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1、传感器原理与应用-第8章电子课件（高教版）第8章 电感传感器8.1自感式电感传感器自感式电感传感器 8.2差动变压器差动变压器8.3涡流传感器涡流传感器 8.4思考题思考题第8章 电感传感器 电感传感器是利用线圈自感或互感的变化实现测量的一种传感器。它的基本转换原理是将被测量转换成电感量的变化。因此，电感传感器可以分为自感式和互感式两大类。电感传感器与其他传感器相比，有以下优点：（1）结构简单可靠，可以测微小的被测量；（2）分辨率高，最小刻度可达0.1m；（3）零点漂移少，可达0.1m；（4）测量精度高，线性度好；（5）输出功率大，即使不用放大器一般也有（0.15）V/mm的输出。电感传感器的
2、主要缺点是：不宜动态测量，响应时间长。第8章 电感传感器8.1 8.1 自感式电感传感器自感式电感传感器8.1.1自感式电感传感器的结构自感式电感传感器的结构示意图如图8-1所示，它主要用来测量位移或者是可以转换成位移的被测量。图8-1自感式电感传感器结构示意图1线圈；2铁心；3衔铁；4测杆；5导轨；6工件第8章 电感传感器第8章 电感传感器1变气隙式结构电感传感器自感式传感器的输出特性如图8-2所示。由若A为常数，则电感量L与气隙厚度成反比，即L=f(1/)，其结构如图8-1（a）所示。输出特性如图8-2（a）所示，其中，1是实际特性，2是理想特性。由图8-2（a）可见其输出特性为非线性。这
3、种传感器灵敏度为越小，灵敏度越高。为提高灵敏度并保证一定的线性度，传感器只能工作在很小的区域，因而只能用于微小位移的测量。图8-2自感式传感器的输出特性第8章 电感传感器2变截面积式结构电感传感器 由式 若保持气隙厚度 为常数，则L=fA，且与A成正比。其结构如图8-1（b）所示。其灵敏度 为一常数，应该说它的输出特性是线性的，但由于漏电感等原因，其线性区较小，图8-2（b）是这种结构传感器的输出特性。为了提高灵敏度，常将 做得较小，这种类型的传感器由于结构的限制，它的被测位移量也不大。为了增大测量范围，常做成螺管式结构。第8章 电感传感器3螺管式结构电感传感器 螺管式结构电感传感器，由一只螺
4、管线圈和一根柱型衔铁组成。当被测量作用在衔铁上时，会引起衔铁在线圈中伸入长度的变化，从而引起电感量的变化。这种传感器衔铁在螺管中间部分工作时，可以认为线圈内磁场是均匀的。此时，电感与衔铁插入深度成正比。但这种结构灵敏度低，且为了获得线性输出，被测位移也不会太大。第8章 电感传感器4差动式结构自感电感传感器 上述三种结构的自感传感器，虽然结构简单，但存在缺点，如线圈流向负载的电流不可能为零，衔铁受有引力，线圈电阻易受温度等外界干扰，不能反映被测量的变化方向（因电流只有一个方向）。因此，实际应用中，上述结构较少使用，而常采用差动式结构。图8-3是差动式结构自感传感器的原理图，将有公共衔铁的两个相同
5、的单个线圈的电感传感器连在起，当衔铁位移为零时，即衔铁处于中间位置时，L1=L2，Z1=Z2，U0=0。当衔铁有位移时，一个气隙增加，而另一个气隙减小，则一个线圈电感增加，另一个线圈电感减小，形成差动形式，此时L1L2，Z1Z2，有一定的输出电压值。衔铁移动方向不同，输出电压的极性也不同。差动式结构自感传感器不仅能消除上述自感传感器的缺点，且能提高灵敏度，减小非线性误差。第8章 电感传感器图8-3差动式结构自感传感器原理图1线圈；2铁心；3衔铁；4测杆；5导轨第8章 电感传感器如假设衔铁上移为d，则有当时，式中的 可以忽略不计。则 差动式结构自感传感器输出特性如图8-4所示。其中1是图8-3中
