1、2022-12-9第3章 阻抗型传感器11概述概述2自感式传感器自感式传感器3差动变压器式传感器差动变压器式传感器4电涡流式传感器电涡流式传感器2022-12-9第3章 阻抗型传感器2 1 概述概述1.1电感式传感器的定义电感式传感器的定义利用电磁感应原理将被测非电量转换成线圈自感系数利用电磁感应原理将被测非电量转换成线圈自感系数 或互感系数或互感系数 的变化，再由测量电路转换为电压或电的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出，这种装置称为电感式传感器。流的变化量输出，这种装置称为电感式传感器。LM2022-12-9第3章 阻抗型传感器31.2电感式传感器的分类电感式传感器的分类电感式
2、传感器可分为自感式传感器、互感式传感器电感式传感器可分为自感式传感器、互感式传感器（差动变压式传感器）和电涡流传感器三种类型。（差动变压式传感器）和电涡流传感器三种类型。2022-12-9第3章 阻抗型传感器42022-12-9第3章 阻抗型传感器52022-12-9第3章 阻抗型传感器62022-12-9第3章 阻抗型传感器72022-12-9第3章 阻抗型传感器82 2 自感式传感器（变磁阻式）自感式传感器（变磁阻式）2.1 2.1 工作原理工作原理 结构结构:铁芯、线圈、衔铁三部分组成。铁芯和衔铁之铁芯、线圈、衔铁三部分组成。铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为间有气隙，气隙厚度为0 0;传
3、感器运动部分与衔铁相连，衔铁移动时传感器运动部分与衔铁相连，衔铁移动时发生变化发生变化引起磁路的磁阻引起磁路的磁阻R Rm m变化，使电感线圈的电感值变化，使电感线圈的电感值 L L 变化；变化；由于磁路的气隙磁阻远大于铁心磁阻和衔铁磁阻由于磁路的气隙磁阻远大于铁心磁阻和衔铁磁阻,可近可近似为似为02mRRAR Rm m ：磁路总磁组；：磁路总磁组；R R气隙磁阻气隙磁阻;:气隙厚度；气隙厚度；0 0:导磁率（真空）；导磁率（真空）；A A:气隙的截面积气隙的截面积.2022-12-9第3章 阻抗型传感器92.1 2.1 工作原理工作原理线圈电感量可按下式计算线圈电感量可按下式计算：式中：式中
4、：N N 线圈匝数线圈匝数 ；变磁阻式传感器又分为：变磁阻式传感器又分为：变气隙厚度型（变气隙厚度型（）(上下运动上下运动)变气隙截面积型（变气隙截面积型（A A）(前后左右运动前后左右运动)220/2mNALNR02mRA 可见只要改变气隙厚度或气隙截面积可见只要改变气隙厚度或气隙截面积就可以改变就可以改变。2022-12-9第3章 阻抗型传感器10根据结构形式不同，可变磁阻式传感器又分为：根据结构形式不同，可变磁阻式传感器又分为：气隙厚度变化型气隙厚度变化型气隙面积变化型气隙面积变化型螺管型三种类型螺管型三种类型目前使用最广泛的是目前使用最广泛的是变气隙厚度式变气隙厚度式电感传感器电感传感
5、器2022-12-9第3章 阻抗型传感器112 2 变磁阻式传感器变磁阻式传感器2.2 2.2 输出特性输出特性 （变气隙式）（变气隙式）衔铁位移衔铁位移引起的电感变化为引起的电感变化为2200000000/22()(1/)1/NANALLLL 气隙厚度变化时，气隙厚度变化时，L L与与为反比关系为反比关系20002NAL0 0LL0 L0+L L0-L2202mNANLR量为量为特性曲线非线性特性曲线非线性/1 1时，用泰勒级数展开。时，用泰勒级数展开。2022-12-9第3章 阻抗型传感器12/1 1时，可将前式用泰勒级数展开时，可将前式用泰勒级数展开,求出电感增量求出电感增量230000
6、01()()LLLL 22300000001()()()LL 衔铁下移时电感的相对增量增大衔铁下移时电感的相对增量增大衔铁上移时电感的相对增量减小衔铁上移时电感的相对增量减小22300000001()()()LL 2022-12-9第3章 阻抗型传感器13 /1 1时，时，忽略高次项（非线性项），忽略高次项（非线性项），电感相对变化量与气隙变化成正比关系电感相对变化量与气隙变化成正比关系00LL000/1L Lk 定义定义变磁阻式传感器的灵敏度为变磁阻式传感器的灵敏度为 衔铁气隙变化引起电感的相对变化量衔铁气隙变化引起电感的相对变化量200001()LL2022-12-9第3章 阻抗型传感器1
