第三章电感式传感器

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(2) 横向电感式位移传感器： 横向电感式位移传感器：
测杆1：杠杆 磁芯6：螺管型 弹簧11：产生测量力
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片簧铰链14：支点，转轴 线圈5：差动
(3) 电感式测厚仪 电感式测厚仪: 辊轮1/3：测量，感受厚度变化 测微螺杆4：传递位移 杠杆7：传递位移，放大 刻度盘5：初始距离（大数）
参数变化：被测导体---几何形状、电导率、磁导率 线圈---几何参数、电流大小和频率、 其他---线圈与导体距离 保持其他参数不变，只改变一个参数 --- 测量， 非线性：修正
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2、电涡流传感器结构
（1）反射式电涡流传感器： 结构：1-传感器线圈：扁平，粘接 铜、银、合金 2-框架：固定线圈，要求损耗小、 电性能好、热胀系数小 高频陶瓷、聚酰亚胺、 环氧玻璃纤维、聚四氟乙烯 3-衬套；4-支座；5-电缆；6-插头： 线圈外径： 外径大：分布曲线平直---线性范围大， 分布曲线平坦---灵敏度低， 外径小：分布曲线弯曲---线性范围小， 分布曲线陡峭---灵敏度高， 线性范围：一般为线圈外径的1/3~1/5 线圈内径和厚度： 影响较小，近距离时灵敏度略有变化 线圈轴向磁感应强度分布 提高灵敏度：： 增加磁芯：减少匝数，提高Q值，扩大测量范围
3、电涡流传感器的应用
（1）电涡流测距传感器： 测量金属导体绝对距离，大量程：几百毫米，分辨率0.1% 小量程：十几微米，分辨力几十纳米 特点：非接触，范围宽，反应快，适于在线检测
1-涡流板：被测导体 应用：测量金属厚度，
2-传感器：固定线圈
3-浮子；传递液位
（2）电涡流厚度测距传感器： 透射式：发射线圈 --- 接收线圈 反射式：两个高频反射式电涡流传感器， 对称布局，板厚度变化 --- 距离变化 测量金属导体镀层厚度
U 0 = −U
⋅ ⋅
⋅ ⋅ ⋅ ⋅
W 2 ∆δ W 1 δ0
W1、W2：初级、次级线圈匝数 δ0：初始气隙 ∆ δ：衔铁位移
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2、互感传感器结构
变气隙型：a, b, c
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变面积型：d, e
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螺管型： f
3、互感传感器测量电路
（1）测量电路组成： 传感器 辨向解调 振荡器 放大器 滤波器 输出
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⋅
⋅
⋅
⋅
近似线性 E---振荡器稳幅 极性：方向—相敏检波
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（3）放大器 ：幅值放大，交流放大器， 隔直---减小直流漂移，高放大倍数，高阻抗 （4）相敏检波电路 ：判断衔铁移动方向
初始状态：Z1=Z2，输出U0=0 若衔铁上移：Z1变大，Z2减小， U正半周：D1、D4导通，D2、D3截止，UC<UD，输出负电压 U负半周：D1、D4截止，D2、D3导通，UC<UD，输出负电压 若衔铁下移：Z1减小，Z2增大， U正半周：D1、D4导通，D2、D3截止，UC>UD，输出正电压 U负半周：D1、D4截止，D2、D3导通，UC>UD，输出正电压
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传感器线圈电感量：气隙较小，认为气隙磁场均匀，忽略磁路铁损： µ0---真空磁导率，µ0 =4π×10-7(H/m) 2 µ 0W S W---线圈匝数； S ---磁通截面积； L = lδ + l / µ r l ----磁路长度； lδ---气隙总长； µr---铁心和衔铁的相对磁导率； 对同一传感器线圈：W、µ0、S、l、µr均为常数，常数 K =µ0W2S 线圈电感： L = K
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4、差动式自感传感器 、
单一式自感传感器：由于线圈电流的存在，使衔铁受到单向电磁力的作用， 输出信号易受电源电压和频率波动、温度变化等干扰 传感器输出的非线性限制了使用（变面积型传感器） 不适于精密测量。 差动式：由两个单一形式的结构对称组合，改善其性能，
变气隙型差动传感器 ：输出灵敏度 K δ =
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被测导体直径的影响
（2）透射式电涡流传感器： 原理：低频激励---贯穿深度大，适于测量金属厚度h 结构：发射线圈L1---激励电压U1； 接收线圈L2---感应电压U2 金属板---厚度越大，涡流损耗越大，感应电压 越小， 贯穿深度： t ∝
ρ/ f
ρ：导体材料电阻率 f：激励频率
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膜盒2：弹性元件，感受压力变化 线圈5： 测量范围：（-4 ~ +6 ）*104Pa
3、电感式力传感器
力 ---- 弹性敏感元件（膜盒、膜片、波纹管） --变形 --- 位移 --- 电感 1-线圈： 2-磁芯： 3-弹性体：
4、电感式加速度传感器
