华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院测试技术与信号处理测试技术与信号处理三、电感式传感器三、电感式传感器 电感式传感器是基于电感式传感器是基于电磁感应原理电磁感应原理，它，它是把被测量（如位移、力、流量、振动）转化为是把被测量（如位移、力、流量、振动）转化为电感量的一种装置。电感量的一种装置。分类分类: :电感式传感器电感式传感器涡流式涡流式可变磁阻式可变磁阻式互感型互感型自感型自感型第三章第三章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院测试技术与信号处理测试技术与信号处理主要优点：主要优点： 1 1）结构简单、工作可靠；）结构简单、工作可靠； 2 2）灵敏度高，能分辨）灵敏度高，能分辨0.01m0.01m的位移变化；的位移变化； 3 3）测量精度高、零点稳定、输出功率较大；）测量精度高、零点稳定、输出功率较大； 4 4）可实现信息的远距离传输、记录、显示和控制，）可实现信息的远距离传输、记录、显示和控制，在工业自动控制系统中被广泛采用；在工业自动控制系统中被广泛采用；主要缺点：主要缺点： 1 1）灵敏度、线性度和测量范围相互制约；）灵敏度、线性度和测量范围相互制约； 2 2）自身频率响应低，不适用于快速动态测量。）自身频率响应低，不适用于快速动态测量。电感式传感器特点电感式传感器特点电感式电感式传感器传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院测试技术与信号处理测试技术与信号处理1.1.自感型自感型当衔铁随被测量当衔铁随被测量 x 变化而变化而上、下移动时，其与铁心上、下移动时，其与铁心间的气隙发生变化，磁路间的气隙发生变化，磁路磁阻随之变化，从而引起磁阻随之变化，从而引起线圈电感量的变化；通过线圈电感量的变化；通过测量电路转换成与位移成测量电路转换成与位移成比例的电量，实现了非电比例的电量，实现了非电量到电量的变换。量到电量的变换。（1 1）可变磁阻式）可变磁阻式结构原理如右图所示结构原理如右图所示1 1线圈线圈2 2铁心铁心3 3衔铁衔铁x电感式电感式传感器传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院测试技术与信号处理测试技术与信号处理线圈电感线圈电感L 由电工学可知，匝数为由电工学可知，匝数为N 的线的线圈电感为圈电感为式中式中 Rm 磁路总磁阻磁路总磁阻 如果空气气隙如果空气气隙d d 较小，且不考较小，且不考虑磁路的铁损，则总磁阻虑磁路的铁损，则总磁阻Rm式中式中 l 铁心导磁长度；铁心导磁长度；m m 铁心导磁率；铁心导磁率；A 铁心导磁截面积铁心导磁截面积 d d 气隙长度；气隙长度； m m0 0 空气导磁率；空气导磁率；A0 空气气隙导磁截面空气气隙导磁截面积积电感式电感式传感器传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院测试技术与信号处理测试技术与信号处理线圈电感线圈电感L 由电工学可知，匝数为由电工学可知，匝数为N 的线的线圈电感为圈电感为式中式中 Rm 磁路总磁阻磁路总磁阻 如果空气气隙如果空气气隙d d 较小，且不考较小，且不考虑磁路的铁损，则总磁阻虑磁路的铁损，则总磁阻Rm 因为铁心磁阻与空气气隙的磁因为铁心磁阻与空气气隙的磁阻相比较很小，计算时可以忽略不阻相比较很小，计算时可以忽略不计，则上式可简化为计，则上式可简化为电感式电感式传感器传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院测试技术与信号处理测试技术与信号处理自感型可变磁阻式传感器自感型可变磁阻式传感器的自感的自感 L变间隙型变间隙型传感器灵敏度：传感器灵敏度：S与气隙长度的平方成反比，与气隙长度的平方成反比， d d 愈小，愈小， S愈高；愈高； 同时同时存在非线性误差。为减小此误差，通常规定在较小间存在非线性误差。为减小此误差，通常规定在较小间隙变化范围内使用，一般取隙变化范围内使用，一般取 D Dd d /d d 00.1。这种传。这种传感器适用于较小位移（感器适用于较小位移（0.0011mm）的测量。）的测量。电感式电感式传感器传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院测试技术与信号处理测试技术与信号处理可变导磁面积型可变导磁面积型差动型差动型可变磁阻式传感器的典型结构可变磁阻式传感器的典型结构变间隙型变间隙型变面积型变面积型单螺旋管线圈型单螺旋管线圈型双螺旋管线圈型双螺旋管线圈型用于电感测微计，用于电感测微计，常用测量范围为常用测量范围为0300m mm，最小分，最小分辨力为辨力为0.5m mm，接，接在交流电桥的相邻在交流电桥的相邻两桥臂。两桥臂。当铁心在线圈中运动时，改变磁阻，使线圈自感发当铁心在线圈中运动时，改变磁阻，使线圈自感发生变化。这种传感器结构简单、制造容易，但灵敏生变化。这种传感器结构简单、制造容易，但灵敏度低，适用于较大位移（数毫米）测量。度低，适用于较大位移（数毫米）测量。