7、4差动式原理差动式原理 差动变隙式由两个相同的线圈差动变隙式由两个相同的线圈L L1 1、L L2 2和磁路组成。当被测量通过导杆使衔和磁路组成。当被测量通过导杆使衔铁（左右）位移时，两个回路中磁阻铁（左右）位移时，两个回路中磁阻发生大小相等、方向相反的变化，形发生大小相等、方向相反的变化，形成差动形式。成差动形式。当衔铁移动时，两个电感一个增加另一个减小变化时当衔铁移动时，两个电感一个增加另一个减小变化时 电感量的相对变化电感量的相对变化为为2022-12-9第3章 阻抗型传感器15 对上式进行线性处理，忽略高次项得：对上式进行线性处理，忽略高次项得：002LL000/2L Lk241200
8、0021()()LLLL 差动变隙式差动变隙式总的电感变化总的电感变化为：为：差动形式的灵敏度为差动形式的灵敏度为 2022-12-9第3章 阻抗型传感器16 1.1.比较单线圈，差动式的灵敏度提高了一倍；比较单线圈，差动式的灵敏度提高了一倍；2.2.差动式非线性项与单线圈相比，多乘了差动式非线性项与单线圈相比，多乘了(/)因子；因子；不存在偶次项使不存在偶次项使/0 0进一步减小，进一步减小，线性度得到改善线性度得到改善。3.3.差动式的两个电感结构可抵消部分温度、噪声干扰。差动式的两个电感结构可抵消部分温度、噪声干扰。差动形式与单线圈比较差动形式与单线圈比较000/1L Lk单200001
9、()LL结论：结论：2022-12-9第3章 阻抗型传感器172 2 变磁阻式传感器变磁阻式传感器2.3 2.3 测量电路（转换电路）测量电路（转换电路）两个桥臂由相同线圈组成差动形式，另外两个为平衡电阻两个桥臂由相同线圈组成差动形式，另外两个为平衡电阻 等效电路等效电路1012020c0340,cRZZjL ZZjLZRj L ZZR为线圈铜阻231401234ACZ ZZ ZUUZZZZ2022-12-9第3章 阻抗型传感器18 电桥输出电压电桥输出电压U U0 0与气隙变量与气隙变量有正比关系，有正比关系，与输入桥压有关，桥压与输入桥压有关，桥压U UACAC升高输出电压升高输出电压U
10、U0 0增加；增加；桥路输出电压与初始气隙桥路输出电压与初始气隙 0 0 有关，有关，0 0 越小输出越大。越小输出越大。21210122122ACACUUZZLLUZZLL 交流电桥电压输出：交流电桥电压输出：2102100/2/ACLLLLUU 由有 2 2 变磁阻式传感器变磁阻式传感器2.3 2.3 测量电路（转换电路）测量电路（转换电路）2022-12-9第3章 阻抗型传感器19 带相敏整流的交流电桥带相敏整流的交流电桥图图3-3-4 带相敏整流的交流电桥带相敏整流的交流电桥2022-12-9第3章 阻抗型传感器20被测压力被测压力经过位移、经过位移、电压两次电压两次转换输出转换输出压
11、压力力测测量量0 0可取得很小可取得很小,0 0 =0.1=0.10.5mm,0.5mm,当当=1m =1m 时，时，L/LL/L0 0可达可达 1/100 1/100 1/5001/500。灵敏度高，缺点是非线性严重灵敏度高，缺点是非线性严重,自由行程自由行程 小，工艺制作难。小，工艺制作难。2022-12-9第3章 阻抗型传感器211.1.结构结构 塑料骨架上绕制线圈塑料骨架上绕制线圈,中间初级，两边次级中间初级，两边次级,铁芯在铁芯在骨架中间可上下移动骨架中间可上下移动;这种传感器根据这种传感器根据变压器变压器的基本原理制成，并将次级线的基本原理制成，并将次级线圈绕组用圈绕组用差动形式差
12、动形式连接。连接。差动变压器的结构形式较多差动变压器的结构形式较多,应用最多的是应用最多的是螺线管式螺线管式差动变压器差动变压器(介绍三节式介绍三节式),),可测量可测量1 1100mm 100mm 范围内机范围内机械位移。械位移。次次级级次次级级骨架骨架初初级级衔衔铁铁次次级级次次级级初初级级v 把被测的非电量变化转换成为线圈把被测的非电量变化转换成为线圈互感互感量的变化的量的变化的传感器称为互感式传感器。传感器称为互感式传感器。2022-12-9第3章 阻抗型传感器222.2.等效电路等效电路 初级初级L L1 1，次级线圈，次级线圈L L2a2a、L L2b2b须反相连接，保证差动形式须