加速度 ---- 质量块2（磁芯、衔铁） --- 位移 --- 电感 3-片簧：导轨，弹性元件， 弹簧刚度大，衔铁质量小---测量加速度 弹簧刚度小，衔铁质量大---测量振幅
1 lδ + l / µ r
dL 1
输出灵敏度： K δ = dl = − L l + l / µ δ δ r
电感的变化只与气隙长度有关，非线性 灵敏度：负号表示灵敏度随着气隙的增加而减小 气隙：增大灵敏度 --- 减小气隙 --- 受到工艺和结构的限制。 常取气隙尺寸（即测量范围）为 δ=lδ/2 = 0.1~0.5mm。
材料特性： 不同材料---电阻率不同---激励频率不同 温度变化---影响电阻率变化---影响测量结果--使导体温度恒定 激励频率： 激励频率高：贯穿深度小，曲线陡峭，线性范围小， 灵敏度高, ---测薄板； 激励频率低：贯穿深度大，曲线平坦，线性范围大， 灵敏度低---测厚板。
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dL dL1 + dL2 1 = = 2L dδ dδ lδ + l / µ r
灵敏度提高了一倍。对电源电压与频率的波动以及温度变化等外界干扰 也有补偿作用，从而提高了传感器的稳定性。
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5、自感传感器的测量电路 、
（1）测量电路组成： ）测量电路组成： 传感器 测量电桥 放大器 振荡器 （2）测量电桥： ）测量电桥： 相敏检波 滤波器 输出
(4) 差动变压器式位移传感器： 差动变压器式位移传感器： 测头1： 测杆5： 导轨：片簧4 弹簧9：产生测力 磁芯7： 线圈8：
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2、电感式压力传感器
压力 ---- 弹性敏感元件（膜盒、膜片、波纹管） --- 位移 --- 电感
接头1：前端 磁芯6： 电路板4：无需放大，解调，滤波
（2）辨向解调电路： 差动相敏检波电路：
差动整流电路：
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三、电感传感器的应用
1、电感式位移传感器
测量范围：零点几~几百毫米 线性度：0.5%，0.1%，0.05%，0.02% 分辨力：0.1µm ~ 0.01 µm ，1nm (1) 电感式位移传感器： 测端10：宝石球头（玛瑙） 测杆8：上下轴向移动 导轨7：滚动式---多排钢珠，过盈，摩擦小， 误差小，精度高，寿命长 滑动式---间隙（测杆-导套），易磨损， 精度低，寿命低，大行程 片簧式---无间隙，无摩擦，精度高， 测力变化大，行程小，体积大 磁芯3：螺管型 线圈4：差动 弹簧5：蝶簧，产生测力 密封圈9：防尘，防水，防污
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四、电涡流传感器
发起：20世纪70年代 工作原理：电涡流效应 特点：结构简单，灵敏度高，频响宽，不受油污等介质的影响 应用：测量---距离、位移、振动、厚度、温度、转速、硬度等
1、电涡流传感器工作原理
交变电流 被测导体 传感器线圈 电涡流 交变磁场H1 交变磁场H2 电感、阻抗、品 质因数等变化
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（5）滤波电路 ：滤除交流信号---直流电压 （6）零残电压补偿： 理论上---当衔铁处于中间位置时，输出为零 实际上---零位不平衡，输出零为电压---电气参数不对称、几何尺寸偏差
危害：使提前放大器饱和；控制产生误动作；伺服电机发热 --- 补偿 Ra：使线圈电阻相等， 消除基波分量 Rb：对某线圈分流， 改变工作点 减小二三级谐波 C： 补偿次级线圈不 对称
传感器线圈的电感：

传感器的输出灵敏度：K H
=
dL = W 2 gl a2 / l 2 = 3 L / l a dl a
特点：①由于气隙大，磁路磁阻大，故灵敏度较前两者低。 提高衔铁与套筒的直径比与长度比（结构与非线性限制） 增加砸数（受到稳定性限制） ②若主磁通不变以及线圈绕阻排列均匀，可得到较大的线性范围
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二、互感式传感器（差动变压器）
变 压 器：闭合磁路 互感传感器： 开磁路 初级、次级互感为常数 初级、次级互感随衔铁移动变化 一个次级 两个次级（差动）
1、互感传感器工作原理
U、I---初级线圈激励电压、电流，频率ω L1, R1---初级线圈电感、电阻； L21, R21, L22, R22 ---两个次级线圈电感、电阻； M1, M2---初级线圈与次级线圈1、2的互感； 传感器开路输出：U 0 = E 21 − E 22 = − jω( M 1 − M 2 ) I 当衔铁处在中间位置时： M1=M2，输出为零 当衔铁偏离中间位置时： M1≠M2，输出与M1-M2成比，与衔铁位移成正比
传感器线圈：Z1=r1+jωL1，Z2=r2+jωL2 Z1=Z+∆Z，Z2=Z-∆Z 初始状态：r10=r20=r0，L10=L20=L0 外接电阻： R1=R2=R 输出电压： U
⋅ 0
E ∆Z E ∆r + jω∆L E jω∆L E ∆L = = ≈ ≈ 2 Z 2 r0 + jωL0 2 r0 + jωL0 2 L0
第三章 电感式传感器
工作原理：磁路的磁阻变化引起传感器线圈电感变化（自感、互感、电涡流） 应用领域：位移、振动、力、应变、流量、加速度等物理量 特 点：结构简单，工作可靠，寿命长，性能良好，适于恶劣环境使用 存在交流零位信号（零残电压），不适于高频测试