电感式传感器讨论课

电感式传感器的基本原理及典型应用指导教师：边*班级：机电一班小组成员：撰写时间：2015.06.07摘要本文主要介绍了基于自感原理的电感式传感器，采用互感原理的互感式传感器的差动变压器式传感器和电涡流式传感器。

分别介绍了一下它们的工作原理和优点及缺点。

因其结构简单、动态响应快、易实现非接触测量等突出的优点，目前在冶金、石油、化工、煤炭、水泥、粮食等行业中应用广泛。

摘要 (1)一、自感式传感器： (4)1.气隙型电感式传感器 (4)2.螺管式电感传感器 (6)3.电感线圈的等效电路 (6)5.传感器应用 (7)二、差动变压器 (8)1.结构和工作原理 (8)2.基本特性 (8)3.测量电路 (9)4.差动变压器的应用 (9)三、电涡流式传感器 (11)1.电涡流式传感器的工作原理 (11)2.高频反射式高频反射式电涡流传感器 (12)3.测量电路 (13)4.电涡流式传感器的应用 (13)前言电感式传感器是基于电磁感应原理，利用线圈自感或互感的变化来实现非电量电测的一种装置。

利用这种转换原理，可以测量位移、振动、压力、应变、流量、密度等参数电感式传感器具有以下优点： （1）结构简单，工作可靠；（2）灵敏，分辨率高（位移变化可达0.01μm ）； （3）零点稳定，漂移最小可达0.1μm ；（4）测量精度高，线性好（非线性误差可达0.05%~0.1%）； （5）输出功率大，即使不用放大器，一般也有（0.1~5）V/mm 的输出值，且性能稳定。

电感式传感器的主要缺点：频率响应较低，不宜用于快速动态信号的测量；分辨率和示值误差与测量范围有关，测量范围愈大分辨率和示值精度相应降低；存在交流零位信号。

电感式传感器的种类有很多，通常所说的电感式传感器是基于自感原理的自感式传感器；而采用互感原理的互感式传感器有差动变压器式传感器（利用变压器原理，且往往做成差动形式）和电涡流式传感器。

电感式传感器具有结构简单、动态响应快、易实现非接触测量等突出的优点，特别适合用于酸类，碱类，氯化物，有机溶剂，液态CO2，氨水，PVC 粉料，灰料，油水界面等液位测量，目前在冶金、石油、化工、煤炭、水泥、粮食等行业中应用广泛。

一、自感式传感器：1.气隙型电感式传感器(1)工作原理L 0δδ∆线圈电感为：m 2/R W L =磁路总磁阻为：S S lS l R 0222111m μδμμ++=故：S S lS l W L 02221112/μδμμ++=由于电感式传感器的铁芯磁导率远大于空气磁导率，故：δμSW L 02=（2）特性分析： 其特性曲线：L∆δ∆δL可以看出：①当气隙发生变化，电感的变化与气隙变化呈非线性关系，其非线性程度随气隙相对变化增大而增大。

②气隙减小所引起的电感变化与同样的气隙增大引起的电感变化并不相等。

2.螺管式电感传感器（1）原理： 经过推导得：)(10472H l AW L -⨯=πμ不难看出，其有测量范围大，数百毫米，灵敏度低，大量程直线位移特点。

3.电感线圈的等效电路电感线圈的等效电路（如图）l4.测量电路交流电桥是电感式传感器和电容式传感器的主要测量电路，它的作用是将床干起线圈电感或传感器电容的变化转换为桥路的电压或者电流输出。

常用工作电路有：①单臂工作②双臂工作（差动形式）下图是常用双臂工作示意图： 则有ZZ U U AC ∆⋅=20 00022L L U L j R L j U AC AC ∆≈+∆⋅= ωω 5.传感器应用电感式传感器—般用于接触测量，可用于静态和动态测量。