6、上面单线圈自感传感器的输出特性，2是下面单线圈自感传感器的输出特性，3是差接后的输出特性。由此可以看出，差动式结构自感传感器的输出特性得到了改善。=第8章 电感传感器图8-4差动式结构自感传感器输出特性第8章 电感传感器8.1.2 自感式电感传感器的应用1JGH型电感测厚仪 当被测物体的厚度变化使电感测厚仪的感辨头带动差动式结构自感传感器的衔铁位置发生变化，从而引起L的差动变化。测量电路采用图8-5所示的JGH型电感测厚仪电路。图8-5JGH型电感测厚仪电路第8章 电感传感器 自感传感器的两个差动线圈L1和L2作为电桥两相邻的桥臂，另两相邻的桥臂采用电容C1和C2，并且使用4只二极管VD1VD
7、4作为相敏整流器。在相敏整流器的输出端，用指示器V指示。二极管中串联个电阻R1R4作附加电阻使用，目的是减少由于温度变化而引起的误差，故选用温度系数小的绕线电阻。电桥的电源对角线是由变压器提供的。变压器的原边用磁铁和稳压器R7和C4。C3起滤波作用，RP1调节电桥电路的零位，RP2用来调节指示器满刻度，SD为指示灯。图8-5中使用相敏整流电路的目的，是使输出电压的极性能真正反映衔铁的移动方向，从而确定厚度是增加还是减小。第8章 电感传感器2GDH型电感测微仪 图8-6是这种传感器的结构图，从图中可以看出，这是差动式自感传感器。当在测端有微小位移作用时，则测杆带动衔铁移动，改变了差动电感传感器的
8、截面积，线圈电感差动变化，通过电缆接到电桥。图8-7是GDH型电感测微仪的测量电路。电桥由振荡器二次侧线圈和传感器电感组成，其输出信号送入由R1到R4组成的量程切换器。被测信号被放大后经电容C8送入相敏检波电路，最终由仪表显示出来。图8-6 GDH型电感测微仪结构图1引线电缆；2固定磁筒；3衔铁；4线圈；5弹簧，用来传导测段感受的作用力；6防转销；7导轨；8测杆；9密封套；10测端第8章 电感传感器当没有位移作用在测端，两线圈电感相等，电桥平衡，无输出信号。若衔铁偏离中间位置，电桥有电压输出，幅值与衔铁位移成正比。图8-7中的相敏检波电路和图8-5的整流电路原理相同，是为了使输出电压极性真正反
9、映衔铁位移的方向，即被测位移的方向。图8-7电感测微仪测量电路图第8章 电感传感器3电感传感器在仿形机床中的应用 电感传感器采用的是将被加工工件与标准件放在同一框架上，当标准件沿传感器探头旋转时，使得衔铁处于线圈内部的位置不同，传感器输出不同极性和大小的电压，这个电压使电机以不同方向和转速旋转，拖动框架上下移动，同时由于铣刀始终在旋转，因此可以在不同的位置加工被加工的工件。仿型机床中的电感传感器示意图如图8-8所示。图8-8 仿型机床中的电感传感器示意图1标准件；2测量端；3电感测微仪；4铣刀框架；5立柱；6伺服电动机；7铣刀；8毛坯（被加工工件）第8章 电感传感器8.2 8.2 差动变压器差
10、动变压器8.2.1差动变压器的结构原理与测量电路本节讨论的差动变压器是将被测量转换成互感变化的电感传感器。传感器本身相当于一个变压器，且变压器副边有两组线圈进行差动反向串联连接。原边与副边的相互作用靠互感系数的存在，因此互感传感器又称为差动变压器。图8-9所示是差动变压器的结构示意图。差动变压器由三组线圈组成，这种结构可以用图8-10的等效形式表示。当一次侧线圈加入激励电压；二次侧绕组会产生感应电动势式中，为激励电源角频率；M1,M2为一次侧线圈N21与二次侧线圈N22之间的互感；为一次侧线圈的激励电流。它们的方向如图8-10所示（同名端标于图中），由于N21,N22差动连接，所以空载时输出电
