测试技术电感式传感器

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1、 电感式传感器（Inductive transducer）是基于电磁感应原理，把被测量转化为电感量的一种装置。 被测物体的位移引起气隙磁阻的变化，从而引起线圈电感（自感或互感）的变化，当传感器线圈与测量电路连接后，可将电感的变化转换成电压、电流或频率的变化，完成从非电量到电量的转换。 按照转换方式的不同，电感式传感器可分为自感式、互感式（差动变压器式）、涡流式三种。 电感式传感器可以用来测量位移、振动、压力、应变、流量、比重等物理量参数。电感式传感器电感式传感器电感式传感器电感式传感器自感型自感型涡流式涡流式互感型互感型第1页/共44页第一页，编辑于星期三：九点 二十分。自感传感器工作原理 自

2、感型传感器Self-inductance transducers 自感传感器是将被测量的变化转换成线圈本身自感系数的变化的传感器。 自感式传感器实质上是一个带气隙的铁心线圈。 当被测位移量带动衔铁移动引起磁路中空气隙磁阻变化时，从而使线圈的电感发生变化。 接入电路后，便可将电感的变化转化成为电流、电压、频率的变化。第2页/共44页第二页，编辑于星期三：九点 二十分。自感传感器工作原理 根据磁路基本知识，线圈电感为：为磁通为磁路总磁阻为线圈匝数其中：磁动势磁路欧姆定律或者电磁感应定律,IFmm2mmmRWRWRWIWIWLRIWRIWLLIW当气隙较小（小于1mm）时，认为气隙磁场是均匀的。忽略

3、磁路铁损时，有：为真空磁导率，为空气隙总长度代表衔铁，代表铁芯，其中0000222111m221:S2SSSSxlxllllR第3页/共44页第三页，编辑于星期三：九点 二十分。0210202020202221112m222空气磁导率、因为铁心磁导率SWxSWlSWSlWSlSlSlWRWL因此： 改变气隙长度x（或）或改变气隙截面积S都可改变电感值L 与气隙长度x（或）呈非线性（双曲线）关系。第4页/共44页第四页，编辑于星期三：九点 二十分。变气隙式自感传感器xxSWLLxxxxSWLx-2-202020变为：电感量，传感器初始气隙变为时，衔铁上移则初始电感为，设传感器初始气隙为 仅改变气

4、隙长度的自感传感器称为变气隙式自感传感器。此时电感的变化由下式计算：第5页/共44页第五页，编辑于星期三：九点 二十分。变气隙式自感传感器102020202020122222-:xxxxxSWxxxxSWxxxxSWxSWxxSWLLLLxx时，电感变化量，衔铁上移设传感器初始气隙为xxLxxxxxxLL 0201可对上式进行化简：则：设根据泰勒级数展开式：n3211-1-111,aaaaaaa虽然虽然L L 与气隙长度与气隙长度x x（或（或）呈非线性（双曲线）关系，但）呈非线性（双曲线）关系，但L L 与气隙长度与气隙长度x x（或（或） x x呈线性关系。呈线性关系。第6页/共44页第六

5、页，编辑于星期三：九点 二十分。变气隙式自感传感器 变气隙式自感传感器 电感L的变化与气隙x的变化呈非线性关系， 灵敏度与气隙长度x的平方成反比，气隙x越小，灵敏度越高。 只是气隙小而可近似认为电感的变化L 与气隙长度变化值 x呈线性关系。 因此决定 这种传感器只能在很小范围内测量位移，适应于测量0.0011mm的位移值。线性范围x/x=0.10.2传感器的灵敏度为：2020112xkxxSWxLxLS单线圈灵敏度第7页/共44页第七页，编辑于星期三：九点 二十分。差动式变气隙式自感传感器 变气隙式传感器通常采用差动式， 它由两个电气参数和磁路完全相同的线圈组成，用一个衔铁构成差动电感式传感器

