1、第5章 电感式传感器5.1 自感式传感器自感式传感器5.2 互感式传感器互感式传感器5.3 电涡流式传感器电涡流式传感器 第第5章章 电感式传感器电感式传感器返回主目录第1页，共74页。第5章 电感式传感器第第 5 章章 电电 感感 式式 传传 感感 器器概述：概述：电感式传感器概念电感式传感器概念：利用利用电磁感应原理电磁感应原理将被测将被测非电量非电量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈如位移、压力、流量、振动等转换成线圈自感量自感量L L或或互感量互感量M M的变的变化化,再由测量电路再由测量电路转换转换为为电压或电流电压或电流的变化量输出的变化量输出,这种装置称为这种装置称为电感式传感
2、器电感式传感器。电感式传感器特点：电感式传感器特点：优点：具有结构简单优点：具有结构简单,工作可靠工作可靠,测量精度高测量精度高,零点稳定零点稳定,输出功率较大等；输出功率较大等；缺点：灵敏度、线性度和测量范围相互制约缺点：灵敏度、线性度和测量范围相互制约,传感器自身频率响应低传感器自身频率响应低,不适于快速动态测量。不适于快速动态测量。本章主要介绍的电感式传感器种类：本章主要介绍的电感式传感器种类：自感式自感式、互感式互感式和电涡流式电涡流式三种传感器。第2页，共74页。第5章 电感式传感器5.1 自感式传感器自感式传感器一、一、工作原理工作原理 结构：结构：如图 5-1 所示。组成：组成：
3、线圈、铁芯、衔铁。铁芯和衔铁由导磁材料导磁材料制成，如硅钢片或坡莫合金等；在铁芯和衔铁之间有气隙有气隙,气隙厚度为厚度为；传感器的运动部分运动部分与衔铁相连衔铁相连。工作原理：工作原理：衔铁移动 气隙厚度改变 磁路中磁阻变化 电感线圈的电感值变化 故：测出电感量的变化，以确定衔铁位移量的大小和方向。第3页，共74页。第5章 电感式传感器衔铁移动 气隙厚度改变 磁路中磁阻变化 线圈的电感值变化故：测出电感量的变化，以确定衔铁位移量的大小和方向。5 自感式传感器自感式传感器第4页，共74页。第5章 电感式传感器第5页，共74页。第5章 电感式传感器第6页，共74页。第5章 电感式传感器:自感量随气
4、隙而改变自感量随气隙而改变 制作测量位移的自感式传感器。制作测量位移的自感式传感器。将一只将一只380V380V与与串联，接到串联，接到，如图所示。这时毫安表的示值较大，约为几十毫，如图所示。这时毫安表的示值较大，约为几十毫安。安。慢慢将接触器的活动铁心（称为衔铁）往下按，会发现毫慢慢将接触器的活动铁心（称为衔铁）往下按，会发现毫安表的读数逐渐减小。当衔铁与固定铁心之间的气隙等于零时，安表的读数逐渐减小。当衔铁与固定铁心之间的气隙等于零时，毫安表的读数只剩下十几毫安。毫安表的读数只剩下十几毫安。即：即：当铁心的气隙较大时，磁路的磁阻当铁心的气隙较大时，磁路的磁阻Rm也较大，线圈的电感也较大，线
5、圈的电感量量L和感抗和感抗XL较小，所以电流较小，所以电流I较大。较大。当铁心闭合时，磁阻变小、电感变大，电流减小。当铁心闭合时，磁阻变小、电感变大，电流减小。第7页，共74页。第5章 电感式传感器 根据电感定义,线圈中电感量为:式中：线圈总磁链；I 通过线圈的电流；W 线圈的匝数；穿过线圈的磁通。由磁路欧姆定律，得：)15(IWIL)25(mRIW式中：Rm 线圈总磁阻；第8页，共74页。第5章 电感式传感器 因为气隙很小,可以认为气隙中的磁场是均匀的。忽略磁路磁损,则磁路总磁阻为：式中:1铁芯材料的导磁率;2衔铁材料的导磁率;L1磁通通过铁芯的长度;L2磁通通过衔铁的长度;S1铁芯的截面积