11、压为w=-第8章 电感传感器图8-9差动变压器结构示意图图8-10差动变压器等效形式1一次线圈；2二次线圈（两组）；3衔铁；4测杆第8章 电感传感器 若两个二次侧线圈的参数及磁路尺寸相等，则当衔铁处于中间位置时，M1=M2=M，则有 若衔铁偏离中间位置向下移动，则 同理，衔铁偏离中间位置上移时，则，将两式综合则有 这里要注意，式中的“+”“-”号不绝对表示输出电压的极性。为此，若要以电压极性表示位移的方向，同样需要相敏整流或检波电路。有了这样的电路，差动变压器的输出特性如图8-11所示。=0。M1=MM2=MM1=MM2=M第8章 电感传感器 图中x表示被测位移（大小、方向），若不接相敏电路，
12、铁心处于中央位置时，本应输出电压为零，而在实际特性中，出现了零点残余电压（图8-11中1），这主要是由于两组次级线圈的不完全对称以及激励电压存在高次谐波，这个电压给测量带来误差。若采用相敏整流电路，可以看到差动变压器的输出不仅消除了零点残余电压，且能从电压输出极性反映被测位移的方向（图8-11中2）。图8-11 差动变压器的输出特性第8章 电感传感器 如图8-12为CPC型差压传感器的测量电路。图中的相敏整流部分是由两个晶体二极管VD5,VD6和电阻R7,R8以及分别包含在R7,R8电路中的电位器RP1组成。RP1是用来平衡R7,R8的电阻差值，以调节仪器的零点。VD5,VD6分别对差动变压器
13、两个次级线圈的电压进行整流，并在其相应的负载电阻R7,R8上得到一个极性相反的直流电压，这两个电压的差值即为被送到直流毫伏表上的输出量。当被测位移为零时，即差动变压器衔铁（铁心）处在中间位置时，在R7,R8上的直流电压相等，输出为零。当有位移时，铁心偏离中心位置，在毫伏计上得到与铁心位移成正比的直流电压。RP2用来调节仪表的灵敏度。第8章 电感传感器图8-12CPC型差压传感器的测量电路第8章 电感传感器8.2.2 差动变压器的应用1微动同步器 图8-13 微动同步器原理图检测小角度机械转角（10）通常采用微动同步器。微动同步器如图8-13所示。Us是激磁电压，Uo是输出电压，当转子转过一个小
14、角度时，改变了两组次级绕组的互感而引起输出电压变化，微动同步器的分辨率高，线性度好，寿命长。缺点是动态范围小且需相敏整流或检波，其主要性能指标为：测量范围：10；分辨率：2”；灵敏度：35mV/rad；零位电压：3%；图8-14 差动变压器式线性位移传感器结构原理图 工作温度：(-40+50)；电源：9V（AC），1200Hz。第8章 电感传感器图8-13 微动同步器原理图第8章 电感传感器2差动变压器式线性位移传感器差动变压器式线性位移传感器是将被测位移转换成差动变压器铁心的位置变化，从而引起差动变压器输出电压的变化，其结构原理如图8-14所示。这种传感器的分辨率高，线性度好，但缺点是有残余
15、电压会引起测量误差，其主要性能指标为：测量范围：1mm1000mm；线性度：0.1%0.5%；分辨率：0.01。第8章 电感传感器图8-14 差动变压器式线性位移传感器结构原理图第8章 电感传感器3差动变压器压力传感器图8-15是YST-1型压力传感器结构示意图与测量电路。图8-15（a）是传感器的结构示意图。当被测压力导入膜盒时，膜盒中心产生的位移作用在测杆上，并带动衔铁引起位移，使差动变压器产生输出。图8-15（b）是这种传感器的测量电路。220V交流电通过变压整流、滤波、稳压后，被VT1,VT2三极管组成的振荡器转变为6V,1000Hz的稳定交流电压，作为该传感器的激磁电压。差动变压器二