测量的基本量是位移，也可以用于振动、压力、荷重、流量、液位等参数测量。

常用有：电感测微仪、电感压力传感器等。

二、差动变压器1.结构和工作原理1.1结构差动变压器式传感器的结构主要为螺管型，如图1-1所示（为三段式差动变压器）。

线圈由初级线圈（激励线圈，相当于变压器原边）P和次级线圈（相当于变压器的副边）S1、S2组成；线圈中心插入圆柱形铁芯（衔铁）b。

S1 P S2图1-1 差动变压器结构示意图图1-2 差动变压器的电气连接线路图1.2工作原理差动变压器的两个次级线圈反相串接，其电气连接如图1-2所示。

差动变压器工作原理与一般变压器的工作原理是一致的，所不同之处在于：一般变压器是闭合磁路，而差动变压器是开磁路；一般变压器原、副绕组之间的互感是常数，而差动变压器原、副边之间的互感随铁芯移动而变动。

差动变压器式传感器的工作原理正是建立在互感变化的基础上。

2.基本特性①灵敏度：差动式变压器在单位电压激磁下、铁芯移动单位距离时所产生的输出电压的变化，其单位为mV/（mm*V）。

②频率特性：差动变压器的激磁频率一般以50Hz~10kHz较为合适。

③相位：差动变压器的次级电压对初级电压通常导前几度到几十度的相角。

④线性范围：理想的差动变压器次级输出电压与铁芯位移成线性关系，由于直径、长度、材料的不同和线圈骨架的形状、大小的不同等影响，一般差动变压器的线性范围约为线圈骨架长度的1/10~1/4。

⑤温度特性：在造成温度误差的各项原因中，影响最大的是初级线圈的电阻温度系数。

⑥零点残余电压：零点残余电压波形复杂，包含了基波同相成分、基波正交成分、二次及三次谐波和较小的电磁干扰波。

3.测量电路不平衡测量电路包含:交流电压测量、相敏检波电路、差动整流电路、动态位移测量。

平衡测量量电路包含：自动平衡电路、力平衡电路。

4.差动变压器的应用4.1位移测量差动变压器测量的基本量仍然是位移。

它可以作为精密测量仪的主要部件，对零件进行多种精密测量工作，如内径、外径、不平行度、粗糙度、不垂直度、振摆、偏心和椭圆度等；作为轴承滚动自动分选机的主要测量部件，可以分选大、小钢球、圆柱、圆锥等；用于测量各种零件膨胀、伸长、应变等。

图4-1为测量液位的原理图。

当某一设定液位使铁芯处于中心位置时，差动变压器输出信号Uo=0；当液位上升或下降时，Uo0，通过相应的测量电路便能确定液位的高低。

铁芯液罐浮子图4-1 液位测量4.2振动和加速度测量利用差动变压器加上悬臂梁弹性支承可构成加速度计。

为了满足测量精度，加速度计的固有频率应比被测频率上限大3~5倍。

由于运动系统质量m不可能太小，而增加弹性片刚度k又使加速度计灵敏度受到影响，因此系统固有频率不可能很高。

所以，能测量的振动频率上限就受到限制，一般在150Hz以下。

如图4-2就是这种形式下的加速度计的结构和测量电路示意图。

高频时加速度测量用压电式传感器。

输出 被测加速度方向　振荡器稳压电源检波器滤波器图4-2 差动变压器加速度计结构及其测量电路框图(a)结构；(b)测量电路框图 1-弹性支承；2-差动变压器4.3压力测量差动变压器和弹性敏感元件组合，可以组成开环压力传感器。

由于差动变压器输出是标准信号，常称为变送器。

图4-3 微压变送器及测量电路框图 (a)微压变送器；(b)测量电路框图1-接头；2-膜盒；3-底座；4-线路板；5-差动变压器线圈；6-衔铁；7-罩壳；8-插头；9-通孔这种微压力变送器，经分档可测(4~+6)104N/m2的压力，输出信号电压为0~50mV，精度1.0级、1.5级。

4.4差动变压器测速差动变压器测速的工作原理如图4-4所示。

差动变压器的原边励磁电流由交、直流同时供给。

图4-4 差动变压器测速装置原理框图三、电涡流式传感器1.电涡流式传感器的工作原理成块的金属导体置于变化着的磁场中时，金属导体内就要产生感应电流，这种电流的流线在金属导体内自动闭合，通常称为电涡流。

