Transcript 第四章 电感式传感器
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第四章 电感式传感器
利用被测量的变化引起线圈自感或互感
系数的变化，从而导致线圈电感的改变。
分自感式和互感式两大类。
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第一节 自感式电感传感器
– 自感式电感传感器分为变间隙型、变面积型和螺管型三种类型。
• 自感式电感传感器的工作原理
– 变间隙型电感传感器
• 导体的磁阻与空气的磁阻相比很小，可以忽略故：
N 0 A
2
L
2
• 间隙与L成反比，灵敏度为非线性。
• 为了改善非线性，气隙的相对变化量要很小。
– 变面积型电感传感器
• 线圈电感量与面积A成正比，
• 灵敏度为线性
– 螺管型电感传感器
• 螺管型电感传感器的衔铁随被测对象移动，线圈磁力线路径上的磁阻发
生变化，线圈电感量也因此而变化。
• 线圈电感量的大小与衔铁插入线圈的深度成线性关系。
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第一节 自感式电感传感器
– 三种形式的电感式传感器比较
• 变间隙型电感传感器灵敏度高，但非线性误差大，测量范围小。
• 变面积型电感传感器灵敏度较变间隙型电感传感器小，但线性
好，，量程较大，使用比较广泛。
• 螺管型电感传感器灵敏度较低，但量程大，且结构简单易于制作
和批量生产，使用最广泛。
– 差动电感传感器
• 采用两个相同的传感器线圈共用一个衔铁，组成差动电感传感器。
• 差动电感传感器要求其结构完全对称。
• 改善线性、提高灵敏度，提高了抗干扰能力。
• 自感式电感传感器的测量电路
– 交流电桥：将线圈电感的变化转换为电桥电路的电压或
电流输出。
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第一节 自感式电感传感器
– 电阻平衡电桥
–ω L>>R’时
–
L U
L
2
0
U
– 交流电桥的输出电压与传感器线圈电感的相对变化量成
正比。
– 变压器电桥
– 当衔铁上下移动时
U Z
Uo
2 Z
• 输出电压反应了传感器线圈阻抗的变化，由于是交流信号，衔铁
位移的方向无法用仪表反应出来。
• 为了能反应衔铁的方向和大小可采用相敏检波电路。
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第一节 自感式电感传感器
• 带相敏整流的交流电桥
• 相敏整流的作用是将相位差为180º的交流信号分别转换为具有
正负极性的直流信号，以便能分辨衔铁运动的方向。
• 相敏整流的要求
– 高频交流电源和测量信号同频率
– 高频交流电源的幅值远大于测量信号的幅值
– 测量信号本身的相位差只能是0或180º。
• 4个二极管在高频交流电源的作用下分成两组轮流导通，高频交
流电源对负载的影响通过两个支路相互抵消。
• 负载的输出电压只与差动传感器的差值有关。
– 紧耦合电感电桥
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第二节 差动变压器
• 差动变压器的工作原理
• 差动变压器主要包括衔铁、一次绕组和二次绕组。
• 一次绕组和二次绕组间耦合能随衔铁的移动而变化，即绕组间的
互感随被位移改变而发生变化。
• 由于使用时两个二次绕组采用反向串接，以差动方式输出，故称
作差动变压器式电感传感器，简称差动变压器。
– 零点残余电压
• 主要由于差动变压器式制作上的不对称及铁芯位置等因素造成。
• 零点残余电压使输出特性在零点附近不灵敏，带来测量误差。
• 消除零点残余电压的方法：
– 尽可能保证对称性
– 选用合适的测量电路，如相敏检波电路
– 差动变压器的测量电路
• 差动相敏检波电路
• 差动整流电路
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第二节 差动变压器
• 电感式传感器的应用
–
–
–
–
位移测量
力和压力的测量
振动和加速度的测量
液位测量
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第三节 电涡流式传感器
– 电涡流式传感器可以对表面为金属导体的物体实现
多种物理量的非接触式测量。
• 电涡流式传感器的工作原理
– 当通过金属体的磁通发生变化时，就会在导体中产
生感生电流，以阻碍磁场的变化，这种电流在导体
中是自行闭合的，这就是电涡流。
– 电涡流的产生必然要消耗一部分能量，从而使产生
磁场的阻抗发生变化，这一物理现象称为电涡流效
应。
– 电涡流式传感器利用涡流效应，将非电量转换为阻
抗的变化而进行测量。
– 如使其他参数保持不变，阻抗的变化就可以反映线
圈到被测金属导体的距离的大小变化。
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第三节 电涡流式传感器
• 高频反射式电涡流式传感器
–
–
–
–
–
电流的频率大于20kHz
用于测量位移，应用广泛
由电涡流线圈和被测导体组成。
被测导体的电导率越高，传感器的灵敏度也越高。
被没导体的体积要求。
• 低频透射式电涡流式传感器
– 包括发射线圈和接收线圈，并分别位于被测材料的上、下方。
– 频率500Hz—2kHz
– 在发射线圈和接收线圈之间金属板是产生涡流，该电涡流消耗了部
分能量，使到达接收线圈的磁力线减小，从而引起u2的下降。
– 金属板越厚，电涡流损耗越大，u2就越小。
– 用来测量板的厚度。
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第三节 电涡流式传感器
• 测量电路
– 电桥电路
– 谐振法
• 电涡流式传感器的应用
–
–
–
–
–
–
测量位移
测量振动
测量转速
测量厚度
温度测量
接近开关。
第四章 电感式传感器
