电感式传感器及应用

2015/10/121第4章 电感式传感器及应用2 根据法拉第电磁定律，当穿过闭合电路的磁通量根据法拉第电磁定律，当穿过闭合电路的磁通量发生变化时，就会产生感应电动势，这种现象称为发生变化时，就会产生感应电动势，这种现象称为电电磁感应磁感应。利用这种现象可以构成各种各样的传感器。利用这种现象可以构成各种各样的传感器。 电感式传感器是利用电感式传感器是利用线圈自感或互感的变化线圈自感或互感的变化来实来实现测量的一种装置现测量的一种装置. 引 言3电感式传感器u 原 理u 定 义 利用线圈自感和互感的变化实现非电量电测的装置。u 感测量 位移、振动、压力、应变、流量、比重等。u 分 类 根据转换原理：自感式（変磁阻式）、互感式（差动变压器式）、 电涡流式。 根据结构形式：气隙型、面积型和螺管型。 电磁 感应 测量电路4优 点 结构简单、可靠 分辨率高 机械位移0.1m，甚至更小；角位移0.1角秒。 输出信号强，电压灵敏度可达数百mV/mm 。 重复性好，线性度优良 在几十m到数百mm的位移范围内，输出特性的线性度较好，且比较稳定。 能实现远距离传输、记录、显示和控制u 不 足 存在交流零位信号，不宜高频动态测量。 5主要章节内容 4.1 4.1 自感式传感器自感式传感器 4.2 4.2 差动变压器式传感器差动变压器式传感器 4.3 4.3 电涡流传感器电涡流传感器 64.1 自感式传感器 自感式传感器是利用自感式传感器是利用自感量随气隙变化而改变自感量随气隙变化而改变的原理的原理制成的，制成的，主要用来主要用来测量位移测量位移。 自感式传感器主要有自感式传感器主要有闭磁路变隙式闭磁路变隙式和和开磁路螺开磁路螺线管式线管式，它们又都可以分为，它们又都可以分为单线圈式单线圈式与与差动式差动式两种结构形式。两种结构形式。7内 容 4.1.1 结构和工作原理结构和工作原理 4.1.2 自感式传感器的测量电路自感式传感器的测量电路 4.1.3 自感式传感器应用举例自感式传感器应用举例 8自感式传感器的基本工作自感式传感器的基本工作原理演示原理演示F F衔铁移动衔铁移动磁路中气隙磁阻变化磁路中气隙磁阻变化线圈的电感值变化线圈的电感值变化94.1.1 基本工作原理基本工作原理 线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁,LINm由于由于mRNL2mmmmRFNIF,可得：可得：磁路的总磁阻可表示为：磁路的总磁阻可表示为：SSlRiiim02近似计算出线圈的电感量为：近似计算出线圈的电感量为：202SNL 10结 论 电感式传感器从原理上可分为电感式传感器从原理上可分为变气隙长度式变气隙长度式和和变气变气隙截面式隙截面式两种类型，两种类型，前者常用于测量前者常用于测量直线位移直线位移，后，后者常用于测量者常用于测量角位移角位移。 如果在线圈中放入圆柱形衔铁，当衔铁上下移动时，如果在线圈中放入圆柱形衔铁，当衔铁上下移动时，自感量将相应变化，就构成了自感量将相应变化，就构成了螺线管型螺线管型自感传感器。自感传感器。114.1.1 常见结构形式1线圈线圈 2铁芯铁芯 3衔铁衔铁 4测杆测杆 5导轨导轨 6工件工件 7转轴转轴12 由电感式由电感式 可知，可知，变气隙变气隙长度式长度式传感器的线性度差、示值范围窄、自由行传感器的线性度差、示值范围窄、自由行程小，但在小位移下灵敏度很高，程小，但在小位移下灵敏度很高，常用于小位移常用于小位移的测量的测量。 1变气隙式（闭磁路式）自感传感器 1线圈线圈 2铁芯铁芯 3衔铁衔铁202SNL 131变气隙式（闭磁路式）自感传感器 由电感式由电感式 同样可知，同样可知，变变截面式传感器截面式传感器具有良好的线性度、自由行程大、具有良好的线性度、自由行程大、示值范围宽，但灵敏度较低，示值范围宽，但灵敏度较低，常用来测量较大位常用来测量较大位移量移量。 为扩大示值范围和减小非线性误差，可采用为扩大示值范围和减小非线性误差，可采用差动差动结构结构。