电感式电感式传感器传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院测试技术与信号处理测试技术与信号处理电感式接近传感器（金属）电感式接近传感器（金属）电感式电感式传感器传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院测试技术与信号处理测试技术与信号处理（2 2）涡流式）涡流式原理原理: :涡电流效应涡电流效应 涡流式传感器是利用涡电流效应进行工作的。涡流式传感器是利用涡电流效应进行工作的。由于结构简单、灵敏度高、频响范围宽、不受油污等由于结构简单、灵敏度高、频响范围宽、不受油污等介质的影响，并能进行非接触测量，适用范围广。介质的影响，并能进行非接触测量，适用范围广。涡电流涡电流：金属块放在变化：金属块放在变化的磁场中，穿过金属块的的磁场中，穿过金属块的磁通量发生变化时，金属磁通量发生变化时，金属块内部就会产生感应电流，块内部就会产生感应电流，该电流在金属块内部形成该电流在金属块内部形成闭合回路，就像旋涡一样，闭合回路，就像旋涡一样，故称为涡电流。故称为涡电流。电感式电感式传感器传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院测试技术与信号处理测试技术与信号处理 通常把电涡流传感器按激磁电源频率高低分为两通常把电涡流传感器按激磁电源频率高低分为两大类：大类：高频反射式电涡流传感器高频反射式电涡流传感器和低频透射式电涡流和低频透射式电涡流传感器，传感器，前者用于非接触式位移变量的检测前者用于非接触式位移变量的检测，后者仅，后者仅用于金属板厚度的测量。用于金属板厚度的测量。 高频反射式高频反射式原理图原理图 根根据据楞楞次次定定律律，涡涡电电流流的的交交变变磁磁场场 F F1 1 与与线线圈圈的的磁磁场场 F F 变变化化方方向向相相反反，F F1 1 总总是是抵抵抗抗 F F 的的变变化化。由由于于涡涡流流磁磁场场对对导导磁磁材材料料的的作作用用以以及及气气隙隙对对磁磁路路的的影影响响，便便原原线线圈圈的的等等效效阻阻抗抗 Z 发发生生变变化化，变变化化程程度度与与距距离离 d d 有有关。关。电感式电感式传感器传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院测试技术与信号处理测试技术与信号处理 分析表明，影响高频线圈阻抗分析表明，影响高频线圈阻抗 Z Z 的因素，除的因素，除了线圈与金属板间距离了线圈与金属板间距离 d d 以外，还有金属板的电阻以外，还有金属板的电阻率率r r ，磁导率磁导率 m m 以及线圈激磁圆频率以及线圈激磁圆频率 w w 等。当改变等。当改变其中某一因素时，即可达到不同的变换目的。例如，其中某一因素时，即可达到不同的变换目的。例如，变化变化 d d ，可作为位移、振动测量；变化，可作为位移、振动测量；变化 r r 或或 m m 值，值，可作为材质鉴别或探伤等。可作为材质鉴别或探伤等。电感式电感式传感器传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院测试技术与信号处理测试技术与信号处理高频反射式电涡流传感器测量电路高频反射式电涡流传感器测量电路 根据电涡流效应原理和等效电路根据电涡流效应原理和等效电路, ,电涡流传感电涡流传感器输出的测量电路有以下两种形式。器输出的测量电路有以下两种形式。阻抗分压式调幅电路阻抗分压式调幅电路调频电路调频电路电感式电感式传感器传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院测试技术与信号处理测试技术与信号处理调频电路调频电路d dd d D Dd d金属板与传感金属板与传感器之间的距离器之间的距离电感式电感式传感器传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院测试技术与信号处理测试技术与信号处理低频透射式电涡流传感器低频透射式电涡流传感器电感式电感式传感器传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院测试技术与信号处理测试技术与信号处理 电涡流传感器电涡流传感器可用于动态非接触测量，测量范围视可用于动态非接触测量，测量范围视传感器结构、线圈匝数和励磁频率而定，一般从传感器结构、线圈匝数和励磁频率而定，一般从( (110) mm) mm，最高分辨力可达，最高分辨力可达0.1m 0.1m 。此外，具有此外，具有结构简单、使用方便、不受油污等介质的影响等结构简单、使用方便、不受油污等介质的影响等优点。优点。因此，近年来涡流式位移和振动测量仪、测厚仪和无因此，近年来涡流式位移和振动测量仪、测厚仪和无损检测探伤仪等在机械、冶金等部门中日益得到广泛损检测探伤仪等在机械、冶金等部门中日益得到广泛应用，在径向振摆、回转轴运动误差、转速和厚度测应用，在径向振摆、回转轴运动误差、转速和厚度测量，以及在零件计数、表面裂纹和缺陷测量中都有应量，以及在零件计数、表面裂纹和缺陷测量中都有应用，如图所示。用，如图所示。