6、。 当衔铁移动时，铁心与衔铁之间距离一个增大另一个减小，负载上有电流流过，电桥失去平衡，有电压输出。通过测量该电压或电流就可测量衔铁位移大小。第8页/共44页第八页，编辑于星期三：九点 二十分。差动式变气隙式自感传感器第9页/共44页第九页，编辑于星期三：九点 二十分。差动式变气隙式自感传感器 xxLLxxSWxxLxxxxLxxxxxSWxxxSWxxSWxxSWLLLLL221211222222-0202020202220202022010 差动变气隙式电感传感器比单磁路电感传感器的总电感量和灵敏度都提高了一倍。还可证明，线性度提高了一个数量级。线性范围x/x=0.30.420201212

7、22xkxxxSWxLxL灵敏度第10页/共44页第十页，编辑于星期三：九点 二十分。变隙式差动电感传感器应用举例 当被测压力进入C形弹簧管时， C形弹簧管产生变形， 其自由端发生位移，带动与自由端连接成一体的衔铁运动，使线圈1和线圈2中的电感发生大小相等、符号相反的变化。即一个电感量增大，另一个电感量减小。 电感的这种变化通过电桥电路转换成电压输出。由于输出电压与被测压力之间成比例关系， 所以只要用检测仪表测量出输出电压， 即可得知被测压力的大小。 第11页/共44页第十一页，编辑于星期三：九点 二十分。变面积式自感传感器SLSSxSWxSWxSWxSSWLLLS2222-002020202

8、0K2WS02xL灵敏度仅改变气隙截面积的自感传感器称为变截面积式自感传感器。在忽略气隙边缘效应的条件下，电感的变化由下式计算：在忽略气隙边缘效应的条件下，输出自感L与S成线性关系，因此可望得到较大的线性范围，但是由于其灵敏度较低，限制了其应用。第12页/共44页第十二页，编辑于星期三：九点 二十分。螺旋管式自感传感器 螺旋管式自感传感器主要元件为一只螺旋管线圈和一根圆柱形铁芯。 传感器工作时，铁心在线圈中伸入长度的变化，引起螺旋管线圈的电感值的变化。 当用恒流源激励时，线圈的输出电压与铁芯的位移量有关，但是只有在线圈中段才有可能获得较高的灵敏度和较好的线性特性。第13页/共44页第十三页，编

9、辑于星期三：九点 二十分。螺旋管式自感传感器单螺管线圈型，当铁芯在线圈中运动时，将改变磁阻，使线圈自感发生变化。这种传感器结构简单，制造容易，但灵敏度低，适用于较大位移(数毫米)测量。本课程不作详细分析上电感值推导很困难。不均匀的，精确的理论线圈的轴向磁场分布是：线圈匝数：线圈的平均电流：线圈的平均直径：线圈长度为：其沿轴向的磁场强度对于有限长度的线圈，NIRl2xl4r2xl2xl4r2xl2lIHH2222W第14页/共44页第十四页，编辑于星期三：九点 二十分。本课程不作详细分析上电感值推导很困难。不均匀的，精确的理论线圈的轴向磁场分布是：线圈匝数：线圈的平均电流：线圈的平均直径：线圈长

10、度为：强度线圈，其沿轴向的磁场对于有限长度差动式的NRxr2x2xl4r2x2xl4r2x2HH222222IllllIW螺旋管式自感传感器双螺管线圈差动型，较之单螺管线圈型有较高灵敏度及线性，被用于电感测微计，其测量范围为0300mm，最小分辨力为0.5mm。这种传感器的线圈接于电桥，构成两个桥臀、线圈电感LI、L2随铁芯位移而变化。第15页/共44页第十五页，编辑于星期三：九点 二十分。DGC系列自感传感器系列自感传感器自感传感器 在自感式传感器中，螺管式自感传感器的灵敏度最低，在实际应用中却应用最广泛 (1)在自感式传感器中，虽然螺管式自感传感器的灵敏度最低，但示值范围大、线性也较好;

11、(2) 还具备自由行程可任意安排、制造装配方便、可互换性好等优点。 (3)由于具备了这些优点，而灵敏度低的问题可在放大电路方面加以解决，故目前螺管式自感传感器应用中最广泛。第16页/共44页第十六页，编辑于星期三：九点 二十分。自感传感器的测量电路 电感式传感器的测量电路有交流电桥式、 交流变压器式以及谐振式等几种形式。 （1）交流电桥式自感式传感器测量电路 图（a）所示为交流电桥测量电路, 把传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂Z1和Z2，另外二个相邻的桥臂用纯电阻代替, 对于高Q值（Q=L/R）的差动式电感传感器, 其输出电压：（a）交流电桥测量电路 （b）变压器式电桥图4- 7 自感式传感