202SNL 142螺线管式（开磁路式）自感式传感器 螺线管式自感式传感器常采用差动式。螺线管式自感式传感器常采用差动式。 1测杆测杆 2衔铁衔铁 3线圈线圈 差动式电感传感器对外界差动式电感传感器对外界影响，如温度的变化、电影响，如温度的变化、电源频率的变化等基本上可源频率的变化等基本上可以互相抵消，衔铁承受的以互相抵消，衔铁承受的电磁吸力也较小，从而减电磁吸力也较小，从而减小了测量误差。小了测量误差。15特性 1、2L1、L2的特性的特性 3差动特性差动特性 164.1.2 自感式传感器的测量电路 测量电路有交流分压式、交流电桥式和谐振式等多种，常用测量电路有交流分压式、交流电桥式和谐振式等多种，常用的差动式传感器大多采用的差动式传感器大多采用交流电桥式交流电桥式 。 交流电桥的种类很多，交流电桥的种类很多，差动形式工作时其电桥电路常采用双差动形式工作时其电桥电路常采用双臂工作方式臂工作方式。171变压器交流电桥 电桥有两臂为传感器的电桥有两臂为传感器的差动线圈的阻抗，所以差动线圈的阻抗，所以该电路又称为差动交流该电路又称为差动交流电桥电桥 变压器式交流电桥电路图变压器式交流电桥电路图 18分析 设设O O点为电位参考点，根据电路的基本分析方法，点为电位参考点，根据电路的基本分析方法，可得到电桥输出电压为可得到电桥输出电压为 当传感器的活动铁芯处于初始平衡位置时，两线当传感器的活动铁芯处于初始平衡位置时，两线圈的电感相等，阻抗也相等。圈的电感相等，阻抗也相等。 电桥输出电压，电桥处于平衡状态。电桥输出电压，电桥处于平衡状态。 1oABAB2121()2ZUUVVUZZ19变化时 当铁芯向一边移动时，则一个线圈的阻抗增加当铁芯向一边移动时，则一个线圈的阻抗增加 ，10ZZZ20ZZZ0o22001()222ZZZUUUZZ 20变化后的电压 当传感器线圈为高当传感器线圈为高Q Q值时，则线圈的电阻远小于值时，则线圈的电阻远小于其感抗其感抗 当活动铁芯向另一边（反方向）移动时当活动铁芯向另一边（反方向）移动时 差动式自感传感器采用变压器交流电桥为测量电差动式自感传感器采用变压器交流电桥为测量电路时，电桥输出电压既能反映被测体位移量的大路时，电桥输出电压既能反映被测体位移量的大小，又能反映位移量的方向，且输出电压与电感小，又能反映位移量的方向，且输出电压与电感变化量呈线性关系。变化量呈线性关系。 o202LUUL 212带相敏整流的交流电桥 上述变压器式交流电桥中，由于上述变压器式交流电桥中，由于采用交流电源采用交流电源，则不论活动铁芯向线圈的哪个方向移动，电桥输则不论活动铁芯向线圈的哪个方向移动，电桥输出电压总是交流的，即无法判别位移的方向。出电压总是交流的，即无法判别位移的方向。 常采用常采用带相敏整流的交流电桥带相敏整流的交流电桥。22结构带相敏整流的交流电桥电路带相敏整流的交流电桥电路 23（1）初始平衡位置时铁芯处于初始平衡位置时的等效电路铁芯处于初始平衡位置时的等效电路 24（2）活动铁芯向一边移动时 铁芯向线圈一个方向移动时的等效电路铁芯向线圈一个方向移动时的等效电路 25结果oDCii20001221 ()2ZZUVVUUZZZZoDCi200121 ()2ZUVVUZZZ在在Ui的正半周的正半周 在在Ui的负半周的负半周 26 只要活动铁芯向一方向移动，只要活动铁芯向一方向移动，无论在交流电源的无论在交流电源的正半周还是负半周，电桥输出电压均为正值。正半周还是负半周，电桥输出电压均为正值。 27（3）活动铁芯向相反方向移动时 当活动铁芯向线圈的另一个方向移动时，用上述当活动铁芯向线圈的另一个方向移动时，用上述分析方法同样可以证明，分析方法同样可以证明，无论在的正半周还是负无论在的正半周还是负半周，电桥输出电压均为负值。半周，电桥输出电压均为负值。 28应用1理想特性曲线理想特性曲线 2实际特性曲线实际特性曲线294.1.3自感式传感器应用举例 用于测量位移，还可以用于测量用于测量位移，还可以用于测量振动、应变、厚振动、应变、厚度、压力、流量、液位等度、压力、流量、液位等非电量。