2023年2月2日第四章

電感式傳感器

本章的主要內容有：1.自感式電感傳感器的結構原理；2.互感式電感傳感器的結構原理；3.電感傳感器的典型測量電路；4.電感傳感器的主要應用；2023年2月2日

電感式傳感器是利用被測量的變化引起線圈自感或互感系數的變化，導致線圈電感量改變來實現測量的。分類:電感式傳感器自感型互感型變面積型電傳感器螺線管型電傳感器變間隙型電傳感器2023年2月2日4.1自感式電感傳感器

自感式電感傳感器有變間隙型、變面積型和螺管型三種。

4.1.1原理分析

4.1.1.1變間隙型電感傳感器它的結構示意圖如右圖所示。工作時銜鐵與被測物體連接，被測物體的位移將引起空氣隙的變化，導致了線圈電感量的變化。線圈的電感可用下式表示：2023年2月2日線圈的電感值可近似地表示為

因此，其靈敏度隨氣隙的增大而減小。忽略磁路鐵損，則磁路總磁阻為

因此：2023年2月2日鐵心與銜鐵之間相對覆蓋面積隨被測量的變化面改變，導致線圈的電感量發生變化，這種形式稱之為變面積型電感傳感器，見圖4.1.2。L與δ是非線性的，但與A成正比，特性曲線參見圖4.1.3。可變導磁面積型4.1.1.2變面積型電感傳感器2023年2月2日2023年2月2日下圖為其結構原理圖，銜鐵隨被測物移動，引起磁阻發生變化，導致電感量改變。線圈電感量與銜鐵進入線圈的長度可表示為

4.1.1.3螺管型電感式傳感器通過以上分析可得結論:I.

變間隙型靈敏度較高,但非線性誤差較大；II.

變面積型靈敏度較小,但線性較好,量程較大；III.

螺管型靈敏度較低,但量程大且結構簡單。2023年2月2日

用兩個相同的傳感線圈共用一個銜鐵,構成差動式電感傳感器,這樣可以提高傳感器的靈敏度,減小測量誤差。下圖是變間隙型、變面積型及螺管型三種類型的差動結構。

4.1.1.4差動式電感傳感器2023年2月2日2023年2月2日4.1.2測量電路

差動式結構可以提高靈敏度，改善線性，所以交流電橋大多采用雙臂工作形式。下圖是交流電橋的幾種常用形式。

2023年2月2日當ωL＞＞R’時，上式可近似為：可見交流電橋的輸出電壓與傳感器線圈電感的相對變化量成正比。電阻平衡臂電橋如上圖a所示，工作時，Z1=Z+△Z和Z2=Z—△Z，當ZL→∞時，電橋的輸出電壓為

4.1.2.1電阻平衡臂電橋2023年2月2日由于Z1=Z-△Z，Z2=Z+△Z，故：

同理，當銜鐵上移時，則有：變壓器式電橋如前圖b，當負載阻抗無窮大時輸出電壓為：4.1.2.2變壓器式電橋可見，輸出電壓反映了傳感器線圈阻抗的變化，還需辯向。2023年2月2日

該電橋如前圖c所示。它以差動電感傳感器的兩個線圈作電橋工作臂，而緊耦合的兩個電感作為固定臂組成電橋電路。采用這種測量電路可以消除與電感臂并聯的分布電容對輸出信號的影響，使電橋平衡穩定，另外簡化了接地和屏蔽的問題。

4.1.2.3緊耦合電感臂電橋2023年2月2日電感式接近開關（金屬）2023年2月2日4.2差動變壓器

1.工作原理:互感現象EwEoutWW1W2Esx-x2023年2月2日2.差動變壓器式傳感器構成該類型的傳感器主要包括有銜鐵、一次繞組和二次繞組等。

一、二次繞組間的耦合能隨銜鐵的移動而變化，即繞組間的互感隨被測位移改變而變化。由于在使用時采用兩個二次繞組反向串接，以差動方式輸出，所以把這種傳感器稱為差動變壓器式電感傳感器，通常簡稱差動變壓器。2023年2月2日3.等效電路

L21．．E2．～～L22E22E21U1．～R22R21R1M1M2等效電路如上圖所示，輸出采用差動結構，隨著被測物的變化而改變。2023年2月2日

（3）當銜鐵向二次繞組L22一邊移動時輸出也不為零，但由于移動方向改變，所以輸出電動勢反相。因此通過差動變壓器輸出電動勢的大小和相位可以知道銜鐵位移量的大小和方向。