12、器测量电路000002222ACACACACULLUjwLRLjwUZZUU第17页/共44页第十七页，编辑于星期三：九点 二十分。自感传感器的测量电路 （2）变压器式交流电桥自感式传感器测量电路 变压器式交流电桥测量电路如图（b）所示, 当负截阻抗为无穷大时, 桥路输出电压： 当传感器的衔铁处于中间位置, 有Uo=0, 电桥平衡。 当传感器衔铁上移时, 即Z1=Z+Z, Z2=Z-Z， 当传感器衔铁下移时, 则Z1=Z-Z, Z2=Z+Z, 从上面两式可知, 衔铁上下移动相同距离时, 输出电压的大小相等, 但方向相反, 由于是交流电压, 输出指示无法判断位移方向, 必须配合相敏检波电路来解决

13、。 时当时当时当ZZZZZZZZUZZZZZZZZUZZZZZZZUUZZUZU21212121212110-4-4022（b）变压器式电桥图4- 7 自感式传感器测量电路第18页/共44页第十八页，编辑于星期三：九点 二十分。自感传感器的测量电路 （3）谐振式自感式传感器测量电路 谐振式测量电路分为谐振式调幅电路、 谐振式调频电路。 在调幅电路中, 传感器电感L与电容C变压器原边串联在一起, 接入交流电源, 变压器副边将有电压输出, 输出电压的频率与电源频率相同, 而幅值随着电感L而变化, 图中同时给出了调幅电路输出电压与电感L的关系曲线, 其中L0为谐振点的电感值,此电路灵敏度很高, 但线

14、性差, 适用于线性要求不高的场合。 调频电路的基本原理是传感器电感L变化将引起输出电压频率的变化。一般是把传感器电感L和电容C接入一个振荡回路中, 其振荡频率为：当L变化时, 振荡频率随之变化, 根据f的大小即可测出被测量的值。图中同时给出了调频电路表示f与L的特性, 它具有明显的非线性关系。：LCf21 第19页/共44页第十九页，编辑于星期三：九点 二十分。电感式滚柱直径分选装置1-1-气缸 2-2-活塞 3-3-推杆 4-4-被测滚柱 5-5-落料管 6-6-电感测微器 7-7-钨钢测头 8-8-限位挡板 9-9-电磁翻板 10-10-容器（料斗）第20页/共44页第二十页，编辑于星期三

15、：九点 二十分。互感型-差动变压器式电感传感器 互感型传感器的利用电磁感应中的互感现象，将被测非电量(位移量) 转换成线圈互感的变化。 这种传感器实质上就是一个变压器。 由于常采用两个次级线圈组成差动式，故又称差动变压器式传感器（differential transducers）。 第21页/共44页第二十一页，编辑于星期三：九点 二十分。 差动变压器式传感器优点： 测量精度高，可达0.1m；稳定性好，使用方便。因而被广泛应用于直线位移，或可能转换为位移变化的压力、重量等参数的测量。第22页/共44页第二十二页，编辑于星期三：九点 二十分。 如图所示。当线圈W1输入交流电流时，线圈W2产生感应

16、电动势。其大小与电流i1的变化率成正比。 其为比例系数称为互感（M ) ,大小与两线圈相对位置及周围介质的导磁能力等因素有关，它表明两线圈之间的藕合程度。第23页/共44页第二十三页，编辑于星期三：九点 二十分。差动变压器式电感传感器结构 右图是各种差动传感器结构图。 根据结构形式的不同，差动变压器式传感器也有 变气隙式差动传感器、 变面积式差动传感器 螺旋管式差动传感器。第24页/共44页第二十四页，编辑于星期三：九点 二十分。差动变压器传感器工作原理第25页/共44页第二十五页，编辑于星期三：九点 二十分。差动变压器传感器工作原理 根据变压器原理，初级线圈作为差动变压器激励用，次级由结构尺

