2电感式传感器

根据电涡流效应制作的传感器称电涡流传感器;
电涡流传感器能够对被测量进行非接触测量;
形成电涡流必须具备两个条件：
❖ ① 存在交变磁场 ❖ ② 导电体处于交变磁场中
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3. 3 电涡流式传感 3.3.1 工作原理
传感器与检测技术
➢ 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I1时，线圈周围空间产生交 变磁场H1，当金属导体靠近交 变磁场中时，导体内部就会产 生涡流I2，这个涡流同样产生 反抗H1的交变磁场H2 。
L0 1
0
• 传感器测量范围与灵敏度和线性度相矛盾；
• 变间隙式电感传感器用于小位移比较精确；一般
Δδ/δ0= 0.1-0.2； • 为减小非线性误差，实际测量中多采用差动式。
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33..11.变2 输磁出阻特式性传感器（自感式）传感器与检测技术
差动变隙式由两个相同 的线圈和磁路组成。当 被测量通过导杆使衔铁 左右位移时，两个回路 中磁阻发生大小相等、 方向相反的变化，形成 差动形式。
• 铁芯向左移， 输出与E2b同极性；
输出电压的幅值取决于线圈 互感即衔铁在线圈中移动的 距离X。Uo与Ui的相位由衔 铁的移动方向决定。
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3.2 差动变压器式传感器（互感式传）感器与检测技术
磁芯 向左
差 动 输 出 电 压 V
磁芯 向右
磁芯的位移
磁芯中央
差动变压器输出电压和位移的关系
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3.2 差动变压器式传感器（互感传式感）器与检测技术
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33..11.变2 输磁出阻特式性传感器（自感式）传感器与检测技术
➢ 电感的变化为：
L L 1 L 2 2 L 0[1 2 4 ] 0 0 0
对上式进行线性处理并忽略高次项：
则差动式灵敏度为：
L
K0
L0 2
0
L 2
L0
0
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33..11.变2 输磁出阻特式性传感器（自感式）传感器与检测技术
讨论： • 比较单线圈，差动式的灵敏度提高了一倍； • 差动式非线性项比单线圈多乘了(Δδ/δ0)因子； • 不存在偶次项，因Δδ/δ0<<1，线性度得到改善。 • 差动式的两个电感结构，可抵消温度、噪声干扰
的影响。
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33..11.变3 测磁量阻电式路传（感转器换（电自感路式））传感器与检测技术
（2）液位测量 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位高低。
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33..22.差5 动应变用压举器例式传感器（互感传式感）器与检测技术
（3）电感测厚仪
❖L1、L2是电感器传感器的两个线圈作为两个桥臂；四只二极 管D1-D4组成相敏整流器；RP1调零电位器，RP2调电流表M满度； ❖ 被测厚度正常时，电桥平衡无电流， ❖ 被测厚度变化时，电流M表方向偏转 ❖ 根据电流方向确定衔铁移动方向。
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33..11.变3 测磁量阻电式路传（感转器换（电自感路式））传感器与检测技术
（3）谐振式（调幅、调频、调相）
➢调幅式电路 ：电感L变化，输出幅值发生变化 ➢调频电路 ：电感L变化时，谐振频率发生变化
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33..11.变4 变磁磁阻阻式式传传感感器器（的自应感用式）传感器与检测技术
变隙式差动电感压力传感器
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33..22.差3 零动点变残压余器电式压传感器（互感传式感）器与检测技术
➢ 为减小零点残余电压的影响，一般要用电路进行补 偿,电路补偿的方法较多,可采用以下方法。
• 串联电阻：消除两次级绕组基波分量幅值上的差异； • 并联电阻电容：消除基波分量相差，减小谐波分量； • 加反馈支路：初次级间反馈，减小谐波分量； • 相敏检波对零点残余误差有很好的抑制作用。
次 级
衔
次 级
铁
初 级
骨架
初 级
次
次
级
级
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33..22.差1 工动作变原压理器式传感器（互感传式感）器与检测技术
等效电路： 两个次级线圈必须反相串联，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 Ma＝Mb ❖电动势相等 E2a＝E2b ❖差动输出电压为零：U0=E2a－E2b＝0