电涡流式传感器(线圈-金属导体系统)就是一种基于电涡流效应原理的传感器。

电涡流的大小与金属导体的电阻率ρ、导磁率μ、厚度t 以及线圈与金属之间的距离x、线圈的激磁电流角频率 等参数有关。

若保持其中若干参数恒定，就能按电涡流大小对线圈的作用的差异来测量另外某一参数。

电涡流传感器结构简单、频率响应宽、灵敏度高、抗干扰能力强、测量线性范围大，而且又具有非接触测量的优点，因此广泛应用于工业生产和科学研究的各个领域。

电涡流传感器可以测量位移、振动、厚度、转速、温度等参数，并且还可以进行无损探伤和制作接近开关。

电涡流传感器主要有两种类型：高频反射式和低频透射式，其中高频反射式电涡流传感器应用较为广泛。

2.高频反射式高频反射式电涡流传感器2.1基本原理当线圈通交变电流i1时，线圈周围就产生交变磁场 1。

此时金属板中将产生感应电动势，从而形成电涡流i2，此时又产生一个磁场H2。

由于H2对线圈的反作用(减弱线圈原磁场),从而导致线圈的电感量L、阻抗Z或品质因数Q发生变化。

线圈金属导体2.2等效电路由线圈—金属导体系统构成的电涡流传感器可以用右图所示的等效电路来分析。

线圈回路电阻R1，电感为L1,激励电流为I1，激励电压为E1，金属导体中的电涡流等效为一个短路线圈构成另一个回路，涡流电阻为R2，涡流环路电感为L2，电涡流为I2，线圈和导体之间的环系数为M。

3.测量电路根据电涡流传感器的原理，被测参量可以由传感器转换为传感器线圈的阻抗Z 、电感L 或品质因数Q 等三个电参数。

究竟利用哪个参数并将其最后变换为电压或电流信号输出，这要由测量电路决定。

电涡流传感器作测量时，为了提高灵敏度，用已知电容C 与传感器线圈并联(一般在传感内)组成LC 并联谐振回路。

传感器线圈等效电感的变化使并联谐振回路的谐振频率发生变化，将其被测量变换为电压或电流信号输出。

并联谐振回路的谐振频为:LC21π=f目前，电涡流传感器所配用的谐振式测量电路有调幅式和调频式两类，以及交流电桥测量电路。

4.电涡流式传感器的应用4.1位移测量凡是可变换成位移量的参数，都可以用电涡流式传感器来测量轴向位移(a)；磨床换向阀、先导阀的位移(b)；金属试件热膨胀系数(c)1-被测试件 2-电涡流传感器4.2振幅测量(a)监控径向振动；(b)测量涡轮叶片振幅 ；(c)多个传感器并排在轴附近1-被测试件；2-电涡流传感器4.3尺寸测量几何尺寸测量电涡流传感器4.4电涡流温度测量在较小的温度范围内金属导体的电阻率ρ与温度t 的关系可以用下式表示：)1(0t t ∆+=αρρt ρ、0ρ分别表示温度t 、t 0时材料的电阻率；α为电阻温度系数，t ∆为温度变化。

4.5电涡流转速计工作原理：在转轴(或飞轮)上开一键槽，靠近轴表面安装电涡流传感器，轴转动时便能检出传感器与轴表面的间隙变化，从而得到相对于键槽的脉冲信号，经放大、整形后，获得相对于键槽的脉冲方波信号，然后可由频率计计数并指示频率值即转速(其脉冲信号频率与轴的转速成正比)。

频率计飞轮电涡流传感器放大整形电涡流式转速计电涡流传感器金属产品电涡流式零件计数器4.6涡流探伤仪涡流探伤仪是一种无损检测装置，用于探测金属导体材料表面或近表面裂纹、热处理裂纹以及焊缝裂纹等缺陷。