第5章 電感式傳感器教材

第5章電感式傳感器本章學習要求：1.掌握自感式傳感器的原理、調理電路及應用；2.掌握差動變壓器的原理、調理電路及應用；3.掌握電渦流傳感器的原理、調理電路及應用；4.掌握感應同步器的原理、調理電路及應用。

新型傳感器原理及應用第5章電感式傳感器

工作原理：基于電磁感應原理，將被測量變化轉換為電感量(自感和互感)變化。常用來測量位移、振動、壓力、流量、重量、力矩、應變等。

電感式傳感器自感型變磁阻式電渦流式互感型感應同步器差動變壓器5.1自感式傳感器(變磁阻式)

5.1.1工作原理：第5章電感式傳感器電磁感應的自感現(xiàn)象

當鐵芯的結構和材料確定后，自感L與氣隙磁通截面積A成正比，與氣隙長度

成反比。

初始自感量：靈敏度：非線性誤差：

5.1自感式傳感器5.1.2結構類型

1.變氣隙式變氣隙式的差動結構：靈敏度：非線性誤差：2.變面積式：5.1.2結構類型3.螺管式

單螺管線圈差動螺管線圈長徑比越大，線性范圍越大，故做成細長型。5.1.2結構類型5.1.3信號調理電路

1.調幅電路1）變壓器電橋(不反映極性，且存在零點殘余電壓)空載輸出：——兩種情況輸出大小相等、相位差

5.1自感式傳感器2）相敏整流電橋(反映極性，且消除零點殘余電壓)

（1）當銜鐵向上移動時，，。若u上正、下負，VD1和VD4通，VD2和VD3斷，R2上的壓降大于R1上的壓降；若u下正、上負，VD1和VD4斷，VD2和VD3通，R1上的壓降大于R2上的壓降。故uo下端為正、上端為負。

（2）當銜鐵向下移動時，，。uo下端為負、上端為正。兩種情況輸出大小相等、極性相反。

5.1.3信號調理電路2.調頻電路

振蕩頻率：

頻率變化量：

5.1.3信號調理電路頻率變?yōu)椋?.1.4自感式傳感器的應用

1.自感式壓力傳感器

當被測壓力進入C型彈簧管時，彈簧管發(fā)生變形，其自由端產(chǎn)生位移，帶動與自由端剛性連接的銜鐵發(fā)生移動，使傳感器線圈中的自感量一個增加另一個減小。5.1自感式傳感器2.螺管式位移傳感器

測桿可在滾動導軌上作軸向移動，測桿上固定著銜鐵。當測桿移動時，帶動銜鐵在電感線圈中移動，線圈放在圓筒形鐵芯中，線圈配置成差動式結構，當銜鐵由中間位置向左右移動時，自感量一個增加另一個減少。兩個線圈分別用導線引出，接入測量電路。5.1.4自感式傳感器的應用3.自感式接近傳感器5.1.4自感式傳感器的應用5.2差動變壓器式傳感器5.2.1工作原理：電磁感應互感現(xiàn)象WW1W2u2x-xu1u2=e21e22e21-e22當x=0時，M1=M2，e21=e22，u2=0；當x>0時，M1>M2，e21>e22

，u2>0；當x<0時，M1<M2，e21<e22

，u2<0。第5章電感式傳感器u1u2uruo5.2.2信號調理電路差動變壓器輸出為交流調幅波，為了從調幅波中恢復銜鐵位移量的大小，辨別銜鐵移動方向，并消除零點殘余電壓，在實際測量中常采用差動整流電路和相敏檢波電路。5.2差動變壓器式傳感器1.差動整流電路5.2.2信號調理電路當激勵電壓u1為正半周時，上線圈a端為正，b端為負，電流路徑為a→1→2→4→3→b，流過電容的電流由2到4，電容上的電壓為u24