16、次侧电压通过相敏检波电路，输出电压为（050）mV。第8章 电感传感器图8-15YST-1型压力传感器结构示意图与测量电路1输入的压力；2膜盒；3导线；4印刷电路板；5差动线圈；6衔铁；7变压器；8罩；9指示灯；10安装座；11底座第8章 电感传感器4差动变压器测速传感器差动变压器测速的原理如图8-16所示。原边励磁电流由交、直流同时供给，即i(t)=I0+IAsin t式中，I0为直流电；IA为交流电流幅值。若差动变压器铁心以速度dx/dt移动，则差动变压器的副边产生感应电势为e=-dM(x)i(t)/dt图8-16差动变压器测速原理图第8章 电感传感器 式中，M(x)为原边、副边的互感系数
17、。M0(x)=M0-M(x)M2(x)=M0+M(x)M0是x=0时（铁心在中间）的互感系数，M(x)是铁心有位移时的互感系数变化量，它是随位移x的变化而变化的，即M(x)K x（K是常数）。所以，若铁心有位移，两组副边绕阻的感应电势的差值为e=2 K I0dx/dt+2 K IAdx/dt sin t+2 K IA x cost为励磁电流的角频率，可以用低通滤波器滤除，则有e=2 K I0 dx/dt此式说明，输出电压正比于dx/dt，即被测速度。图8-17是这种传感器的测量电路图。这种传感器线性度较好，输出电压最大可达10V，检测范围在（10200）mm/s内可调。第8章 电感传感器图8-
18、17差动变压器测速传感器测量电路图第8章 电感传感器8.3 8.3 涡流传感器涡流传感器8.3.1 涡流传感器原理 如果通过金属导体中的磁通发生变化，就会在闭合的导体内产生感应电流。这种电流像水中的旋涡那样，它的流线在金属体内是自行闭合的，通常称之为涡流，这种现象称为涡流效应。电涡流的产生，必然要消耗一部分磁场能量，从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化。电涡流传感器就是基于这种涡流效应。涡流传感器原理图如图8-18所示。图8-18中，有一块电导率为，磁导率为，厚度为t的金属板，离金属板x处有一半径为r的线圈，当线圈通上正弦交流电I时（角频率为w），线圈周围产生磁场H1；而处于H1中的金属板中将产生
19、电涡流I2，这个电涡流产生H2，且H1的方向与H2方向相反。激励电流线圈有效阻抗Z与下列参数有关，即Z=f（，r，x，t，I，）若改变这些参数中的任一物理量，都将引起Z的变化，这就是涡流传感器的原理。第8章 电感传感器图8-18涡流传感器原理图第8章 电感传感器利用这种涡流现象，可以把距离x的变化变换为Z 的变化，从而做成位移、振幅、厚度等传感器；也可利用这种涡流效应，把电导率d的变化变换为Z 的变化，从而做成表面温度、电解质浓度、材质判别等传感器；还可利用磁导率 的变化变换为Z 的变化，从而做成应力、硬度等传感器。这类传感器的测量范围大、灵敏度高、抗干扰能力强，不受介质影响，结构简单，使用方
20、便，且不需要接触测量，因此广泛应用于工业生产和科研领域，尤其是在高速旋转的机械中，测量旋转轴的轴向位移和径向振动以及连续远距离监控等方面发挥着独特的优越性。涡流传感器的等效电路如图8-19所示，是接入线圈的励磁电压和励磁电流，线圈的等效电阻和等效电感用R1,L1表示，金属体上产生的涡流用一闭合的线圈表示，电阻为R2，电感为L2，涡流电流为I2。这样，励磁线圈最终在导体上产生涡流的实质，是由于两者之间存在互感M 的原因。第8章 电感传感器图8-19涡流传感器等效电路第8章 电感传感器8.3.2 涡流传感器的应用1线性位移传感器 被测位移作用于金属板，改变了金属板与涡流探头（激励线圈）的距离，从而