电感式电感式传感器传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院测试技术与信号处理测试技术与信号处理电涡流传感器应用实例电涡流传感器应用实例电感式电感式传感器传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院测试技术与信号处理测试技术与信号处理电涡流传感器产品电涡流传感器产品电感式电感式传感器传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院测试技术与信号处理测试技术与信号处理案例：连续输油管的椭圆度测量案例：连续输油管的椭圆度测量Coiled TubeEddy Sensor Reference Circle电感式电感式传感器传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院测试技术与信号处理测试技术与信号处理案例：无损探伤案例：无损探伤原理原理：裂纹检测，缺陷造成：裂纹检测，缺陷造成 涡流变化。涡流变化。火车轮检测火车轮检测油管检测油管检测电感式电感式传感器传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院测试技术与信号处理测试技术与信号处理2.2.互感型互感型差动变压器式电感传感器差动变压器式电感传感器M比例系数，称为互感（比例系数，称为互感（H H）工作原理工作原理: :互感现象互感现象如图所示如图所示 当线圈当线圈W1 输入输入交流电流交流电流 i1时，时，线圈线圈W2 产生感应电势产生感应电势 e12 ，其大小与电流变化率，其大小与电流变化率 i1成正比，即成正比，即电感式电感式传感器传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院测试技术与信号处理测试技术与信号处理互感型互感型差动变压器差动变压器输出电压：输出电压：Ew铁铁心心e1e2e0WW1W2x铁铁心心电感式电感式传感器传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院测试技术与信号处理测试技术与信号处理 差动变压器的输出电压是差动变压器的输出电压是交流量，其幅值与铁心位移成交流量，其幅值与铁心位移成正比，输出值如用正比，输出值如用交流电表交流电表指指示，只能反映铁心位移的大小，示，只能反映铁心位移的大小，不反映移动的方向性不反映移动的方向性。其次，。其次，交流电压输出存在一定的零点交流电压输出存在一定的零点残余电压残余电压。它是由于两个二次。它是由于两个二次侧线圈结构不对称，以及一次侧线圈结构不对称，以及一次侧线圈铜损电阻、铁磁质材料不均匀、线圈间分布电侧线圈铜损电阻、铁磁质材料不均匀、线圈间分布电容等原因形成。所以，即使铁心处于中间位置时，输容等原因形成。所以，即使铁心处于中间位置时，输出也不为零。为此，差动变压器式传感器的后接电路出也不为零。为此，差动变压器式传感器的后接电路形式，需要采用既能反映铁心位移方向性，又能补偿形式，需要采用既能反映铁心位移方向性，又能补偿零点残余电压的零点残余电压的差动直流输出电路差动直流输出电路。电感式电感式传感器传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院测试技术与信号处理测试技术与信号处理差动相敏差动相敏测量电路原理测量电路原理 上图是一种用于小位移测量的差动相敏检波电上图是一种用于小位移测量的差动相敏检波电路工作原理图。路工作原理图。在没有输入信号时，让铁心处于中间在没有输入信号时，让铁心处于中间位置，调节电阻位置，调节电阻 R，使零点残余电压减小，使零点残余电压减小；当有输入；当有输入信号时，铁心移上或移下，其输出电压经交流放大、信号时，铁心移上或移下，其输出电压经交流放大、相敏检波、滤波后得到直流输出，由表头指示输入位相敏检波、滤波后得到直流输出，由表头指示输入位移量大小和方向。移量大小和方向。电感式电感式传感器传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院测试技术与信号处理测试技术与信号处理 差动变压器式电感传感器具有精确度高差动变压器式电感传感器具有精确度高 ( (最高分最高分辨力可达辨力可达0.1m mm) )、线性范围大、线性范围大 ( (可扩展到可扩展到 100mm) )、稳定性好和使用方便的、稳定性好和使用方便的特点特点，被广泛用，被广泛用于直线位移测定。但其实际测量频率上限受到传感于直线位移测定。但其实际测量频率上限受到传感器机械结构的限制。器机械结构的限制。借助于弹性元件可以将压力、重量等物理量转换为借助于弹性元件可以将压力、重量等物理量转换为位移的变化，故也将这类传感器用于压力、重量等位移的变化，故也将这类传感器用于压力、重量等物理量的测量。物理量的测量。 应用：应用：厚度，角度，表面粗糙度；拉伸，压缩，厚度，角度，表面粗糙度；拉伸，压缩， 垂直度；压力，流量，液位；张力，垂直度；压力，流量，液位；张力，重力，重力， 负荷量；扭矩，应力，动力；气压，负荷量；扭矩，应力，动力；气压，温度；温度； 振动，速度，加速度，等。振动，速度，加速度，等。电感式电感式传感器传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院测试技术与信号处理测试技术与信号处理差动变压器位移传感器差动变压器位移传感器电感式电感式传感器传感器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院测试技术与信号处理测试技术与信号处理案例：案例：板的厚度测量板的厚度测量 案例：案例：张力测量张力测量电感式电感式传感器传感器