第5章電感式傳感器教材

傳感器與檢測技術(shù)

朱啟兵zhuqib@163.com傳感器與檢測技術(shù)第5章電感式傳感器5.1自感式傳感器5.2互感式傳感器5.3電渦流式傳感器第5章電感式傳感器按轉(zhuǎn)化機理的不同利用被測量的變化引起線圈自感或互感系數(shù)的變化，從而導(dǎo)致線圈電感量改變這一物理現(xiàn)象來實現(xiàn)測量。電磁感應(yīng)

被測非電量自感系數(shù)L互感系數(shù)M測量電路U、I、f電感式傳感器自感式電感傳感器互感式電感傳感器電渦流式傳感器感測量：位移、振動、壓力、應(yīng)變、流量、比重等。第5章電感式傳感器5.1自感式傳感器按磁路幾何參數(shù)變化形式：變間隙型、變面積型和螺管型。按組成方式：單一型、差動型

5.1自感式傳感器（1）變間隙式（2）變面積式特點：非線性，靈敏度隨氣隙增加而減小，第5章電感式傳感器（3）螺管型電感式傳感器設(shè)線圈長度為l、線圈的平均半徑為r、線圈的匝數(shù)為N、銜鐵進(jìn)入線圈的長度la、銜鐵的半徑為ra、鐵心的有效磁導(dǎo)率為μm，則線圈的電感量L與銜鐵進(jìn)入線圈的長度la的關(guān)系可表示為第5章電感式傳感器（4）差動型電感式傳感器差動式電感傳感器的結(jié)構(gòu)要求兩個導(dǎo)磁體的幾何尺寸及材料完全相同，兩個線圈的電氣參數(shù)和幾何尺寸完全相同。差動式結(jié)構(gòu)除了可以改善線性、提高靈敏度外，對溫度變化、電源頻率變化等影響，也可以進(jìn)行補償，從而減少了外界影響造成的誤差。第5章電感式傳感器變氣隙式差動型電感式傳感器性能改善第5章電感式傳感器（5）自感式傳感器測量電路（a)等效電路實際傳感器中，線圈不可能是純電感，它包括線圈的銅損電阻RC

；鐵芯的渦流損耗電阻Re

；由于線圈和測量設(shè)備電纜的接入，存在線圈固有電容和電纜的分布電容，用集中參數(shù)C表示。ZCLRcRe第5章電感式傳感器（5）自感式傳感器測量電路（b)交流電橋ZLR1R2Z2Z1電阻平衡臂交流電橋差動的兩個傳感器線圈接成電橋的兩個工作臂（Z1、Z2為兩個差動傳感器線圈的復(fù)阻抗），另兩個橋臂用平衡電阻R1、R2代替。設(shè)初始時Z1=Z2=Z=

RS+jωL；

R1=R2=R；

L1=L2=L0。電橋輸出電壓與Δδ有關(guān)，相位與銜鐵移動方向有關(guān)。由于是交流信號，還要經(jīng)過適當(dāng)電路（如相敏檢波電路）處理才能判別銜鐵位移的大小及方向。第5章電感式傳感器（5）自感式傳感器測量電路（b)交流電橋L/mH第5章電感式傳感器（5）自感式傳感器測量電路（b)交流電橋平衡臂為變壓器的兩個二次側(cè)繞組若線圈的Q值很高，損耗電阻可忽略，則兩種情況的輸出電壓大小相等，方向相反，即相位差180為了判別銜鐵位移方向，就是判別信號的相位，要在后續(xù)電路中配置相敏檢波器來解決第5章電感式傳感器（5）自感式傳感器測量電路（c)相敏檢波電橋第5章電感式傳感器（6）自感式傳感器誤差非線性誤差，解決辦法：差動結(jié)構(gòu)與限制測量范圍當(dāng)差動自感式傳感器的銜鐵處于中間位置時，理想條件下其輸出電壓為零。但實際上，在零點仍有一個微小的電壓值(稱為零點殘余電壓。零點殘余電壓的存在造成零點附近的不靈敏區(qū)；零點殘余電壓輸入放大器內(nèi)會使放大器末級趨向飽和，影響電路正常工作等。

零點殘余電壓（零位誤差）E2·E2·E0·x0.第5章電感式傳感器殘余電壓（零位誤差）基波分量次級繞組不一致等效電路參數(shù)（互感M、自感L及損耗電阻R）不同次級繞組的感應(yīng)電動勢數(shù)值不等。初級線圈中銅損電阻及導(dǎo)磁材料的鐵損和材質(zhì)的不均勻，線圈匝間電容的存在等因素，使激勵電流與所產(chǎn)生的磁通相位不同。