13、反相连接，保证差动形式 如果线圈完全对称，并且衔铁处于中间位置时两线圈互感系数相等如果线圈完全对称，并且衔铁处于中间位置时两线圈互感系数相等abMM22abEE0220abUEE差动输出电压为零：差动输出电压为零：并且有两线圈电动势相等并且有两线圈电动势相等线圈同名端连接线圈同名端连接2022-12-9第3章 阻抗型传感器23差动变压器的输出电压差动变压器的输出电压大小大小和和符号符号反映了铁心位移的大小和方向反映了铁心位移的大小和方向。当衔铁上下移动时，输出电压大小、极性随衔铁位移变化当衔铁上下移动时，输出电压大小、极性随衔铁位移变化22abEE 若衔铁上移若衔铁上移 22abEE 若衔铁下
14、移若衔铁下移 输出电压与输入同相输出电压与输入同相输出电压与输入反相输出电压与输入反相2022-12-9第3章 阻抗型传感器243 3 差动变压器式传感器差动变压器式传感器3.2 3.2 基本特性基本特性 由此得到输出电压有效值为由此得到输出电压有效值为 ：02211()()abiMMUUrL 差动变压器输出电压与差动变压器输出电压与互感的差值互感的差值成正比。成正比。21aaEj M I 21bbEj M I 根据电磁感应定律，次级感应电动势分别为根据电磁感应定律，次级感应电动势分别为0221ababUEEjMMI输出电压输出电压次级开路时，初级次级开路时，初级 电流代入上式电流代入上式11
15、1/iIUrjL2022-12-9第3章 阻抗型传感器25022112,()iabUMMMUrL022112,()iabUMMMUrL 铁芯在中间位置时铁芯在中间位置时 铁芯向上移（右移）铁芯向上移（右移）输出与输出与E E2a2a同极性同极性；0,0abMM U02211()()abiMMUUrLv 差动变压器输出交流电压，差动变压器输出交流电压，存在相位问题，负存在相位问题，负-表示反相。表示反相。铁芯向下移（左移）铁芯向下移（左移）输出与输出与E E2b2b同极性；同极性；3 3 差动变压器式传感器差动变压器式传感器3.2 3.2 基本特性基本特性 2022-12-9第3章 阻抗型传感器
16、26 理论上讲，铁芯处于中间位置时输出电压应为零，而理论上讲，铁芯处于中间位置时输出电压应为零，而实际输出实际输出U U0 000，在零点上总有一个最小的输出电压，这个在零点上总有一个最小的输出电压，这个铁芯处于中间位置时最小不为零的电压称为零点残余电压。铁芯处于中间位置时最小不为零的电压称为零点残余电压。零点残余电压危害：零点残余电压危害：使传感器输出特性在零点附近的使传感器输出特性在零点附近的范围内不灵敏，限制着分辨力的提高。范围内不灵敏，限制着分辨力的提高。零点残余电压太大，将使线性度零点残余电压太大，将使线性度变坏，灵敏度下降，甚至会使放大器变坏，灵敏度下降，甚至会使放大器饱和，堵塞有
17、用信号通过，致使仪器饱和，堵塞有用信号通过，致使仪器不再反映被测量的变化。不再反映被测量的变化。2022-12-9第3章 阻抗型传感器27产生零点残余电压的原因（1）由于两个二次测量线圈的等效参数不对称，使其输出的）由于两个二次测量线圈的等效参数不对称，使其输出的基波感应电动势的幅值和相位不同，调整磁芯位置时，也基波感应电动势的幅值和相位不同，调整磁芯位置时，也不能达到幅值和相位同时相同。不能达到幅值和相位同时相同。（2）由于铁芯的）由于铁芯的B-H特性的非线性，产生高次谐波不同，不特性的非线性，产生高次谐波不同，不能互相抵消。能互相抵消。2022-12-9第3章 阻抗型传感器28减小零点残余