6、;S2衔铁的截面积;0空气的导磁率;S0气隙的截面积;气隙的厚度。)35(200222111SSLSLRm 图图51 自感式传感器自感式传感器第9页，共74页。第5章 电感式传感器 通常，气隙磁阻 铁芯和衔铁的磁阻,即 则式(5-3）可近似为：联立式(5 1）、式(5 2）及式(5 5）,可得)55(200suRm111002suLsu222002suLsu(5-6）20022swRwLm 上式表明：当线圈匝数为常数时,电感L仅仅是磁路中磁阻Rm的函数。改变或S0 电感变化。故自感式传感器可分为自感式传感器可分为：变气隙厚度的传感器、变气隙面积S0的传感器。使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器
7、。(5-4）第10页，共74页。第5章 电感式传感器 二、二、输出特性输出特性 设：电感传感器初始气隙：0 初始电感量：L0 衔铁位移引起的气隙变化量：则：从式(5-6）可知L与之间是非线性关系是非线性关系,特性曲线如图5-2表示。5第11页，共74页。第5章 电感式传感器第12页，共74页。第5章 电感式传感器020002wsL 设：衔铁上移衔铁上移时时传感器气隙减小，有=0；则：此时输出电感为L=L0+L,代入式(5-6）式并整理,得00000201)(2LswLLL 当/0 W2b中磁通，使M1M2,E2a增加，而E2b减小。反之，E2b增加，E2a 减小。U2 E2a E2b E2a、
8、E2b随衔铁位移x变化时，U2也随x变化。5 5第37页，共74页。第5章 电感式传感器 变压器输出电压U2 与衔铁位移x的关系曲线如右图所示。注意：注意：实际上，当衔铁位于中心位置时,差动变压器输出电压并不等于零,此时的输出电压称为零点残余电压零点残余电压，记作U0。它造成实际特性与理论特性不完全一致。5第38页，共74页。第5章 电感式传感器零点残余电压产生原因产生原因：传感器的两次级绕组的电气参数不对称；几何尺寸不对称；以及磁性材料的非线性；零点残余电压的波形电压的波形：基波高次谐波。基波的产生：电气参数和几何尺寸不对称，导致感应电势的幅值、相位不等，因此不论怎样调整衔铁位置，两线圈中感
9、应电势都不能完全抵消。高次谐波中主要是三次谐波，产生的原因：磁性材料磁化曲线的非线性(磁饱和、磁滞)。零点残余电压一般在几十毫伏以下，实际应用中应设法减小或消除减小或消除。第39页，共74页。第5章 电感式传感器二、基本特性二、基本特性 差动变压器等效电路如图 5-12 所示。当次级开路时有：1111jwLrUI式中：激励电压 U1的角频率;U1初级线圈激励电压;I1初级线圈激励电流;r1、L1初级线圈直流电阻和电感。(5-23)5第40页，共74页。第5章 电感式传感器 根据电磁感应定律,次级绕组中感应电势的表达式分别为:式中：M1和M2为初级绕组与两次级绕组的互感。5第41页，共74页。第
10、5章 电感式传感器由于次级两绕组反向串联,且次级开路,则由以上关系可得:11121222)(jwLrUMMjwEEUba21211212)()(wLrUMMwU输出电压的有效值为：(5-27)(5-26)该式表明表明：传感器的结构参数一定，即初级线圈直流电阻r1和电感L1为定值，且激励电压的幅值U1和角频率不变时：差动变压器的输出电压输出电压仅是互感之差互感之差（M1M2）的函数函数。分三种情况讨论：第42页，共74页。第5章 电感式传感器(3)活动衔铁向下移动时，M1=MM，M2=MM 故：212112)(2LrMUU(1)活动衔铁处于中间位置时，M1=M2=M 故：U2=0(2)活动衔铁向
