1、第六章 电感式传感器 电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。被测量转化为电感量的一种装置。分类分类:电感式传感器电感式传感器自感型自感型可变磁阻型可变磁阻型涡流式涡流式互感型互感型优点优点：结构简单、可靠，测量力小、寿命长结构简单、可靠，测量力小、寿命长 衔铁为0.520010-5N时，磁吸力为(110)10-5N。灵敏度高、分辨力高灵敏度高、分辨力高 机械位移：0.01m，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
2、的线性度较好（非线性误差可达0.05-0.1），且比较稳定。能实现远距离传输、记录、显示和控制。能实现远距离传输、记录、显示和控制。不足不足：存在交流零位信号，不宜于高频动态测量。IN L MRIN MRNL2d线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁图图6-1 6-1 变磁阻式传感器变磁阻式传感器RRRFM222111ALALRFAdR02RRFdANRNL2202 如果利用某些铁磁材料得压磁效应，可以得到变铁芯磁导率的电感式传感器，也称为压磁式传感器。（压磁效应是指铁磁材料受到力的作用时，在物体的内部就产生应力，从而引起磁导率发生变化。）这种传感器主要用于各种力的测量。图图6-3等效电路等效电路ZCLRc
3、Red，ALL=f(A)L=f()图图6-4 6-4 电感传感器特性电感传感器特性00220dANL衔铁下移衔铁下移 dddd0,00000112222dANddANLLL122200002ddddANdddL000000111dddddddLL6.1.36.1.3变气隙式自感传感器的输出特性变气隙式自感传感器的输出特性LLd衔铁衔铁d忽略高次项：忽略高次项：001ddLL00dLdLK.3020001ddddddLL时，当 1 0dd衔铁上移衔铁上移 dddd0,dddL00.3020002 ddddddLL时，当 1 0dd忽略高次项：忽略高次项：002ddLL00000222222dAN
4、ddANLLL螺线管式电感传感器有单线圈和差动式两种结构形式。单线圈螺管型传感器的主要元件为一只螺管线圈和一根圆柱形铁芯。传感器工作时，因铁芯在线圈中伸入长度的变化，引起螺管线圈自感值的变化。当用恒流源激励时，则线圈的输出电压与铁芯的位移量有关。rx螺旋管铁心单线圈螺管型传感器结构图l螺管线圈内磁场分布曲线rxl1.00.80.60.40.20.2 0.4 0.60.81.0H（）INlx（l）铁芯在开始插入（x=0）或几乎离开线圈时的灵敏度，比铁芯插入线圈的1/2长度时的灵敏度小得多。这说明只有在线圈中段才有可能获得较高的灵敏度，并且有较好的线性特性。若被测量与lc成正比，则L与被测量也成正
5、比。实际上由于磁场强度分布不均匀，输入量与输出量之间关系非线性的。为了提高灵敏度与线性度,常采用差动螺管式自感传感器。图(b)中H=f(x)曲线表明：为了得到较好的线性,铁芯长度取0.6l时,则铁芯工作在H曲线的拐弯处,此时H变化小。这种差动螺管式自感传感器的测量范围为(550)mm,非线性误差在0.5左右。2lclc2l线圈线圈r0.80.60.40.20.20.40.60.8-0.80.80.41.2-1.2-0.4xH（）INl差动螺旋管式自感传感器(a)结构示意图 (b)磁场分布曲线x(l)(a)(b)综上所述，螺管式自感传感器的特点：结构简单，制造装配容易；由于空气间隙大，磁路的磁阻
6、高，因此灵敏度低，但线性范围大；由于磁路大部分为空气，易受外部磁场干扰；由于磁阻高，为了达到某一自感量，需要的线圈匝数多，因而线圈分布电容大；要求线圈框架尺寸和形状必须稳定，否则影响其线性和稳定性。iUB22U22UAOCZ1Z2oU图图6-5 6-5 差动式自感传感器差动式自感传感器1-1-线圈线圈 2-2-铁芯铁芯 3-3-衔铁衔铁 4-4-导杆导杆（a a）变气隙型变气隙型432131412344（b b）变面积型变面积型 （c c）螺管型螺管型6.3 6.3 电涡流式传感器电涡流式传感器 当导体置于交变磁场或在磁场中运动时，导体上引起感生电流ie，此电流在导体内闭合，称为涡流。涡流大小
7、与导体电阻率导体电阻率、磁导率磁导率以及产生交变磁场的线圈与被测体之间距离距离x，线圈激励电流的频率频率f有关。显然磁场变化频率愈高，涡流的集肤效应愈显著。即涡流穿透深度愈小，其穿透深度h可表示 导体电阻率(cm)；r导体相对磁导率；f交变磁场频率(Hz)。可见，涡流穿透深度h和激励电流频率f有关，所以涡流传感器根据激励频率：高频反射式高频反射式或低频透射低频透射式两类。目前高频反射式电涡流传感器应用广泛。fhr5030原理原理:涡流效应涡流效应原线圈的等效阻抗原线圈的等效阻抗Z变化：变化：),(ZZ（一）结构和工作原理主要由一个安置在框架上的扁平圆形线圈构成。此线圈可以粘贴于框架上，或在框架
8、上开一条槽沟，将导线绕在槽内。下图为CZF1型涡流传感器的结构原理，它采取将导线绕在聚四氟乙烯框架窄槽内，形成线圈的结构方式。1234561 线圈 2 框架 3 衬套4 支架 5 电缆 6 插头iedM电涡流传感器原理图传感器线圈由高频信号激励，使它产生一个高频交变磁场i，当被测导体靠近线圈时，在磁场作用范围的导体表层，产生了与此磁场相交链的电涡流ie，而此电涡流又将产生一交变磁场e阻碍外磁场的变化。从能量角度来看，在被测导体内存在着电涡流损耗（当频率较高时，忽略磁损耗）。能量损耗使传感器的Q值和等效阻抗Z降低，因此当被测体与传感器间的距离d改变时，传感器的Q值和等效阻抗Z、电感L均发生变化，于是把位移量转换成电量。这便是电涡流传感器的基本原理。6.4 电感式传感器的应用电感式传感器的应用案例：案例：无损探伤无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。火车轮检测火车轮检测油管检测油管检测案例：案例：测厚测厚案例：案例：零件计数零件计数