利用被测量的变化引起线圈自感或互感
系数的变化，从而导致线圈电感的改变。
分自感式和互感式两大类。
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第一节 自感式电感传感器
– 自感式电感传感器分为变间隙型、变面积型和螺管型三种类型。
• 自感式电感传感器的工作原理
– 变间隙型电感传感器
• 导体的磁阻与空气的磁阻相比很小，可以忽略故：
N 0 A
2
L
2
• 间隙与L成反比，灵敏度为非线性。
• 为了改善非线性，气隙的相对变化量要很小。
– 变面积型电感传感器
• 线圈电感量与面积A成正比，
• 灵敏度为线性
– 螺管型电感传感器
• 螺管型电感传感器的衔铁随被测对象移动，线圈磁力线路径上的磁阻发
生变化，线圈电感量也因此而变化。
• 线圈电感量的大小与衔铁插入线圈的深度成线性关系。
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第一节 自感式电感传感器
– 三种形式的电感式传感器比较
• 变间隙型电感传感器灵敏度高，但非线性误差大，测量范围小。
• 变面积型电感传感器灵敏度较变间隙型电感传感器小，但线性
好，，量程较大，使用比较广泛。
• 螺管型电感传感器灵敏度较低，但量程大，且结构简单易于制作
和批量生产，使用最广泛。
– 差动电感传感器
• 采用两个相同的传感器线圈共用一个衔铁，组成差动电感传感器。
• 差动电感传感器要求其结构完全对称。
• 改善线性、提高灵敏度，提高了抗干扰能力。
• 自感式电感传感器的测量电路
– 交流电桥：将线圈电感的变化转换为电桥电路的电压或
电流输出。
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第一节 自感式电感传感器
– 电阻平衡电桥
–ω L>>R’时
–
L U
L
2
0
U
– 交流电桥的输出电压与传感器线圈电感的相对变化量成
正比。
– 变压器电桥
– 当衔铁上下移动时
U Z
Uo
2 Z
• 输出电压反应了传感器线圈阻抗的变化，由于是交流信号，衔铁
位移的方向无法用仪表反应出来。
• 为了能反应衔铁的方向和大小可采用相敏检波电路。
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第一节 自感式电感传感器
• 带相敏整流的交流电桥
• 相敏整流的作用是将相位差为180º的交流信号分别转换为具有
正负极性的直流信号，以便能分辨衔铁运动的方向。
• 相敏整流的要求
– 高频交流电源和测量信号同频率
– 高频交流电源的幅值远大于测量信号的幅值
– 测量信号本身的相位差只能是0或180º。
• 4个二极管在高频交流电源的作用下分成两组轮流导通，高频交
流电源对负载的影响通过两个支路相互抵消。
• 负载的输出电压只与差动传感器的差值有关。
– 紧耦合电感电桥
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第二节 差动变压器
• 差动变压器的工作原理
• 差动变压器主要包括衔铁、一次绕组和二次绕组。
• 一次绕组和二次绕组间耦合能随衔铁的移动而变化，即绕组间的
互感随被位移改变而发生变化。
• 由于使用时两个二次绕组采用反向串接，以差动方式输出，故称
作差动变压器式电感传感器，简称差动变压器。
– 零点残余电压
• 主要由于差动变压器式制作上的不对称及铁芯位置等因素造成。
• 零点残余电压使输出特性在零点附近不灵敏，带来测量误差。
• 消除零点残余电压的方法：
– 尽可能保证对称性
– 选用合适的测量电路，如相敏检波电路
– 差动变压器的测量电路
• 差动相敏检波电路
• 差动整流电路
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第二节 差动变压器
• 电感式传感器的应用
–
–
–
–
位移测量
力和压力的测量
振动和加速度的测量
液位测量
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第三节 电涡流式传感器
– 电涡流式传感器可以对表面为金属导体的物体实现
多种物理量的非接触式测量。
• 电涡流式传感器的工作原理
– 当通过金属体的磁通发生变化时，就会在导体中产
生感生电流，以阻碍磁场的变化，这种电流在导体
中是自行闭合的，这就是电涡流。
– 电涡流的产生必然要消耗一部分能量，从而使产生
磁场的阻抗发生变化，这一物理现象称为电涡流效
应。
– 电涡流式传感器利用涡流效应，将非电量转换为阻
抗的变化而进行测量。
– 如使其他参数保持不变，阻抗的变化就可以反映线
圈到被测金属导体的距离的大小变化。
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第三节 电涡流式传感器
• 高频反射式电涡流式传感器
–
–
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–
电流的频率大于20kHz
用于测量位移，应用广泛
由电涡流线圈和被测导体组成。
被测导体的电导率越高，传感器的灵敏度也越高。
被没导体的体积要求。
• 低频透射式电涡流式传感器
– 包括发射线圈和接收线圈，并分别位于被测材料的上、下方。
– 频率500Hz—2kHz
– 在发射线圈和接收线圈之间金属板是产生涡流，该电涡流消耗了部
分能量，使到达接收线圈的磁力线减小，从而引起u2的下降。
– 金属板越厚，电涡流损耗越大，u2就越小。
– 用来测量板的厚度。
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第三节 电涡流式传感器
• 测量电路
– 电桥电路
– 谐振法
• 电涡流式传感器的应用
–
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–
测量位移
测量振动
测量转速
测量厚度
温度测量
接近开关。