11、上移动时，M1=MM，M2=MM 故：与E2a同极性。与 E2b同极性。212112)(2LrMUU第43页，共74页。第5章 电感式传感器三、互感式传感器测量电路三、互感式传感器测量电路 为辨别移动方向辨别移动方向及消除零点残余电压消除零点残余电压,实际测量时,常采用：差动整流电路相敏检波电路 1.1.差动整流电路差动整流电路电路特点：电路特点：差动变压器的两个次级次级输出电压分别整流分别整流，将整流的电压或电流的差值作为输差值作为输出出。典型电路形式：典型电路形式：如下图所示。图（a）、（c）适用于交流负载阻抗,图（b）、（d）适用于低负载阻抗,电阻R0用于调整零点残余电压。第44页，共7
12、4页。第5章 电感式传感器 5第45页，共74页。第5章 电感式传感器以图（以图（c）为例：）为例：流经电容C1的电流方向总是从2到4；流经电容C2的电流方向总是从6到8；故整流整流电路的输出电压输出电压为：U2=U24U68 (5 28)讨论：讨论：衔铁在零位时，因为U24=U68，所以U2=0;衔铁在零位以上时，因为U24U68，所以U20;衔铁在零位以下时，则有U24U68，所以U2U2，且和差动变压器式由同一振荡器供电，保证二者。v输出信号输出信号UL：从变压器1与2的中心抽头引出。v平衡电阻平衡电阻R：限流作用,避免二极管导通时变压器T2的次级电流过大。vRL为：负载电阻负载电阻。第
13、47页，共74页。第5章 电感式传感器 5第48页，共74页。第5章 电感式传感器图中：(a)被测位移变化波形(b)差动变压器激磁电压U1波形(c)差动变压器输出电压U2波形(d)相敏检波解调电压U0波形(e)相敏检波输出电压UL波形各信号波形图如下图所示。由图(a)、(c)、(d)可知：当位移x 0时,U2与U0同频同相；当位移x 0时，U2与U0为同频同相。当U2与U0均为正半周时，见图 515。二极管VD1、D4截止，VD2、VD3导通。可得等效电路：图 415(b)。2002012nuuu1222212nuuu(4-30)(4-29)根据变压器的工作原理，O、M分别为变压器T1、T2的
14、中心抽头，则有：式中：n1、n2为变压器T1、T2的变比。第50页，共74页。第5章 电感式传感器电路的输出电压UL的表达式：)2(21222LLLLLRRnuRRRuRu当U2与U0均为负半周时，见图 415。二极管VD1、D4导通，VD2、VD3截止。可得等效电路：图 415(c)。电路的输出电压UL的表达式：)2(12LLLRRnuRu结论：结论：只要位移位移x0,不论U2与U0是正半周还是负半周，输出电压UL 表达式相同，负载RL两端得到的电压电压UL始终为正始终为正。第51页，共74页。第5章 电感式传感器)2(12LLLRRnuRux 0时，U2与U0为同频反相。结论：只要位移位移
15、x0，不论U2与U0是正半周还是负半周，负载电阻RL两端得到的输出电压输出电压UL始终为负：始终为负：相敏检波电路输出电压输出电压UL的变化规律反映了被测位移量的变化规律反映了被测位移量的变化规律：UL的值反映位移x的大小；UL的极性反映了位移x的方向。第52页，共74页。第5章 电感式传感器四、互感式传感器的应用四、互感式传感器的应用差动变压器式传感器可实现：位移测量，也可以测量与位移有关的机械量：如振动、加速度、应变、比重、张力和厚度等。下图 为差动变压器式加速度传感器的结构示意图。组成：组成：悬臂梁，差动变压器。测量过程：测量过程：将悬臂梁底座底座及差动变压器的线圈骨架固定线圈骨架固定,
16、而将衔铁衔铁的A端与被测振动体相连被测振动体相连。当被测体带动衔铁被测体带动衔铁以x(t)振动振动时,导致差动变压器的输出电压输出电压也按相同规律变变化化。第53页，共74页。第5章 电感式传感器将悬臂梁底座底座及差动变压器的线圈骨架线圈骨架固定固定,而将衔铁衔铁的A端与被测振动体相被测振动体相连连。测量过程：测量过程：当被测体带动衔铁被测体带动衔铁以x(t)振动振动时,导致差动变压器的输出电输出电压压也按相同规律变化变化。5第54页，共74页。第5章 电感式传感器5.3电涡流式传感器电涡流式传感器概念：概念：根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。分类：分类：按照电涡流在导体内的贯穿情