。下線圈c端為正，d端為負，電流路徑為：c→5→6→8→7→d，流過電容的電流由

6到8，電壓為u68。

當激勵電壓u1為負半周時，上線圈a端為負，b端為正，電流路徑為b→3→2→4→1→a，流過電容的電流仍由2到4，電容電壓為u24

。下線圈c端為負，d端為正，電流路徑為：d→7→6→8→5→c，流過電容的電流仍由

6到8，電壓為u68。

5.2.2信號調理電路無論u1為正半周還是負半周，通過電容的電流方向始終不變，總輸出電壓始終為：u2=u24-u68

。當銜鐵在零位時，u24=u68，u2=0；當銜鐵向上移動時，u24>u68，u2>0

；當銜鐵向下移動時，u24<u68，u2<0。

5.2.2信號調理電路uruo2.相敏檢波電路：5.2.2信號調理電路作用：（1）反映極性（2）消除零點殘壓（3）調幅波的解調

當ur>0時，V1截止，V2導通，運算放大器A2的反相輸入端接地，差動變壓器輸出的調幅波u2從A2同相輸入端輸入。相敏檢波器輸出：5.2.2信號調理電路

當ur<0時，V1導通，V2截止，運算放大器A2的同相輸入端接地，差動變壓器輸出的調幅波u2從A2反相輸入端輸入。相敏檢波器輸出：5.2.2信號調理電路當x>0時，調幅波u2與載波ur同頻同相，相敏檢波器輸出uo為正。當x<0時，調幅波u2與載波ur同頻反相，相敏檢波器輸出uo為負。波形分析：5.2.2信號調理電路5.2.3零點殘余電壓當銜鐵處于中間位置時，輸出電壓并不為零，且有一個很小的電壓值，這個電壓值稱為零點殘余電壓。u2x-x1.零點殘余電壓產(chǎn)生原因主要由兩次級線圈的電氣參數(shù)和幾何尺寸不對稱、導磁材料磁化曲線的非線性、激勵電壓的高次諧波及外界電磁干擾等引起。2.零點殘余電壓的消除從設計工藝、信號調理電路和線路補償?shù)确矫嫦泓c殘壓。5.2差動變壓器式傳感器5.2.4差動變壓器式傳感器的應用1.差動變壓器式壓力傳感器當被測壓力經(jīng)過接頭傳入膜盒時，使膜盒產(chǎn)生一定的位移，并帶動銜鐵在線圈中移動，線圈產(chǎn)生的感應電勢經(jīng)相敏檢波等電路處理后，反映被測壓力的數(shù)值。5.2差動變壓器式傳感器2.差動變壓器式加速度傳感器將懸臂梁底座及差動變壓器的線圈、骨架固定，銜鐵的A端與被測振動體相連，作為加速度測量中的慣性元件，其位移與被測加速度成正比。5.2.4差動變壓器式傳感器的應用3.差動變壓器式位移傳感器測頭通過軸套與測桿連接，活動銜鐵固定在測桿上。線圈架上繞有初級線圈和次級線圈，線圈通過導線與信號調理電路連接。線圈外面的屏蔽筒用來防止外磁場的干擾。彈簧用來獲得恢復力，圓片彈簧為測桿導向，防塵罩防止灰塵侵入測桿。5.2.4差動變壓器式傳感器的應用差動變壓器位移傳感器產(chǎn)品：5.2.4差動變壓器式傳感器的應用案例：板材的厚度測量5.2.4差動變壓器式傳感器的應用

~案例：張力測量5.2.4差動變壓器式傳感器的應用5.3電渦流式傳感器5.3.1工作原理:

渦流效應第5章電感式傳感器線圈的等效阻抗：5.3.1電渦流效應穿透深度：——穿透金屬板的能力x高頻反射式傳感器低頻透射式傳感器5.3.2信號調理電路1.電橋電路：把渦流線圈作為電橋的一個橋臂或差動結構2.諧振電路：把渦流線圈作為LC調諧回路的一個調諧參數(shù)當被測金屬導體接近傳感器線圈時，使電感量變小，回路失諧，檢波電壓變小。

當被測物體接近傳感器線圈時，使電感量變小，從而使振蕩器的頻率改變。

5.3電渦流式傳感器5.3.3電渦流式傳感器的應用1.電渦流式位移傳感器圖(a)為汽輪機主軸的軸向位移測量，圖(b)為先導閥的位移測量，圖(c)為金屬試件的熱膨脹系數(shù)測量。(a)(b)(c)

5.3電渦流式傳感器2.電渦流式振幅傳感器圖(a)為汽輪機和空氣壓縮機的主軸徑向振動測量，圖(b)為發(fā)動機渦輪葉片的振幅測量，圖(c)為軸的振動形狀測量。在軸振動時，可以獲得軸在各傳感器探頭位置上的瞬時振幅，并畫出軸的振形圖。(a)(b)(c)

5.3.3電渦流式傳感器的應用3.電渦流式厚度傳感器

由于在工作過程中金屬板上下波動，影響測量精度，所以常采用比較法測量。金屬板厚度h=D-(x1+x2)，兩個傳感器探頭測得x1和x2，通過信號調理電路轉換成電壓后相加，相加所得的電壓值與傳感器探頭之間距離對應的設定電壓值相減，就得到與金屬板厚對應的電壓值。

5.3.3電渦流式傳感器的應用4.電渦流式轉速傳感器在旋轉體旁邊安裝一個傳感器探頭，當旋轉體(金屬材料)轉動時，傳感器探頭將輸出周期性變化的電壓，此電壓經(jīng)放大整形后用頻率計指示出頻率值。由此可得被測轉速為5.3.3電渦流式傳感器的應用5.電渦流計數(shù)傳感器5.3.3電渦流式傳感器的應用6.電渦流探傷傳感器產(chǎn)品：5.3.3電渦流式傳感器的應用案例：連續(xù)油管的橢圓度測量CoiledTube盤繞油管EddySensor渦流傳感器

ReferenceCircle

參考圓5.3.3電渦流式傳感器的應用案例：無損探傷原理裂紋檢測，缺陷造成渦流變化?；疖囕啓z測油管檢測5.3.3電渦流式傳感器的應用5.4感應同步器5.4.1結構類型與工作原理第5章

電感式傳感器1.結構：由定尺(定子)和滑尺(轉子)組成。2.工作原理感應電勢隨滑尺相對定尺的移動而周期性變化。通過測量感應電勢實現(xiàn)位移的測量。

5.4.1結構類型與工作原理5.4.2信號調理電路1.鑒幅型電路感應電勢的幅值隨x的規(guī)律變化，當x變化一個節(jié)距

W，感應電勢的幅值變化一個周期。

5.4感應同步器2.鑒相型電路感應電勢的相位隨x的規(guī)律變化，當x變化一個節(jié)距

W，感應電勢的相位變化一個周期。

5.4.2信號調理電路5.4.3感應同步器的應用1.點位控制系統(tǒng)

控制刀具或工作臺從某一加工點到另一加工點之間的準確定位，提高定位精度。5.4感應同步器2.位置隨動系統(tǒng)位置隨動系統(tǒng)不僅要求在加工過程中實現(xiàn)點到點的準確定位，而且要保證運動過程中逐點的定位精度，即對運動軌跡上的各點都要求精確地跟蹤指令。5.4.3感應同步器的應用5.5壓磁式傳感器(自感型)工作原理：壓磁效應。外力作用時，沿受力方向磁導率下降，磁阻增大，部分磁場通過了測量線圈。第5章

電感式