17、寸和参数相同的两个线圈反相串联而成，即：次级绕组用差动连接。当负载开路时，输出负载为：m21212B22m11212A21111212B2A2jjRWWIWMRWWIWMLREMMEEE第26页/共44页第二十六页，编辑于星期三：九点 二十分。 差动变压器的输出电压是交流量，其幅值与铁心位移成正比， 其输出电压如用交流电压表指示，输出值只能反映铁心位移的大小，不能反映移动的方向性。第27页/共44页第二十七页，编辑于星期三：九点 二十分。 式中： M1、M2分别为两个次级线圈和初级线圈之间的互感系数， R1、Rm1、Rm2分别为初级线圈和两个次级线圈的电阻 交流电压输出存在一定的零点残余电压。

18、零点残余电压是由于两个次级线圈结构不对称，以及初级线圈铜损电阻、铁磁材质不均匀、线圈间分布电容等原因所形成。所以，即使铁心处于中间位置时，输出也不为零。m2m112212111212121211RRWWLREELRMME输出电势有效值为：第28页/共44页第二十八页，编辑于星期三：九点 二十分。用于小位移的差动相敏检波电路的工作原理 一般差动变压器生产单位都配有专门的测量电路，提供给初级线圈几十至几百赫兹的激励电压，并将次级线圈中因位移引起的的电压变化量经处理后输出。一般要保证激励频率大于被测信号的最高频率的数倍至数十倍。 当没有信号输入时，铁芯处于中间位置，调节电阻R，使零点残余电压减小；当

19、有信号输入时，铁芯移上或移下，其输出电压经交流放大、相敏检波、滤波后得到直流输出。由表头指示输入位移量的大小和方向。 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，又能补偿零点残余电压的差动直流输出电路。第29页/共44页第二十九页，编辑于星期三：九点 二十分。相敏检波电路xm(t)y(t)adcbD4D3D2D1CRfufAB00 xm(t)x(t)tt0y(t)t0uf(t)tab相相敏敏检检波波efg第30页/共44页第三十页，编辑于星期三：九点 二十分。涡流式电感传感器涡流式电感传感器 Eddy-current transducers 涡流式传感器是基于电磁学中的涡

20、流效应工作的。 当金属板置于变化磁场中或者在磁场中运动时，在金属板中产生感应电流，这种电流在金属体内是闭合的，所以称为涡流。 涡流效应： 把一个扁平线圈置于一金属板附近，当线圈中通以高频交变电流i时，线圈中便产生交变磁通m1。 此交变磁通通过邻近的金属板，金属板上便会感应出电流ie。所感应出的电流在金属内呈体分布而且是环状闭合的，故称为涡电流或涡流。 根据楞次定律，所感应出的涡流也产生一磁通m2，其方向总是与m1相反，即抵抗原磁通m1的变化，这种现象称为涡流效应。第31页/共44页第三十一页，编辑于星期三：九点 二十分。涡流式电感传感器涡流式电感传感器 Eddy-current transdu

21、cers 根据楞次定律，由该涡电流产生的交变磁通1将与线圈产生的磁场方向相反，亦即1将抵抗的变化。由于该涡流磁场的作用，会使线圈的等效阻抗发生变化。第32页/共44页第三十二页，编辑于星期三：九点 二十分。),(WRIfZ 涡流式电感传感器涡流式电感传感器 Eddy-current transducers 线圈的等效阻抗可近似用下面的函数表示：其中：-激励电流的频率 -金属板的电阻率, W-线圈匝数 -金属板的磁导率, -线圈到金属板的距离, I-激励电流的强度. R-线圈半径涡流的大小与金属板的电阻率、磁导率、厚度，以及金属板与线圈距离、激励电流、角频率等参数有关。若固定其它参数，仅仅改变其

22、中某参数，就可以根据涡流大小测定该参数。涡流式电感传感器可分为高频反射式和低频透射式两类。第33页/共44页第三十三页，编辑于星期三：九点 二十分。(1)高频反射式涡流传感器 高频反射式涡流传感器 探头产生的高频磁场作用于金属板的表面，由于趋肤效应，高频磁场仅能作用在其表面的薄层内产生感应电流（涡流），该涡流产生的磁场又反过来作用在探头上，导致其上的电感线圈的电感及等效阻抗发生变化，通过检测电路测出阻抗Z的变化量，就能检测出被测导体的位移量。 当被测位移发生变化时，使线圈与金属板的距离发生变化，从而导致线圈阻抗L的变化，将L通过测量电路转化为电压输出，即可获得电感量的变化值。 高频反射式涡流传