高次諧波高次諧波分量主要由導(dǎo)磁材料磁化曲線的非線性引起。由于磁滯損耗和鐵磁飽和的影響，使得激勵電流與磁通波形不一致產(chǎn)生了非正弦(主要是三次諧波)磁通，從而在次級繞組感應(yīng)出非正弦電勢。另外，激勵電流波形失真，因其內(nèi)含高次諧波分量，這樣也將導(dǎo)致零點殘余電壓中有高次諧波成分。再有就是電磁干擾

產(chǎn)生原因?第5章電感式傳感器解決辦法？①從設(shè)計和工藝上保證結(jié)構(gòu)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(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。其次，應(yīng)選高磁導(dǎo)率、低矯頑力、低剩磁感應(yīng)的導(dǎo)磁材料。并應(yīng)經(jīng)過熱處理，消除殘余應(yīng)力，以提高磁性能的均勻性和穩(wěn)定性。由高次諧波產(chǎn)生的因素可知，磁路工作點應(yīng)選在磁化曲線的線性段。

②選用合適的測量線路

③采用補償線路第5章電感式傳感器環(huán)境溫度對自感傳感器的影響主要通過：材料的線膨脹系數(shù)引起零件尺寸的變化；材料的電阻率溫度系數(shù)引起線圈銅阻的變化；磁性材料磁導(dǎo)率溫度系數(shù)、繞組絕緣材料的介質(zhì)溫度系數(shù)和線圈幾何尺寸變化引起線圈電感量及寄生電容的改變等造成。采用恒流源激勵比恒壓源激勵有利。適當(dāng)提高線圈品質(zhì)因數(shù)并采用差動電橋可以減少溫度的影響環(huán)境溫度的影響激勵電壓幅值與頻率的影響激勵電源電壓幅值的波動，會使線圈激勵磁場的磁通發(fā)生變化，直接影響輸出電勢。而頻率的波動，會導(dǎo)致品質(zhì)系數(shù)的改變，只要適當(dāng)?shù)剡x擇頻率，其影響不大。第5章電感式傳感器1.工作原理與結(jié)構(gòu)

5.2互感式傳感器互感式傳感器是將被測量的物理量

(如：力、位移等)轉(zhuǎn)換成互感系數(shù)的傳感器基本原理、結(jié)構(gòu)與常用變壓器類似

——亦稱為變壓器式傳感器

第5章電感式傳感器1.工作原理與結(jié)構(gòu)線圈1為原邊線圈線圈2為副邊線圈由變壓器原理可知：

當(dāng)原邊通過交變電流i1時在磁通全回路上的磁通存在交變變化在副邊上可感生的感應(yīng)電勢E21為：

式中：E21——副邊感應(yīng)電勢向量；

I1——原邊交變電流向量；

ω——工作交變電流角頻率；

M——互感系數(shù)。互感式傳感器的基本原理結(jié)構(gòu)第5章電感式傳感器在原邊線圈上還存在自感L1，故：式中：E1——原邊交變電勢相量；

R1——原邊線圈的電阻。表明：若原邊所施加的電勢E1

、工作頻率ω、原邊線圈參數(shù)等確定

——副邊感生電勢E21是互感系數(shù)

M的單值函數(shù)第5章電感式傳感器互感系數(shù)M

反映了兩線圈的耦合程度

它是原邊與副邊線圈匝數(shù)、長度、相互位置以及磁路磁阻等因素的函數(shù)任一參數(shù)變化均可改變互感M，從而改變感應(yīng)電勢E21測量感應(yīng)電勢E21的變化，就可以測量各參數(shù)的變化互感式傳感器可以直接導(dǎo)出電壓輸出，可方便測量次級線圈采用單線圈具有一個明顯的缺點，

即：被測物理量無變化，次級線圈仍有感應(yīng)電勢為了維持零位參數(shù)輸出為零，需在后續(xù)電路中給予補償或抵消解決這一問題的最佳方案是采用差動式結(jié)構(gòu)

即：差動變壓器型的電感傳感器

第5章電感式傳感器(e)、(f)變面積式差動變壓器(a)、(b)變隙式差動變壓器(c)、(d)螺線管式差動變壓器第5章電感式傳感器當(dāng)次級開路時，初級繞組的交流電流為：次級繞組的感應(yīng)電動勢為：由于次級繞組反向串接，故差動變壓器輸出電壓為其有效值為第5章電感式傳感器①鐵芯處于中間位置時，M1=M2=M，U0=0②鐵芯上升時，M1=M+ΔM，M2=M-ΔM③鐵芯下降時，M1=M-ΔM，M2=M+ΔMＵ０e21e22差動變壓器輸出電勢Ｕ０與銜鐵位移x的關(guān)系。其中x表示銜鐵偏離中心位置的距離。0xＵ０