非电量。 301自感式测厚仪 1可动铁芯可动铁芯 2测杆测杆 3被测物体被测物体312位移测量 1引线引线 2线圈线圈 3衔铁衔铁 4测力弹簧测力弹簧 5导杆导杆 6密封罩密封罩 7测头测头32其他电感测微头其他电感测微头334.2 差动变压器式传感器 把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器称为互把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器称为互感式传感器。因这种传感器是根据变压器的基本原理制成感式传感器。因这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且其二次绕组都用差动形式连接，所以又叫差动变的，并且其二次绕组都用差动形式连接，所以又叫差动变压器式传感器，简称压器式传感器，简称差动变压器差动变压器。 有变隙式、变面积式和螺线管式等有变隙式、变面积式和螺线管式等 在非电量测量中，在非电量测量中，应用最多的是螺线管式的差动变压器应用最多的是螺线管式的差动变压器，它可以测量它可以测量1 1100mm100mm范围内的机械位移，并具有测量精度范围内的机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点。高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点。 344.2.1 基本工作原理 螺线管式差动变压器结构示意图螺线管式差动变压器结构示意图 1 一次绕组一次绕组 2二次绕组二次绕组 3衔铁衔铁 4测杆测杆 螺线管式差动变压器原理图螺线管式差动变压器原理图 35输出特性零点残余电动势零点残余电动势 36零点电势 零点残余电动势使得传感器在零点附近的输出特零点残余电动势使得传感器在零点附近的输出特性不灵敏，为测量带来误差。为了减小零点残余性不灵敏，为测量带来误差。为了减小零点残余电动势，可采用以下方法。电动势，可采用以下方法。 （1 1）尽可能保证传感器尺寸、线圈电气参数和）尽可能保证传感器尺寸、线圈电气参数和磁路对称。磁路对称。 （2 2）选用合适的测量电路。）选用合适的测量电路。 （3 3）采用补偿线路减小零点残余电动势。）采用补偿线路减小零点残余电动势。374.2.2 测 量 电 路 差动变压器输出的是交流电压，若用交流电压表差动变压器输出的是交流电压，若用交流电压表测量，只能反映衔铁位移的大小，而不能反映移测量，只能反映衔铁位移的大小，而不能反映移动方向。另外，其测量值中将包含零点残余电压。动方向。另外，其测量值中将包含零点残余电压。为了达到能辨别移动方向及消除零点残余电动势为了达到能辨别移动方向及消除零点残余电动势目的，实际测量时，常常采用差动整流电路和相目的，实际测量时，常常采用差动整流电路和相敏检波电路。敏检波电路。 381差动整流电路 394.2.3 差动变压器式传感器的应用 差动变压器不仅可以直接用于位移测量，而且还差动变压器不仅可以直接用于位移测量，而且还可以测量与位移有关的任何机械量，如振动、加可以测量与位移有关的任何机械量，如振动、加速度、应变、压力、张力、比重和厚度等。速度、应变、压力、张力、比重和厚度等。40 L L1 1、L L2 2传感器作两个桥臂；传感器作两个桥臂；C C1 1、C C2 2为另外两个桥臂；为另外两个桥臂；DD1 1-D-D4 4组成相敏整流器组成相敏整流器; ;磁饱和变压器磁饱和变压器T T提供桥压。提供桥压。差动变压器式测厚仪411振动和加速度的测量 振动传感器及其测量电路振动传感器及其测量电路1弹性支撑弹性支撑 2差动变压器差动变压器422力和压力的测量 差动变压器式力传感器差动变压器式力传感器 1上部上部 2衔铁衔铁 3线圈线圈 4变形部变形部 5下部下部 43微压力传感器 1差动变压器差动变压器 2衔铁衔铁 3罩壳罩壳 4插头插头 5通孔通孔 6底座底座 7膜盒膜盒 8接头接头 9线路板线路板 电感式微压力传感器电感式微压力传感器 44课堂小结1 1、电感式传感器工作原理，能测量哪些物理量？