敏檢波電路1－理想特性曲線2－實際特性曲線圖3-11整流器輸出特性a）非相敏檢波b）相敏檢波圖3-12差動相敏檢波電路應(yīng)用：1、差動變壓器式應(yīng)變儀2、電感式加速度傳感器

由懸臂梁1和差動變壓器2構(gòu)成。測量時，將懸臂梁底座及差動變壓器的線圈骨架固定，而將銜鐵的A端與被測振動體相連。當(dāng)被測振動體以△x(t)振動時，導(dǎo)致差動變壓器的輸出電壓也按相同規(guī)律變化。3、流量測量電遠傳轉(zhuǎn)子流量計4、測量加速度加速度計用傳感器如圖質(zhì)量塊2由兩片片簧1支撐，測量時質(zhì)量塊位移和被測加速度成正比，因此使加速度的測量變成位移的測量，質(zhì)量塊的材料是導(dǎo)磁的，所以它既是加速度計是的慣性元件，也是磁路中的磁性元件。任務(wù)三電渦流式傳感器電渦流傳感器是利用電渦流效應(yīng)進行工作的。它的測量范圍大、靈敏度高、抗干擾能力強，不受介質(zhì)影響，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，且可以對一些參數(shù)進行非接觸的連續(xù)測量，因此廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和科研領(lǐng)域，尤其是在高速旋轉(zhuǎn)的機械中，測量旋轉(zhuǎn)軸的軸向位移和徑向振動以及連續(xù)遠距離監(jiān)控等方面發(fā)揮著獨特的優(yōu)越性。

電渦流式傳感器在金屬體內(nèi)產(chǎn)生的渦流由于存在集膚效應(yīng)，因此渦流滲透的深度是與傳感器線圈激磁電流的頻率有關(guān)的。電渦流式傳感器主要可分為高頻反射式渦流傳感器和低頻透射式渦流傳感器兩類。高頻反射式渦流傳感器的應(yīng)用較為廣泛。知識準(zhǔn)備1.高頻反射式電渦流傳感器原理

高頻反射式電渦流傳感器原理圖

激勵電流線圈有效阻抗Z表示為：若改變這些參數(shù)中的任一物理量，都將引起Z的變化，這就是渦流傳感器的原理。應(yīng)用：1、把距離x的變化變換為Z的變化，從而做成位移、振幅、厚度等傳感器；2、把電導(dǎo)率σ的變化變換為Z的變化，從而做成表面溫度、電解質(zhì)濃度、材質(zhì)判別等傳感器；3、利用磁導(dǎo)率μ的變化變換為Z的變化，從而做成應(yīng)力、硬度等傳感器。

2.低頻透射式電渦流傳感器低頻透射式傳感器原理圖

任務(wù)實施

本任務(wù)就是把位移、尺寸等參數(shù)以及能轉(zhuǎn)換成位移變化的其他參數(shù)，如力、加速度、壓力振動、應(yīng)變、轉(zhuǎn)矩、液位、流量、比重等非電量轉(zhuǎn)換為與被測量成比例的電感量，再通過轉(zhuǎn)換電路將電感量的變化轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率信號。以適應(yīng)控制系統(tǒng)的要求。1.電感測微儀

1-引線2-線圈3-銜鐵4-測力彈簧5-導(dǎo)桿6-密封罩7-測頭2.電感式壓力傳感器1－輸入的壓力；2－膜盒；3－導(dǎo)線；4－印刷電路板；5－差動線圈；6－銜鐵；7－變壓器；8－罩殼；9－指示燈；10－安裝座；11－底座3.電感式加速度傳感器1-彈性支承2-差動變壓器

4.電渦流轉(zhuǎn)速計1—傳感器；2—齒輪位移計厚度計轉(zhuǎn)速計測量導(dǎo)體溫度

如圖，當(dāng)要測量介質(zhì)的溫度時，把傳感器的端部放在被測介質(zhì)中，介質(zhì)可也是氣態(tài)的，也可以是液態(tài)的，溫敏元件由于周圍溫度的變化而引起電阻率變化，從而導(dǎo)致線圈等效阻抗變化。5.電感傳感器的優(yōu)缺點及使用范圍電感傳感器具有如下優(yōu)點：（1）結(jié)構(gòu)簡單可靠電感傳感器的結(jié)構(gòu)簡單可靠，由于無活動觸點，使用壽命也較長。（2）分辨力大能測出0.1μm甚至更小的線性位移變化和1〞的角位移。（3）靈敏度高、輸出功率較大電壓靈敏度一般每毫米可達數(shù)百毫伏，因此有利于信號的傳輸。（4）穩(wěn)定性好電感傳感器的抗干擾能力強、對工作環(huán)境要求不高。電感傳感器具有如下缺點：頻率響應(yīng)低，不能用于快速動態(tài)信號的測量。

項目小結(jié)

本項目主要介紹了自感式電感傳感器、差動式變壓器、電渦流傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)形式、測量電路及應(yīng)用。知識拓展電感式接近開關(guān)1.接近開關(guān)概述

接近開關(guān)又稱無觸點行程開關(guān)，當(dāng)物體達到接近開關(guān)的動作距離時，接近開關(guān)無需與運動部件進行機械接觸就可以動作。接近開關(guān)是種開關(guān)型傳感器，它既有行程開關(guān)、微動開關(guān)的特性，同時也具有傳感性能，因此它的用途已遠遠超出行程開關(guān)所具備的行程控制及限位保護功能，可用于計數(shù)、

測速、定位控制、尺寸檢測以及用作無觸點式按鈕等。接近開關(guān)具有使用壽命長、動作可靠、性能穩(wěn)定、重復(fù)定位精度高、頻率響應(yīng)快、無機械磨損、無火花、抗干擾能力強等特點，廣泛用于輕工、化工、紡織、印刷、機械、冶金、電信、交通以及計算機等領(lǐng)域。2.接近開關(guān)的分類1）電渦流式接近開關(guān)電渦流式接近開關(guān)也叫電感式接近開關(guān)，它只對導(dǎo)電體起作用。接近開關(guān)的線圈在通入高頻激勵電源后，產(chǎn)生交變磁場，導(dǎo)電物體靠近接近開關(guān)時，內(nèi)部產(chǎn)生電渦流，電渦流反作用到接近開關(guān)，使開關(guān)內(nèi)部電路參數(shù)發(fā)生變化，控制開關(guān)的通或斷，由此識別出有無導(dǎo)電物體靠近。

工作流程方框圖

這是一種用途非常廣泛的電感接近開關(guān)，只能用于檢測金屬物，特別是對鐵金屬能很好的檢測出來，并且性能穩(wěn)定可靠，是最常用的