17、况，传感器可分为两类：高频反射式低频透射式特点：特点：非接触式连续测量：位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等体积小,灵敏度高,频率响应宽 第55页，共74页。第5章 电感式传感器一、工作原理一、工作原理如右图所示：传感器线圈线圈通以正弦交变电流交变电流 I1线圈周围产生正弦交变磁场交变磁场 H1磁场中的金属导体金属导体中感应电涡流电涡流 I2 I2又产生新的交变磁场交变磁场 H2 H2的作用将反抗原磁场反抗原磁场 H1 传感器线圈的等效阻抗发生变化等效阻抗发生变化 5第56页，共74页。第5章 电感式传感器可见：可见：线圈阻抗的变化阻抗的变化完全取决于取决于被测金属导体的电涡流效应电涡
18、流效应。电涡流效应相关参数相关参数：被测体的电阻率、磁导率、几何形状；线圈几何参数、线圈中激磁电流频率f；线圈与导体间的距离x有关。因此，传感器线圈等效阻抗Z的函数关系式为：Z=F（,r,f,x）(5-33)式中：r 线圈与被测体的尺寸因子。故：故：改变其中任一个参数，传感器线圈阻抗Z就是其单值函数。通过测出阻抗Z的变化量，实现对该参数的测量。第57页，共74页。第5章 电感式传感器 二、基本特性二、基本特性 电涡流传感器简化模型如右图所示。将被测金属导体上形成的电涡流等效成短路环，即假设电涡流仅分布在环体之内,其中贯穿深度贯穿深度h为：fuhr0式中：f 线圈激磁电流的频率。5第58页，共7
19、4页。第5章 电感式传感器 由简化模型可得如下图所示等效电路图。图中R2为电涡流短路环等效电阻电涡流短路环等效电阻,其表达式为：iarrhRln22根据基尔霍夫第二定律列出方程：022221121111ILjIRIMjUIMjILjIR式中：线圈激磁电流角频率;R1、L1线圈电阻和电感;L2短路环等效电感;R2短路环等效电阻。5第59页，共74页。第5章 电感式传感器解得等效阻抗等效阻抗Z Z的表达式：)()(222222212222221112LLRMLjRLRMRIUZeqeqLjR式中：Req线圈受电涡流影响后的等效电阻;Leq线圈受电涡流影响后的等效电感。线圈的等效品质因数等效品质因数
20、Q Q值值为：eqeqRLQ上两式为电涡流基本特性电涡流基本特性。第60页，共74页。第5章 电感式传感器三、电涡流形成范围三、电涡流形成范围 1.电涡流的径向形成范围电涡流的径向形成范围 线圈-导体系统产生的电涡流密度电涡流密度既是线圈与导体间距离距离 x 的函数的函数,又是沿线圈半径方向半径方向 r 的函数的函数。当 x 一定时,电涡流密度 J 与半径 r 的关系曲线如下图 所示。图中：J0为金属导体表面电涡流密度，即电涡流密度最大值。Jr为半径 r 处的金属导体表面电涡流密度。由图可知：电涡流径向形成的大约在传感器线圈外径 ras 的1.82.5倍范围内,且分布不均匀。电涡流密度在短路环
21、半径 ri=0 处为。电涡流的在 r=ras 附近的一个狭窄区域内。可以用一个为 ras(ras=(ri+ra)/2)的短路环来集中表示分散的电涡流（图中阴影部分）。第61页，共74页。第5章 电感式传感器1电涡流线圈2等效短路环3电涡流密度分布 5第62页，共74页。第5章 电感式传感器2.电涡流强度与距离的关系电涡流强度与距离的关系 根据线圈导体系统的电磁作用,得金属导体表面的电涡流强度为：22121asrxxII(5-40)式中:I1线圈激励电流;I2金属导体中等效电流;x线圈到金属导体表面距离;ras线圈外径。根据上式作出的归一化曲线如下图所示。可见：电涡强度与距离x呈非线性关系,且随