18、电压措施：（1）在设计和工艺上，力求做到磁路对称，线圈对称。铁芯材料要）在设计和工艺上，力求做到磁路对称，线圈对称。铁芯材料要均匀，要经过热处理去除机械应力和改善磁性。两个二次侧线圈均匀，要经过热处理去除机械应力和改善磁性。两个二次侧线圈窗口要一致，两线圈绕制要均匀一致。一次侧线圈绕制也要均匀。窗口要一致，两线圈绕制要均匀一致。一次侧线圈绕制也要均匀。（2）采用拆圈的实验方法来减小零点残余电压。其思路是，由于两）采用拆圈的实验方法来减小零点残余电压。其思路是，由于两个二次侧线圈的等效参数不相等，用拆圈的方法，使两者等效参个二次侧线圈的等效参数不相等，用拆圈的方法，使两者等效参数相等。数相等。（
19、3）在电路上进行补偿。线路补偿主要有：加串联电阻，加并联电）在电路上进行补偿。线路补偿主要有：加串联电阻，加并联电容，加反馈电阻或反馈电容等。容，加反馈电阻或反馈电容等。2022-12-9第3章 阻抗型传感器29 能辨别移动方向能辨别移动方向 消除零点残余电压消除零点残余电压 （1）差动整流电路差动整流电路 （2）相敏检波电路相敏检波电路 2022-12-9第3章 阻抗型传感器30v 输出正负电压的结果由相敏检波后反行程旋转输出正负电压的结果由相敏检波后反行程旋转 由由，工作曲线为过零点的直线。，工作曲线为过零点的直线。相敏检波前后输出特性相敏检波前后输出特性2022-12-9第3章 阻抗型传
20、感器31 差动变压器式传感器可直接用于位移测量，也可以测量差动变压器式传感器可直接用于位移测量，也可以测量与位移有关的任何机械量，如振动，加速度，应变等等。与位移有关的任何机械量，如振动，加速度，应变等等。1.1.压差计压差计 当压差变化时，腔内膜当压差变化时，腔内膜片位移使差动变压器次级电片位移使差动变压器次级电压发生变化，输出与位移成压发生变化，输出与位移成正比，与压差成正比正比，与压差成正比。沉筒式液位计将水位变化转换成位移变化，沉筒式液位计将水位变化转换成位移变化，再转换为电感的变化，差动变压器的输出反映液再转换为电感的变化，差动变压器的输出反映液位高低。位高低。2022-12-9第3
21、章 阻抗型传感器32电感位移测量仪电感位移测量仪电感式游标卡尺、千分尺、深度尺、高度尺电感式游标卡尺、千分尺、深度尺、高度尺2022-12-9第3章 阻抗型传感器33加速度传感器1 悬臂梁（弹性体）；2 差动变压器 F=ma F=kxx=ma/k移动的距离与加速度成正比。因此,在变压器一次绕组加励磁Ui,在二次绕阻有U0输出。对U0放大,相敏检波、低通滤波,可得与加速度大小、方向对应的直流电压信号。2022-12-9第3章 阻抗型传感器342022-12-9第3章 阻抗型传感器35差动变压器传感器的应用差动变压器传感器的应用2022-12-9第3章 阻抗型传感器364 4 电涡流式传感器电涡流
22、式传感器 测振动 测轴心轨迹 测厚 测转速2022-12-9第3章 阻抗型传感器374 4 电涡流式传感器电涡流式传感器4.1 4.1 电涡流效应电涡流效应 金属导体金属导体UAC2022-12-9第3章 阻抗型传感器38把一个扁平线圈置于金属导体把一个扁平线圈置于金属导体附近，当线圈中通以交变电流附近，当线圈中通以交变电流 I I1 1时，线圈周围空间产生交变磁场时，线圈周围空间产生交变磁场HH1 1，当金属导体靠近交变磁场中当金属导体靠近交变磁场中时，导体内部就会产生涡流时，导体内部就会产生涡流I I2 2，按，按照照楞次定律楞次定律，这个涡流总是企图，这个涡流总是企图抵消原磁场的变化抵消
23、原磁场的变化,产生反抗产生反抗HH1 1的的交变磁场交变磁场H H2 2。涡流线圈结构非常简单，但要定量分析是很困难的，涡流线圈结构非常简单，但要定量分析是很困难的，可根据实际情况建立一个模型，求出模型的等效电路参可根据实际情况建立一个模型，求出模型的等效电路参数。数。2022-12-9第3章 阻抗型传感器39 根据涡流的分布，把涡流所在范围近似根据涡流的分布，把涡流所在范围近似看成一个看成一个单匝短路单匝短路的次级线圈。线圈远离的次级线圈。线圈远离被测体时，相当次级开路，原线圈阻抗为被测体时，相当次级开路，原线圈阻抗为10 110 121R Ij L Ij MIU122220j MIR Ij