电感式传感器工作原理，能测量哪些物理量？2 2、三种自感式传感器的工作原理、特点、应用范围；三种自感式传感器的工作原理、特点、应用范围；3 3、带相敏整流交流电桥是怎样判断衔铁移动方向的？带相敏整流交流电桥是怎样判断衔铁移动方向的？4 4、零点残余电压是如何产生的，对传感器性能会产零点残余电压是如何产生的，对传感器性能会产生何种影响，如何消除它生何种影响，如何消除它？45课后作业：课后作业：4.1、4.4464.3电涡流传感器 根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈涡旋状的感应电流，此电流叫电涡流，这种现象称为电涡流效应。 根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。按照电涡流在导体内的贯穿情况， 此传感器可分为高频反射式和低频透射式两类，但从基本工作原理上来说仍是相似的。电涡流式传感器最大的特点是能对位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等进行非接触式连续测量，另外还具有体积小、灵敏度高、频率响应宽等特点，应用极其广泛。 474.3.1 电涡流传感器的工作原理 线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。 而电涡流效应既与被测体的电阻率、磁导率以及几何形状有关，又与线圈几何参数、线圈中激磁电流频率有关，还与线圈与导体间的距离x有关。因此，传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的函数关系式为Z=F（，R，x） 电涡流传感器原理图 48 如果保持上式中其他参数不变，而只改变其中一个参数，传感器线圈阻抗Z就仅仅是这个参数的单值函数。通过与传感器配用的测量电路测出阻抗Z的变化量，即可实现对该参数的测量。494.3.2 电涡流传感器基本结构和类型 1电涡流传感器基本结构 2电涡流传感器基本类型 501电涡流传感器基本结构 电涡流式传感器的基本结构主要由线圈和框架组成。根据线圈在框架上的安置方法，传感器的结构可分为两种形式：一种是单独绕成一只无框架的扁平圆形线圈，由胶水将此线圈粘接于框架的顶部 图4-26 CZF3型电涡流式传感器 1壳体 2框架 3线圈 4保护套 5填料 6螺母 7电缆 51 另一种是在框架的接近端面处开一条细槽，用导线在槽中绕成一只线圈，如图4-27所示的CZF1型电涡流式传感器。 图4-27 CZF1型电涡流式传感器1电涡流线圈 2前端壳体 3位置调节螺4信号处理电路 5夹持螺母 6电源指示灯阈值指示灯 8输出屏蔽电缆线 9电缆插头 522电涡流传感器基本类型 电涡流在金属导体内的渗透深度与传感器线圈的激励信号频率有关，故电涡流式传感器可分为高频反射式和低频透射式两类。目前高频反射式电涡流传感器应用较广泛。53（1）高频反射式 高频（1MHz）激励电流产生的高频磁场作用于金属板的表面，由于集肤效应，在金属板表面将形成涡电流。与此同时，该涡流产生的交变磁场又反作用于线圈，引起线圈自感L或阻抗ZL的变化。线圈自感L或阻抗ZL的变化与金属板距离h、金属板的电阻率、磁导率、激励电流i及角频率等有关，若只改变距离h而保持其他参数不变，则可将位移的变化转换为线圈自感的变化，通过测量电路转换为电压输出。高频反射式涡流传感器多用于位移测量。 高频反射式电涡流传感器 54（2）低频透射式 低频透射式电涡流传感器 554.3.3 测量电路 1电桥电路 2调幅式（AM）电路 3调频（FM）式电路（100kHz1MHz） 561电桥电路 静态时，电桥平衡，桥路输出UAB0。工作时，传感器接近被测体，电涡流效应等效电感L发生变化，测量电桥失去平衡，即UAB0，经线性放大后送检波器检波后输出直流电压U。 572调幅式（AM）电路 石英振荡器产生稳频、稳幅高频振荡电压（100kHz1MHz）用于激励电涡流线圈。