（1）當銜鐵處于中間位置時，兩個二次繞組互感相同，所以差動輸出電動勢為零。（2）當銜鐵移向二次繞組一邊時，輸出不為零，在量程內移越大，輸出就越大。2023年2月2日

4.差動變壓器的輸出特性曲線如左圖所示，其中E2的實線表示理想的輸出特性，而虛線部分表示實際的輸出特性。E0為零點殘余電動勢。零點殘余使得傳感器的輸出特性在零點附近不靈敏，給測量帶來誤差，它的大小是衡量差動變壓器性能好壞的重要指標。2023年2月2日減小零點殘余的方法：

I.

盡可能保證傳感器幾何尺寸、線圈電氣參數玫磁路的對稱。磁性材料要經過處理，消除內部的殘余應力，使其性能均勻穩定。

II.

選用合適的測量電路，如采用相敏整流電路。既可判別銜鐵移動方向雙可改善輸出特性，減小零點殘余電動勢。Ⅲ.采用補償線路減小零點殘余電動勢在差動變壓器二次側串、并聯適當數值的電阻電容元件，當調整這些元件時，可使零點殘余電動勢減小。

2023年2月2日4.2.2常用測量電路

2023年2月2日ABCDEFV1V2V3V4

在輸入信號的正半周，V1、V3導通，V2、V4截止，F點電位等于A點電位UF=UA。若銜鐵位于中央，則UA=UD=UE=UF，電表指零；若銜鐵上移，則UA>UD，UE<UF，電表正偏；若銜鐵下移，則UA<UD，UE>UF，電表反偏。在輸入信號的負半周，V1、V3截止，V2、V4導通，F點電位等于D點電位UF=UD。若銜鐵位于中央，則UA=UD=UE=UF，電表指零；若銜鐵上移，則UA<UD，UE<UF，電表正偏；若銜鐵下移，則UA>UD，UE>UF，電表反偏。2023年2月2日

差動整流電路結構簡單，一般不需要調整相位，不考慮零點殘余電動勢的影響，適于遠距離傳輸。4.2.2.1差動相敏檢波電路

相敏檢波電路要求比較電壓與差動變壓器二次側輸出電壓的頻率相同，相位相同或相反。另外還要求比較電壓的幅值盡可能大，一般情況下，其幅值應為信號電壓的3~5倍。4.2.2.2差動整流電路2023年2月2日4.2.3差動變壓器式傳感器的應用1.測量位移2023年2月2日例：板厚的測量

~2023年2月2日2.測量力或壓力例：張力測量2023年2月2日4.3電渦流式傳感器

它能實現非接觸測量，如位移、振動、厚度、轉速、應力、硬度等參數。這種傳感器還可用于無損探傷。原理如下圖示。

這是一種建立在渦流效應原理上的傳感器。2023年2月2日4.3.1結構原理與特性

如下圖，當通過金屬體的磁通變化時，就會在導體中產生感生電流，這種電流在導體中是自行閉合的，這就是所謂電渦流。電渦流的產生必然要消耗一部分能量，從而使產生磁場的線圈阻抗發生變化，這一物理現象稱為渦流效應。線圈的阻抗變化與導體的電導率、磁導率、幾何形狀，線圈的幾何參數，激勵電流頻率以及線圈到被測導體間的距離等因素有關。2023年2月2日·MR1R2L2L1U1I1·I2·線圈與金屬導體系統的阻抗、電感都是該系統互感平方的函數。而互感是隨線圈與金屬導體間距離的變化而改變的。

其等效電路如上圖所示，R1、L1為傳感器線圈的電阻和電感。短路環可以認為是一匝短路線圈，其電阻為R2、電感為L2。線圈與導體間存在一個互感M，它隨線圈與導體間距的減小而增大。2023年2月2日4.3.1.1高頻反射式電渦流傳傳感器

1、結構：由一個固定在框架上的扁平線圈組成。2023年2月2日

為了充分有效地利用電渦流效應，對于平板型的被測體則要求被測體的半徑應大于線圈半徑的1.8倍，否則靈敏度要降低。當被測物體是圓柱體時，被測導體直徑必須為線圈直徑的3.5倍以上，靈敏度才不受影響。2、原理

