传感器与检测技术第四章

频率应选得较低。频率太高，贯穿深度小于被测
厚度，不利进行厚度测量，通常选1kHz左右。
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一般地，测薄金属板时，频率应略高些，测厚 金属板时，频率应低些。如下图在测量ρ 较小的 材料时，应选较低的频率（如500Hz），测量ρ 较 大的材料，则应选用较高的频率（如2kHz），从 而保证在测量不同材料时能得到较好的线性和灵 敏度。
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4.3.2
测量电路
4.3.2.1 电桥电路 在进行测量时，由于传感器线圈的阻抗发生 变化，使电桥失去平衡，将电桥不平衡造成的输 出信号进行放大并检波，就可得到与被测量成正 比的输出。
4.3.2.2 谐振法。
谐振法主要有调幅式电路和调频式电路两种 基本形式。调幅式由于采用了石英晶体振荡器， 因此稳定性较高，而调频式结构简单，便于遥测 和数字显示。
2-衔铁
1-线圈
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4.1.1.4 差动式电感传感器
用两个相同的传感线圈共用一个衔铁,构成差动式 电感传感器,这样可以提高传感器的灵敏度,减小测量 误差。下图是变间隙型、变面积型及螺管型三种类型 的差动结构。
l 4 3 2 3 l 4 3
4 l 2 a) b)
图4.1.5 差动式电感传感器 a) 变间隙型 b) 变面积型 c) 螺管型
1-线圈 2-铁芯 3-衔铁 4-导杆
c)
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4.1.2 测量电路 差动式结构可以提高灵敏度，改善线性， 所以交流电桥大多采用双臂工作形式。下图 是交流电桥的几种常用形式。
Z1 L1 L2 Z2 ˊ R2 ． U
a) 电阻平衡臂电桥 b) 变压器式电桥 c) 紧耦合电感臂电桥
· E0
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减小零点残余的方法： I. 尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参 数玫磁路的对称。磁性材料要经过处理，消除内部 的残余应力，使其性能均匀稳定。 II. 选用合适的测量电路，如采用相敏整流电 路。既可判别衔铁移动方向双可改善输出特性，减 小零点残余电动势。 Ⅲ. 采用补偿线路减小零点残余电动势点残余电动势减小。
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4.2.3 差动变压器式传感器的应用 1. 测量位移
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例：板厚的测量
~
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2. 测量力或压力
例：张力测量
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4.3 电涡流式传感器
这是一种建立在涡流效应原理上的传感器。 它能实现非接触测量，如位移、振动、厚度、转 速、应力、硬度等参数。这种传感器还可用于无损 探伤。原理如下图示。
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4.3.1.2 低频透射式电涡流传感器
这种传感器采用低频激励，因而有较大的贯穿 深度，适合于测量金属材料的厚度。 1. 结构 传感器包括发射和 接收线圈，并分别位于 被测材料上、下方。 2. 原理 由振荡器产生的e1
加到发射线圈L1两端。
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ˊ R1
R1
ZL R2
． U0 ． U
． U/2 ． U/2
Z1 ． U
Z2
． U0 M L L
Z1
Z2
． U0
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4.1.2.1 电阻平衡臂电 桥 电阻平衡臂电桥如上图a所示，工作时，Z1=Z+△Z和 Z2=Z—△Z，当ZL→∞时，电桥的输出电压为
U0
.
Z1 R1 Z 2R R(Z1 Z 2 ) U Z U U 1 U Z1 Z 2 R1 R2 ( Z1 Z 2 ) 2R 2 Z
4 2 N 2 2 L lr ( m 1)l a ra2 l2


l 2 x
通过以上分析可得结论: I. 变间隙型灵敏度较高,但非线 性误差较大； II. 变面积型灵敏度 较小,但线性较好,量程较大； III. 螺管型灵敏度较低,但量程大且 结构简单。
r
1
图4.1.4
2ra
螺管型电感传感器