当次级开路时，有
I1
r1
Ui
jL1
根据电磁感应定律，次级感应电动势分别为：
E2a＝－jωMaI1，E2b＝－jωMbI1 由此得到输出电压有效值为：
U0
Ui(Ma Mb) R12 (L1)2
可见输出电压与互感的差值有关
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33..22.差2 动基变本压特器性式传感器（互感传式感）器与检测技术
• 铁芯向右移， 输出与E2a同极性；
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33..22.差1 工动作变原压理器式传感器（互感传式感）器与检测技术
➢把被测的非电量变化转换成为线 圈互感量的变化的传感器称为互 感式传感器。 ➢ 这种传感器根据变压器的基本 原理制成，并将次级线圈绕组用 差动形式连接。 ➢ 差动变压器的结构形式较多， 应用最多的是螺线管式差动变压 器。它可测量1—100mm范围内 的 机械位移。
（1）交流电桥式
➢两个桥臂由相同线圈组成，另外两个为平衡电阻
交流电桥结构示意图
等效电路
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百度文库
33..11.变3 测磁量阻电式路传（感转器换（电自感路式））传感器与检测技术
因 Z 1 Z 0 j L 1 , Z 2 Z 0 j L 2 , Z 3 Z 4 R 0
输出电压为： U 0 U 2 A C Z Z 2 1 U 2 A C R 0 j jL L 0 U 2 A C L L 0
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33..11.变2 输磁出阻特式性传感器（自感式）传感器与检测技术
➢初始气隙δ0处的初始电感量为L0 L
L0
N2 Rm0
N20S0 20
L0+L
L0 L0-L
➢衔铁位移Δδ引起的电感变化为：
o
-0 +0
LL0L2(N 0 20 S0)N(2 10S 002)0(1L 0 0)
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33..11.变2 输磁出阻特式性传感器（自感式）传感器与检测技术
代入
L 2
L0
0
电桥输出为：
U0
UAC
0
可见电桥输出电压UAC与气隙变量Δδ有关
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33..11.变3 测磁量阻电式路传（感转器换（电自感路式））传感器与检测技术
（2）变压器式交流电桥
➢电桥的两臂是传感器线圈 阻抗臂、另外两个臂是交流 变压器次级线圈各占1∕2， 交流供电。 ➢ 桥路输出电压为：
只要改变气隙厚度或气隙截面积就可以改变电感。
1
l1
L
S1
2
W
1、线圈
l2
2、定铁芯
3、衔铁
S2
3
4
33..11.变1 工磁作阻原式理传感器（自感式）传感器与检测技术
线圈自感可按下式计算：
LN2 N20S0 Rm 2
式中： N 线圈匝数 ； Rm 磁路总磁组； S0 气隙的截面积； δ 气隙厚度； μ0 导磁率（真空、空气）
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33..22.差1 工动作变原压理器式传感器（互感传式感）器与检测技术
当衔铁上下移动时，输出电压随衔铁位移变化。
❖若衔铁上移： E2a>E2b ，U0>0 ❖若衔铁下移： E2a<E2b ，U0<0
可见:
❖输出电压大小和符号反映了铁心位移的大小和方向。
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33..22.差2 动基变本压特器性式传感器（互感传式感）器与检测技术
当Δδ/δ0<<1时，用泰勒级数展开
L L 0 L L 0 [ 1 0 0 2 0 3 ] L L 0 0 [ 1 0 0 2 ]
衔铁上移时
L L 0 L L L 0 0 [ 1 0 0 2 ] 0 0 2 0 3
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33..22.差5 动应变用压举器例式传感器（互感传式感）器与检测技术
差动变压器式传感器可直接用于位移测量，也可以用 来测量与位移有关的任何机械量，如振动，加速度，应 变等等。
（1）压差计 当压差变化时，腔内
膜片位移使差动变压器次 级电压发生变化，输出与 位移成正比，与压差成正 比。
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33..22.差5 动应变用压举器例式传感器（互感传式感）器与检测技术
非接触式位移传感器 测厚传感器
2
概述
传感器与检测技术
电感传感器测量滚珠直径，实现按误差分装塞选
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33..11.变1 工磁作阻原式理传感器（自感式）传感器与检测技术
结构
由线圈、铁芯、衔铁三部分组成。铁芯和衔铁之间有气隙，气隙 厚度为δ ; 传感器运动部分与衔铁相连，衔铁移动时发生变化，引 起磁路的磁阻Rm变化，使电芯线圈的电感值L变化；