21、引起探头有效阻抗Z的变化，如图8-20是CZF型位移传感器的结构原理图。图中，敏感头由矩形截面线圈和骨架组成，传感器壳体用于夹持敏感头的金属部分，探头阻抗的改变经接头接入测量电路，就可得到电压或电流的输出。其主要性能指标：测量范围：1mm100mm；线性度：1%3%；分辨率：0.05m。线性位移传感器广泛应用于检测试件的位移、金属厚度、监视和控制液位。第8章 电感传感器图8-20CZF型位移传感器结构原理图第8章 电感传感器2涡流式转速传感器涡流式转速传感器电路框图如图8-21所示，在被测轴上开一个凹槽，靠近轴表面安装涡流探头。轴转动（如图示位置），涡流探头感受到轴表面的位置变化，传感器激励线
22、圈的电感随之改变（轴转一圈，变化一次），振荡器的频率变化一次，通过检波器转换成电压的变化，从而得到与转速成正比的脉冲信号。来自传感器的脉冲信号经整形后，由频率计得到频率值，再转换成转速。由于涡流传感器可进行非接触测量，所以对测量环境要求并不苛刻。它的检测转速可达6106r/min。图8-21涡流式转速传感器电路框图第8章 电感传感器3涡流式膜厚检测 图8-22是涡流传感器用于检测腐蚀膜等厚度的原理图。设没有膜时，传感器探头与金属表面距离为L，有膜时，距离变成D，所以膜厚为d=L-D。膜的厚度不同，消耗磁场能量不同，导致探头有效阻抗变化。采用这种方法检测只能获得微弱的信号变化。为了克服S/N小的
23、缺点，常采用不平衡电桥电路。图8-22 涡流式膜厚检测原理图第8章 电感传感器 图8-23是一种涡流式膜厚检测电路，IC1和IC2是正弦波振荡器，将产生频率为（1100）kHz的正弦波。正弦波加到变压器T1上。涡流变化量在检测放大器IC3中放大，再经IC4,IC5的适当放大并输出。VR1用来调节灵敏度，VR2调整零点，VR3调整电平。图8-23涡流式膜厚检测电路（图中A-A相连）第8章 电感传感器4涡流式接近开关 为了使公路交通系统正常运行，常需检测公路上汽车的流量，依据它来控制交通信号。图8-24为涡流式接近开关原理图，它的主要部件是埋在公路表面下几厘米深处的环装绝缘线圈，给它通上励磁电流，
24、公路表面上就会有图中虚线所示的磁场产生。当汽车进入这一区域，汽车上产生涡流损耗，励磁线圈有效阻抗变化（汽车在正上方时，损耗最大）。图8-24涡流式接近开关原理图第8章 电感传感器 图8-25是涡流式接近开关的电路框图。将绝缘励磁线圈作为振荡电路的一部分，若振荡器有效阻抗变化，振荡器的震荡频率也要变化，经过检波器转换成的电压与比较器提供的电压比较，不等就会产生一个计数脉冲。如果计数累加超过某一上限，会驱动执行机构，改变信号灯的状态或有报警信号产生。图8-25涡流式接近开关电路框图第8章 电感传感器8.4思考思考题题8.1 分析图8-5 JGH型电感测厚仪的相敏整流电路原理，说明它如何以输出电压的极性反映位移的方向。8.2 图8-26是差动变压器式接近开关原理图，结构中使用型铁心，分析它的工作原理，并设计后续信号处理电路，使被测金属部件与探头距离达设定距离时，继电器吸合。8.3 设计一个差动变压器式振幅检测传感器，画出其结构简图，并分析工作原理。8.4 涡流传感器最主要的特点是什么？利用这个特点，是否能进行金属探伤？若可以，试设计其结构原理图。图8-26差动变压器式接近开关原理图