差動變壓器輸出特性第5章電感式傳感器3.差動變壓器測量電路兩個目的：辨別移動方向消除零點殘余電壓兩種方法：差動整流電路相敏檢波電路第5章電感式傳感器3.差動變壓器測量電路差動整流電路3.差動變壓器測量電路電阻R1上的電流總是從c到d

R2上的電流總是從g到h第5章電感式傳感器二級管相敏檢波電路3.差動變壓器測量電路第5章電感式傳感器差動變壓器互感傳感元件的性能及改善由右圖特性曲線可見：差動變壓器在一定范圍內(nèi)工作具有較好的線性，但超過此范圍，線性度迅速惡化改善這一性能的關(guān)鍵

——擴(kuò)大使磁場均勻的范圍(1)線性工作段第5章電感式傳感器2.差動變壓器互感傳感元件的性能及改善靈敏度是指銜鐵移動單位位移時所產(chǎn)生的輸出電勢變化(mV/mm)使用中取單位激勵電壓、單位位移所產(chǎn)生的輸出電勢變化(mV/mm·V)選定結(jié)構(gòu)參數(shù)，由上式可見：初級電壓E1愈高，則輸出E2愈大，提高初級電壓可以提高靈敏度

但初級電壓過大會引起變壓器線圈發(fā)熱，造成輸出信號漂移激勵電源頻率影響：激勵電源頻率過低ωL≤R1，E2≈-j(e1/R1)2△M，靈敏度隨ω變化

當(dāng)ω增加使ωL≥R1，則E2≈-j(E1/L1)△M，靈敏度與ω?zé)o關(guān)當(dāng)ω過大時，導(dǎo)線的集膚效應(yīng)使有效阻值增加，高頻時的渦流損耗和磁滯損耗均增加，從而使輸出值減小，降低了靈敏度

工作時應(yīng)選取合適的激勵頻率(2)靈敏度第5章電感式傳感器4.應(yīng)用⑴位移與尺寸測量⑵壓力測量⑶力和力矩測量⑷振動測量(5)其它應(yīng)用第5章電感式傳感器4.應(yīng)用第5章電感式傳感器4.應(yīng)用第5章電感式傳感器4.應(yīng)用第5章電感式傳感器4.應(yīng)用第5章電感式傳感器4.應(yīng)用第5章電感式傳感器4.應(yīng)用第5章電感式傳感器5.3電渦流式傳感器電渦流式傳感器是一種建立在渦流效應(yīng)原理上的傳感器。電渦流式傳感器可以實現(xiàn)非接觸地測量物體表面為金屬導(dǎo)體的多種物理量，如位移、振動、厚度、轉(zhuǎn)速、應(yīng)力、硬度等參數(shù)。這種傳感器也可用于無損探傷。電渦流式傳感結(jié)構(gòu)簡單、頻率響應(yīng)寬、靈敏度高、測量范圍大、抗干擾能力強，特別是有非接觸測量的優(yōu)點，1.工作原理渦流效應(yīng)：當(dāng)通過金屬體的磁通變化時，就會在導(dǎo)體中產(chǎn)生感生電流，這種電流在導(dǎo)體中是自行閉合的，這就是所謂電渦流。電渦流的產(chǎn)生必然要消耗一部分能量，從而使產(chǎn)生磁場的線圈阻抗發(fā)生變化，這一物理現(xiàn)象稱為渦流效應(yīng)第5章電感式傳感器短路環(huán)這一等效阻抗由虛、實兩部分組成：

實部，即：等效電阻部分與無次級邊時相比有所增大虛部，即：等效電感部分較之空載時趨于減少增加和減小的程度取決于次級線圈的電阻，電感、激勵電流頻率和兩線圈之間的互感系數(shù)這些參數(shù)取決于次級線圈，即：

被測金屬材料的電阻率、導(dǎo)磁率和初次級線圈間的距離等參數(shù)總等效阻抗是以上各參數(shù)的函數(shù)，即：第5章電感式傳感器2.結(jié)構(gòu)類型電渦流傳感器的線圈與被測金屬導(dǎo)體間是磁性耦合，電渦流傳感器是利用這種耦合程度的變化來進(jìn)行測量的。因此，被測物體的物理性質(zhì)，以及它的尺寸和開關(guān)都與總的測量裝置特性有關(guān)。一般來說，被測物的電導(dǎo)率越高，傳感器的靈敏度也越高。為了充分有效地利用電渦流效應(yīng)，對于平板型的被測體則要求被測體的半徑應(yīng)大于線圈半徑的1.8倍，否則靈敏度要降低。當(dāng)被測物體是圓柱體時，被測導(dǎo)體直徑必須為線圈直徑的3.5倍以上，靈敏度才不受影響。1）高頻反射式第5章電感式傳感器2）低頻透射式電渦流傳感器第5章電感式傳感器3.測量電路1）電橋電路電橋法是將傳感器線圈的阻抗變化轉(zhuǎn)化為電壓或電流的變