22、着x/ras的增加而迅速减小。当利用电涡流式传感器测量位移时,只有在x/ras1(一般取 0.050.15)的范围才能得到和。第63页，共74页。第5章 电感式传感器 5第64页，共74页。第5章 电感式传感器3.电涡流的轴向贯穿深度电涡流的轴向贯穿深度贯穿深度：贯穿深度：电涡流强度减小到表明强度的1/e处得表面厚度，以h表示。由于趋肤效应,电涡流沿金属导体纵向的分布是不均匀的,其分布按指数规律衰减,可用下式表示：Jd=J0 e-d/h (5-41)式中:d金属导体中某一点至表面的距离;Jd沿H1轴向d处的电涡流密度;J0金属导体表面电涡流密度,即电涡流密度最大值;h电涡流轴向贯穿深度（趋肤深
23、度）。下图所示为电涡流密度轴向分布曲线。由图可见,电涡流密度主要分布在表面附近。第65页，共74页。第5章 电感式传感器JdJod：沿金属表面深度Jo：表面涡流密度dhJo/edkodeJJ电涡流密度轴向分布曲线因为贯穿深度为：fuhr0可见：越大、越小、越低，越大。故：透射式透射式的电涡流传感器采用低频低频激励。反反射式射式的电涡流传感器采用高频高频激励。第66页，共74页。第5章 电感式传感器四、电涡流式传感器的测量电路四、电涡流式传感器的测量电路1.调频式电路：调频式电路：频 率 计f-V电 压 表振荡器CLx(a)R1R2C1R3R4C2C3C4R5C6R6C5CL(x)Vcc(b)L
24、1V1V2f第67页，共74页。第5章 电感式传感器放大检波指示RioLCUo2.调幅式电路：调幅式电路：第68页，共74页。第5章 电感式传感器五、电涡流式传感器的应用五、电涡流式传感器的应用低频透射式涡流厚度传感器低频透射式涡流厚度传感器图 5-24 所示为透射式涡流厚度传感器结构原理图。在被测金属的上方：设有发射传感器线圈L1；在被测金属板下方：设有接收传感器线圈L2。第69页，共74页。第5章 电感式传感器 5第70页，共74页。第5章 电感式传感器2.高频反射式涡流厚度传感器高频反射式涡流厚度传感器 图 5 25 所示是高频反射式涡流测厚仪测试系统原理图。上、下两侧对称地设置对称地设
25、置了两个特性完全相同的涡流传感器涡流传感器S1、S2。S1、S2与被测带材表面之间的距离分别为x1和x2。若带材厚度不变,则总有x1+x2=常数，两传感器的输出电压之和电压之和为 2Uo数值不变不变。被测带材厚度改变厚度改变,则两传感器与带材之间的距离也改变,两传感器输出电压为2Uo+U。U经放大器放大后,通过指示仪表指示出带材的厚度变化值。厚度给定值与偏差指示值的代数和代数和就是被测带材的厚度。第71页，共74页。第5章 电感式传感器 5第72页，共74页。第5章 电感式传感器3.电涡流式转速传感器电涡流式转速传感器图 526 所示为电涡流式转速传感器工作原理图。在软磁材料制成的输入轴输入轴上加工一键槽键槽,在距输入表面d0处设置电涡流传感器,输入输入轴与被测旋转轴相连轴与被测旋转轴相连。工作过程：工作过程：当被测旋转轴转动时,输出轴的距离发生d0+d的变化。传感器线圈电感随d而变化,影响振荡器的电压幅值和振荡频率。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。由检波器检出电压幅值的变化量,经整形电路输出脉冲频率信号f n。特点：特点：可实现非接触式测量,抗污染能力很强,可安装在旋转轴近旁长期对被测转速进行监视。最高测量转速可达 600 000 r/min(转/分)。第73页，共74页。第5章 电感式传感器 5第74页，共74页。