24、 L I101010ZRj L2022-12-9第3章 阻抗型传感器402221102222()MLLLRL222212211010222212222()()UM RM LZRjLIRLRL2221102222()MRRRRL2022-12-9第3章 阻抗型传感器412221102222()MLLLRL2221102222()MRRRRL2022-12-9第3章 阻抗型传感器422022-12-9第3章 阻抗型传感器43金属金属扁平线圈扁平线圈涡流区涡流区r/ros1hrosjr ros os 2022-12-9第3章 阻抗型传感器44/0z hzjj ehzzj0/j e0j金属金属扁平线圈
25、扁平线圈j2022-12-9第3章 阻抗型传感器4521221osxIIxrv I1为线圈激励电流，I2 为金属导体中的等效电流（涡流）v x=0 处，I2=I1；x/ros=1，I2=0.3I1,v I2 只有在 x/ros ros时电涡流很弱了，所以测大位移时线圈直径要大。要增加测量范围需加大线圈直径，传感器要增加测量范围需加大线圈直径，传感器体积增大体积增大,这是电涡流传感器应用的局限性。这是电涡流传感器应用的局限性。x/rosI2/I11.01 2 3 42022-12-9第3章 阻抗型传感器464 4 电涡流式传感器电涡流式传感器4.4 4.4 测量电路测量电路2022-12-9第3
26、章 阻抗型传感器47 电涡流传感器以其长期工作可靠性好、测量范围宽、电涡流传感器以其长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗干扰力强、不受灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗干扰力强、不受油污等介质的影响、结构简单等优点，在大型旋转机械油污等介质的影响、结构简单等优点，在大型旋转机械状态的在线监测与故障诊断中得到广泛应用。状态的在线监测与故障诊断中得到广泛应用。2022-12-9第3章 阻抗型传感器48 在金属板的上下方分别设有发射传感在金属板的上下方分别设有发射传感器线圈器线圈L L1 1和接收传感器线圈和接收传感器线圈L L2 2，L L1 1加低加低频电压频电压U
27、U1 1时，时，L L1 1上产生交变磁通。上产生交变磁通。无金属板时，磁通直接耦合至无金属板时，磁通直接耦合至L L2 2，L L2 2产生感应产生感应电压；电压；如果金属板放置两线圈之间，线圈如果金属板放置两线圈之间，线圈L L1 1在金属板在金属板中产生电涡流，磁场能量受到损耗，使达到中产生电涡流，磁场能量受到损耗，使达到L L2 2的磁通减弱，最终使的磁通减弱，最终使L L2 2上感应电动势减弱。上感应电动势减弱。金属板越厚，涡流磁能损失越多，下线圈金属板越厚，涡流磁能损失越多，下线圈L L2 2上上感应电动势输出感应电动势输出U U2 2越小。通过测量越小。通过测量U U2 2检测金
28、属检测金属板的厚度。板的厚度。透射式涡流传感器可检测透射式涡流传感器可检测1 1100mm100mm范围。范围。2022-12-9第3章 阻抗型传感器492.2.电涡流探伤电涡流探伤 由于趋肤效应，导体表面电涡流密度最大，表面信息量由于趋肤效应，导体表面电涡流密度最大，表面信息量最大，可采用电涡流传感器测量金属表面缺陷，当导体表面最大，可采用电涡流传感器测量金属表面缺陷，当导体表面存在缺陷时会引起金属的电阻率存在缺陷时会引起金属的电阻率、磁导率、磁导率的变化；的变化；可用可用于于金属表面裂纹、热处理裂纹、焊接处质量探伤。金属表面裂纹、热处理裂纹、焊接处质量探伤。探伤时传感器与被测金属保持距离不
29、变，如果有裂纹导探伤时传感器与被测金属保持距离不变，如果有裂纹导体电阻率会发生变化，涡流损耗的改变引起涡流强度变化使体电阻率会发生变化，涡流损耗的改变引起涡流强度变化使电路输出电压变化。电路输出电压变化。2022-12-9第3章 阻抗型传感器503.3.涡流振动测量涡流振动测量2022-12-9第3章 阻抗型传感器51电磁炉的工作原理电磁炉的工作原理 高频电高频电流通过励磁流通过励磁线圈，产生线圈，产生交变磁场，交变磁场，在铁质锅底在铁质锅底会产生无数会产生无数的电涡流，的电涡流，使锅底自行使锅底自行发热，烧开发热，烧开锅锅 内内 的的 食食 物。物。2022-12-9第3章 阻抗型传感器52大直径电涡流探雷器大直径电涡流探雷器