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忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为 因此：
N2 L Rm
l1 l2 2 Rm 1 A 2 A 0 A
N2 l1 l 2 2 1 A 2 A 0 A
线圈的电感值可近似地表示为
N 0 A L 2
2
因此，其灵敏度随气隙的增大而减小。
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R
1
M
R
2
U
·
1
I
·
1
I
L
1
·
2
L
2
其等效电路如上图所示，R1、L1为传感器线圈的 电阻和电感。短路环可以认为是一匝短路线圈，其电 阻为R2、电感为L2。线圈与导体间存在一个互感M， 它随线圈与导体间距的减小而增大。 线圈与金属导体系统的阻抗、电感都是该系统互 感平方的函数。而互感是随线圈与金属导体间距离的 变化而改变的。
W1 W
W2
Eout Ew Es
-x
x
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一、二次绕组间的耦合能随衔铁的移动
而变化，即绕组间的互感随被测位移改变而
变化。由于在使用时采用两个二次绕组反向 串接，以差动方式输出，所以把这种传感器 称为差动变压器式电感传感器，通常简称差 动变压器。 2. 差动变压器式传感器构成 该类型的传感器主要包括有衔铁、一次 绕组和二次绕组等。
. . .
.
当ωL＞＞R’时，上式可近似为：
U0
.
U L 2 L
.
可见交流电桥的输出电压与传感器线圈电感 的相对变化量成正比。
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4.1.2.2
变压器式电桥
变压器式电桥如前图b，当负载阻抗无 . . 穷大时输出电压为： . . U U
U 0 Z2 I 2 Z1 Z 2
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4.4 电感式传感器的典型应用
可用于测量压力、力、压差、加速度、振 动、应变、流量、厚度、液位等物理量。 4.4.1 位移测量
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案例：连续油管的椭圆度测量
Eddy Sensor
Reference Circle
.
Z2
U U Z 2 Z1 2 2 Z1 Z 2
.
.
.
由于Z1=Z-△Z，Z2=Z+△Z，故：
U Z U0 2 Z
同理，当衔铁上移时，则有：
U Z U0 2 Z
.
.
可见，输出电压反映了传感器线圈阻抗的变 化，还需辩向。
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4.1.2.3 紧耦合电感臂电桥 该电桥如前图c所示。它以差动电感传感器的
δ , A 图4.1.2
1-衔铁
变面积型电感传感器
2-铁芯 3-线圈
图4.1.3
电感传感器特性
可变导磁面积型
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4.1.1.3 螺管型电感式传感器 下图为其结构原理图，衔铁随被测物移动，引起 磁阻发生变化，导致电感量改变。 线圈电感量与衔铁进入线圈 的长度可表示为
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第四章 电感式传感器
本章的主要内容有：
1.自感式电感传感器的结构原理；
2.互感式电感传感器的结构原理；
3. 电感传感器的典型测量电路；
4. 电感传感器的主要应用；
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电感式传感器是利用被测量的变化引起线 圈自感或互感系数的变化，导致线圈电感量改 变来实现测量的。
分类:
电感式传感器 自感型
变间隙型电 传感器 变面积型电 传感器
螺线管型电 传感器
互感型
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4.1 自感式电感传感器 自感式电感传感器有变间隙型、 变面积型和螺管型三种。 4.1.1 原理分析 4.1.1.1 变间隙型电感传感器 它的结构示意图如右图所示。 工作时衔铁与被测物体连接，被测 物体的位移将引起空气隙的变化， 导致了线圈电感量的变化。线圈的 电感可用下式表示： N2 L Rm
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4.2.2 常用测量电路
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4.2.2.1 差动相敏检波电路 相敏检波电路要求比较电压与差动变压器
二次侧输出电压的频率相同，相位相同或相反。
另外还要求比较电压的幅值尽可能大，一般情 况下，其幅值应为信号电压的3~5倍。 4.2.2.2 差动整流电路 差动整流电路结构简单，一般不需要调整 相位，不考虑零点残余电动势的影响，适于远 距离传输。
为零，但由于移动方向改变，所以输出电动势反
相。因此通过差动变压器输出电动势的大小和相 位可以知道衔铁位移量的大小和方向。
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4. 差动变压器的输出特性曲线
· E22
· E2
· E21
· E2
0
x
如左图所示，其中E2 的实线表示理想的输 出特性，而虚线部分 表示实际的输出特性。 E0为零点残余电动势。 零点残余使得传感 器的输出特性在零点 附近不灵敏，给测量 带来误差，它的大小 是衡量差动变压器性 能好坏的重要指标。
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4.1.1.2 变面积型电感传感器