金属材料在高频磁场中产生电涡流，引起电涡流线圈端电压的衰减，再经高放、检波、低放电路，最终输出的直流电压Uo反映了金属体对电涡流线圈的影响）。583调频（FM）式电路（100kHz1MHz） 当电涡流线圈与被测体的距离x 改变时，电涡流线圈的电感量L也随之改变，引起LC振荡器的输出频率变化，此频率可直接用计算机测量。如果要用模拟仪表进行显示或记录时，必须使用鉴频器，将f转换为电压Uo。 594.3.4 电涡流传感器的应用 涡流式传感器的特点是结构简单，易于进行非接触的连续测量，灵敏度较高，适用性强 利用位移x作为变换量，可以做成测量位移、厚度、振幅、振摆、转速等传感器，也可做成接近开关、计数器等； 利用材料电阻率作为变换量，可以做成测量温度，材质判别等传感器； 利用导磁率作为变换量，可以做成测量应力，硬度等传感器； 利用变换量x、等的综台影响，可以做成探伤装置。 601测量转速 在软磁材料制成的输入轴上加工一键槽（或装上一个齿轮状的零件），在距输入表面d0处设置电涡流传感器，输入轴与被测旋转轴相连。 实物图 61原理 当旋转体转动时，输出轴的距离发生d0+d的变化。由于电涡流效应，这种变化将导致振荡谐振回路的品质因数变化，使传感器线圈电感随d的变化也发生变化，它们将直接影响振荡器的电压幅值和振荡频率。因此，随着输入轴的旋转，从振荡器输出的信号中包含有与转数成正比的脉冲频率信号。该信号由检波器检出电压幅值的变化量，然后经整形电路输出脉冲频率信号f，该信号经电路处理便可得到被测转速。 622测位移 接通电源后，在电涡流探头的有效面（感应工作面）将产生一个交变磁场。当金属物体接近此感应面时，金属表面将吸取电涡流探头中的高频振荡能量，使振荡器的输出幅度线性地衰减，根据衰减量的变化，可计算出与被检物体的距离、振动等参数。这种位移传感器属于非接触测量，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，寿命较长，可在各种恶劣条件下使用。 633电涡流接近开关 接近开关又称无触点行程开关。常用的接近开关有电涡流式（俗称电感接近开关）、电容式、磁性干簧开关、霍尔式、光电式、微波式、超声波式等 它能在一定的距离（几毫米至几十毫米）内检测有无物体靠近。当物体与其接近到设定距离时，就可以发出“动作”信号。接近开关的核心部分是“感辨头”，它对正在接近的物体有很高的感辨能力。 64实物 接近开关外形图65原理 电涡流式接近开关属于一种开关量输出的位置传感器。原理图如图4-36所示，它由LC高频振荡器和放大处理电路组成，利用金属物体在接近这个能产生交变电磁场的振荡感辨头时，使物体内部产生涡流。这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。这种接近开关所能检测的物体必须是导电性能良好的金属物体。66接近开关原理图 67转速测量转速测量68接近开关外形接近开关外形 接近开关外形69偏心和振动检测偏心和振动检测70电涡流表面探伤电涡流表面探伤掌上型掌上型电涡流电涡流探伤仪探伤仪714金属探测器金属探测器适用于金属管道的寻找定位、海滨游泳场沙滩金属垃圾的清除及其他工业和民用场所。72本章小结 变磁阻式传感器是利用被测量的变化使线圈电感量发生改变来实现测量的。它可分为自感式传感器、差动变压器式传感器、电涡流式传感器等几种，而前两种又统称为电感式传感器。 自感式变气隙传感器有基本变气隙传感器与差动变气隙式传感器。两者相比，后者的灵敏度比前者的高一倍，且线性度得到明显改善。 73 差动变压器式传感器属于互感式传感器，把被测得的非电量转换为线圈间互感量的变化。差动变压器的结构形式有变气隙式、变面积式和螺线管式等，其中应用最多的是螺线管式差动变压器。 电涡流式传感器具有结构简单，频率响应宽，灵敏度高，测量范围大，抗干扰能力强等优点，特别是电涡流式传感器可以实现非接触式测量。应用电涡流式传感器可实现多种物理量的测量，也可用于无损探伤。74休息一下！休息一下！