電渦流傳感器的線圈與被測金屬導體間是磁性耦合，電渦流傳感器是利用這種耦合程度的變化來進行測量的。因此，被測物體的物理性質，以及它的尺寸和開關都與總的測量裝置特性有關。一般來說，被測物的電導率越高，傳感器的靈敏度也越高。2023年2月2日1.結構

傳感器包括發射和接收線圈，并分別位于被測材料上、下方。4.3.1.2低頻透射式電渦流傳感器這種傳感器采用低頻激勵，因而有較大的貫穿深度，適合于測量金屬材料的厚度。2.原理由振蕩器產生的e1加到發射線圈L1兩端。2023年2月2日

若兩線圈間無金屬導體，則L2的磁力能較多穿過L2，在L2上產生的感應電壓e2最大。

如果在兩個線圈之間設置一金屬板，由于在金屬板內產生電渦流，該電渦流消耗了部分能量，使到達線圈L2的磁力線減小，從而引起e2的下降。

線圈L2的感應電壓與被測厚度的增大按負冪指數的規律減小，為了較好地進行厚度測量，激勵頻率應選得較低。頻率太高，貫穿深度小于被測厚度，不利進行厚度測量，通常選1kHz左右。2023年2月2日

一般地，測薄金屬板時，頻率應略高些，測厚金屬板時，頻率應低些。如下圖在測量ρ較小的材料時，應選較低的頻率（如500Hz），測量ρ較大的材料，則應選用較高的頻率（如2kHz），從而保證在測量不同材料時能得到較好的線性和靈敏度。2023年2月2日4.3.2測量電路

4.3.2.1電橋電路在進行測量時，由于傳感器線圈的阻抗發生變化，使電橋失去平衡，將電橋不平衡造成的輸出信號進行放大并檢波，就可得到與被測量成正比的輸出。4.3.2.2諧振法。諧振法主要有調幅式電路和調頻式電路兩種基本形式。調幅式由于采用了石英晶體振蕩器，因此穩定性較高，而調頻式結構簡單，便于遙測和數字顯示。2023年2月2日4.4電感式傳感器的典型應用

可用于測量壓力、力、壓差、加速度、振動、應變、流量、厚度、液位等物理量。

4.4.1位移測量

2023年2月2日2023年2月2日案例：連續油管的橢圓度測量CoiledTubeEddySensor

ReferenceCircle2023年2月2日案例：無損探傷原理裂紋檢測，缺陷造成渦流變化。2023年2月2日4.4.2振動檢測

4.4.2.1RS9300低頻振動速度傳感器其外形如右圖，它是利用磁電感應原理把振動信號變換成電信號。主要由磁路系統、慣性質量、彈簧阻尼等部分組成。在傳感器殼體中剛性地固定著磁鐵，慣性質量（線圈組件）用彈簧元件懸掛于殼體上。工作時，將傳感器安裝在機器上，在機器振動時，線圈與磁鐵相對運動、切割磁力線，產生感應電壓，該信號正比于被測物體的振動速度值，對該信號進行積分放大處理即可得到位移信號。

2023年2月2日

1）特點：I.

傳感器有很低的使用頻率，可以適用于低轉速的轉動機器。II.

相對于其它類型的振動傳感器而言，RS9300傳感器有較低的輸出阻抗，較好的信噪比。它同一般通用交流電壓表或示波器配合就能工作。對輸出插頭和傳輸電纜也無特殊要求，使用方便。III.

傳感器設計中取消了有摩擦的活動元件，因此使用壽命相對很長。傳感器有一定抗橫向振動能力（不大于10g）。

2023年2月2日2）技術指標I.

頻響范圍：0.5Hz～200Hz(-3dB)II.

靈敏度：8mV/μm±5%、5mV/μm±5%、4mV/μm±5%(或根據用戶要求調整)III.

量程：±1mm（±2mm、±3mm等）IV.

線性度：<2%V.

最大輸出電壓：8V（單峰）VI.

使用溫度范圍，-30℃~-80℃VII.

工作方向：H

水平型

V

垂直型VIII.

工作電源：±12VDCⅨ.安裝方式：

在Φ56的圓周角上用2個M5螺釘固定。

2023年2月2日3）型號說明A

B

C

D

ERS—93□□□□-□