U 0Z1U Z2Z1U 2Z Z1 1 Z Z2 2U 2
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33..11.变3 测磁量阻电式路传（感转器换（电自感路式））传感器与检测技术
（2）变压器式交流电桥
当衔铁在中间位置
Z1=Z2=Z U0=0
当衔铁偏移时输出电压 U0U 2ZZU 2LL
当衔铁偏向另一方向
U0
U 2
L L
衔铁上下移动相同距离时，输出电压大小相等方 向相差180º，要判断衔铁方向就是判断信号相位。
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3. 3 电涡流式传感 3.3.2 等效电路分析
传感器与检测技术
➢ 根据涡流的分布，可以把涡流所在范围近似看成一 个单匝短路次级线圈。当线圈靠近金属导体时，次级 线圈通过互感 M 对初级作用。
等效电路的两个回路方程（基尔霍夫第二定律）：
R 1 0 I 1 jL 1 0 I 1 jM I2 U 1
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33..22.差4差动动变变压压器器式式传传感感器器（及互测感传量式感电）器路与检测技术
（2）集成相敏检波电路
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33..22.差4差动动变变压压器器式式传传感感器器（及互测感传量式感电）器路与检测技术
❖ 输出正负电压的结果由相敏检波后反行程旋转 由①→②，工作曲线为过零点的直线。
相敏检波前后输出特性
概述
传感器与检测技术
电感式传感器是一种机电转换装置，特别是在自动控 制设备中广泛应用。
电感式传感器利用电磁感应定律将被测非电量（如位 移、压力、流量、振动）转换为电感或互感的变化。
按传感器结构可分为：
❖自感式、互感式、电涡流式。
1
概述
各种电感式传感器
传感器与检测技术
电 感 粗 糙 度 仪 接近式传感器
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33..22.差5 动应变用压举器例式传感器（互感传式感）器与检测技术
（4）微压传感器
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3.3 电涡流式传感器
传感器与检测技术
由法拉第电磁感应原理可知：一个块状金属导体置于 变化的磁场中或在磁场中作用切割磁力线运动时，导体 内部会产生一圈圈闭和的电流，这种电流叫电涡流，这 种现象叫做电涡流效应。
差动变压器结构形式
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3.2 差动变压器式传感器（互感传式感）器与检测技术
差动变压器传感器的应用
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33..22.差3 零动点变残压余器电式压传感器（互感传式感）器与检测技术
❖ 由于两个次级线圈绕组电 气系数 （M互感 L电感 R内 阻）不同，几何尺寸工艺上很 难保证完全相同。实际的特性 曲线，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。
等效电阻为：
R1 R10 R222 M (2R L2 2)2
等效电感为：
L1 L10 R22 2M (2L L2 2)2
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3. 3 电涡流式传感 3.3.2 等效电路分析
传感器与检测技术
结论：
• 凡是能引起 R2 L2 M变化 的物理量均可以引起传
串
并
联
联
电
电
阻
阻
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33..22.差3 零动点变残压余器电式压传感器（互感传式感）器与检测技术
不同形式的零点残余电压补偿电路
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33..22.差4差动动变变压压器器式式传传感感器器（及互测感传量式感电）器路与检测技术
➢ 差动变压器输出交流信号。为正确反映衔铁位移 大小和方向，常采用差动整流电路和相敏检波电路。 （1）差动整流电路 ，输入一交流信号时
jM I 1 R 2 I 2 jL 2 I 2 0
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3. 3 电涡流式传感 3.3.2 等效电路分析
传感器与检测技术
解方程得到传感器的等效阻抗
Z 1 U I 1 1 R 1 0 R 2 2 2 M (2 R L 2 2 )2 j[L 1 0 R 2 2 2 M (2 L L 2 2 )2 ]
衔铁下移时
2
2
3
L L 0 L L L 0 0 [ 1 0 0 ] 0 0 0
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33..11.变2 输磁出阻特式性传感器（自感式）传感器与检测技术
对上式作线性处理忽略高次项时
L
L0 0
定义灵敏度 讨论：
L
K0