23、感器常用于位移测量x第34页/共44页第三十四页，编辑于星期三：九点 二十分。 (2)低频透射式涡流传感器 低频透射式涡流传感器多用于测定材料厚度，其工作原理如图所示。 发射线圈和接收线圈分别放在被测材料的上下，低频(音频范围)电压加到发射线圈的两端后，在周围空间产生一交变磁场，并在被测材料中产生涡流，此涡流损耗了部分能量，使贯穿的磁力线减少，从而使接收线圈产生的感应电势e2减小。 感应电势e2的大小与被测材料的厚度及材料性质有关， 实验与理论证明，感应电势e2随材料厚度A增加按负指数规律减小，因而可测得材料的厚度。 被测导体的厚度一般要求大于两倍的涡流穿透深度才能使用低频透射式涡流传感器测量

24、。第35页/共44页第三十五页，编辑于星期三：九点 二十分。电涡流式传感器的应用电涡流式传感器可用于动态非接触测量，测量范围随传感器结构尺寸、线圈匝数和激磁频率而异，测量范围约为2.5250mm，其中测量线性范围为1.5mm。非线性小于3%。可用于动态非接触测量，分辨力可达1pm。 涡流式电感传感器对原始间隔要求不严格，因而调整比较方便。它结构简单，安装方便，灵敏度较高、抗干扰能力较强，不受油污等介质的影响等。 被测物体的材料形状、电导率、磁导率等因素都会影响测量结果。 被测导体的电阻率和相对导磁率越小，传感器的灵敏度越高。 被测对象面颊大小对传感器有较大的影响。 被测导体为圆柱体时，要求其直

25、径大于3.5倍涡流传感器线圈直径，否则，传感器的灵敏度不稳定。 电涡流式传感器可用于动态非接触测量，测量范围随传感器结构尺寸、线圈匝数和激磁频率而异， 测量范围约为2.5250mm，其中测量线性范围为1.5mm。非线性小于3%。可用于动态非接触测量，分辨力可达1pm。第36页/共44页第三十六页，编辑于星期三：九点 二十分。涡流传感器结构 近几年来涡电流式位移和振动测量仪、测厚仪和无损探伤仪等在机械、冶金工业中日益得到广泛应用。在径向振摆、回转轴误差运动、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可应用。第37页/共44页第三十七页，编辑于星期三：九点 二十分。电涡流式传感器的应用

26、 厚度测量：厚度测量： 利用涡流传感器测量金属板的厚度和非金属板的镀层厚度。第38页/共44页第三十八页，编辑于星期三：九点 二十分。电涡流式传感器的应用涡流探伤：涡流探伤：电涡流探伤基本原理是利用通有交流电的线圈产生交变磁场，使被测导体表面产生电涡流，而该涡流又会产生感应磁场作用于线圈，从而改变线圈的电参数。只要缺陷存在，就将使电涡流环发生畸变，测出这一变化就可以获得有关的缺陷信息。利用高频反射式涡流传感器可以无接触地检查金属的表面裂纹、热处理裂纹、焊接裂纹等。原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。第39页/共44页第三十九页，编辑于星期三：九点 二十分。连续油管的椭圆度测量连续油管的椭圆度测量C

27、oiled TubeEddy Sensor Reference Circle电涡流式传感器的应用第40页/共44页第四十页，编辑于星期三：九点 二十分。案例：案例： 无损探伤无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。火车轮检测火车轮检测油管检油管检测测电涡流式传感器的应用第41页/共44页第四十一页，编辑于星期三：九点 二十分。电涡流式传感器的应用第42页/共44页第四十二页，编辑于星期三：九点 二十分。电感式传感器特点 结构简单、可靠、测量力小 分辨率高 输入信号强 重现性好、线性度优良。 但是，存在交流零位信号，而且不适应于高频动态测量。第43页/共44页第四十三页，编辑于星期三：九点 二十分。感谢您的观看。第44页/共44页第四十四页，编辑于星期三：九点 二十分。