《傳感器原理與應(yīng)用（第2版）》第8章 電感傳感器

8.1自感式電感傳感器

8.2

差動(dòng)變壓器8.3渦流傳感器

8.4

思考題電感傳感器是利用線圈自感或互感的變化實(shí)現(xiàn)測(cè)量的一種傳感器。它的基本轉(zhuǎn)換原理是將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電感量的變化。因此，電感傳感器可以分為自感式和互感式兩大類。電感傳感器與其他傳感器相比，有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，可以測(cè)微小的被測(cè)量；（2）分辨率高，最小刻度可達(dá)0.1m；（3）零點(diǎn)漂移少，可達(dá)0.1m；（4）測(cè)量精度高，線性度好；（5）輸出功率大，即使不用放大器一般也有（0.1～5）V/mm的輸出。電感傳感器的主要缺點(diǎn)是：不宜動(dòng)態(tài)測(cè)量，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。8.1自感式電感傳感器8.1.1自感式電感傳感器的結(jié)構(gòu)自感式電感傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖8-1所示，它主要用來(lái)測(cè)量位移或者是可以轉(zhuǎn)換成位移的被測(cè)量。圖8-1自感式電感傳感器結(jié)構(gòu)示意圖1—線圈；2—鐵心；3—銜鐵；4—測(cè)桿；5—導(dǎo)軌；6—工件1．變氣隙式結(jié)構(gòu)電感傳感器自感式傳感器的輸出特性如圖8-2所示。由若A為常數(shù)，則電感量L與氣隙厚度δ成反比，即L=f(1/)，其結(jié)構(gòu)如圖8-1（a）所示。輸出特性如圖8-2（a）所示，其中，1是實(shí)際特性，2是理想特性。由圖8-2（a）可見(jiàn)其輸出特性為非線性。這種傳感器靈敏度為越小，靈敏度越高。為提高靈敏度并保證一定的線性度，傳感器只能工作在很小的區(qū)域，因而只能用于微小位移的測(cè)量。圖8-2自感式傳感器的輸出特性2．變截面積式結(jié)構(gòu)電感傳感器由式若保持氣隙厚度為常數(shù)，則L=fA，且Ｌ與A成正比。其結(jié)構(gòu)如圖8-1（b）所示。其靈敏度為一常數(shù)，應(yīng)該說(shuō)它的輸出特性是線性的，但由于漏電感等原因，其線性區(qū)較小，圖8-2（b）是這種結(jié)構(gòu)傳感器的輸出特性。為了提高靈敏度，常將做得較小，這種類型的傳感器由于結(jié)構(gòu)的限制，它的被測(cè)位移量也不大。為了增大測(cè)量范圍，常做成螺管式結(jié)構(gòu)。3．螺管式結(jié)構(gòu)電感傳感器螺管式結(jié)構(gòu)電感傳感器，由一只螺管線圈和一根柱型銜鐵組成。當(dāng)被測(cè)量作用在銜鐵上時(shí)，會(huì)引起銜鐵在線圈中伸入長(zhǎng)度的變化，從而引起電感量的變化。這種傳感器銜鐵在螺管中間部分工作時(shí)，可以認(rèn)為線圈內(nèi)磁場(chǎng)是均勻的。此時(shí)，電感與銜鐵插入深度成正比。但這種結(jié)構(gòu)靈敏度低，且為了獲得線性輸出，被測(cè)位移也不會(huì)太大。4．差動(dòng)式結(jié)構(gòu)自感電感傳感器上述三種結(jié)構(gòu)的自感傳感器，雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但存在缺點(diǎn)，如線圈流向負(fù)載的電流不可能為零，銜鐵受有引力，線圈電阻易受溫度等外界干擾，不能反映被測(cè)量的變化方向（因電流只有一個(gè)方向）。因此，實(shí)際應(yīng)用中，上述結(jié)構(gòu)較少使用，而常采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。圖8-3是差動(dòng)式結(jié)構(gòu)自感傳感器的原理圖，將有公共銜鐵的兩個(gè)相同的單個(gè)線圈的電感傳感器連在—起，當(dāng)銜鐵位移為零時(shí)，即銜鐵處于中間位置時(shí)，L1=L2，Z1=Z2，U0=0。當(dāng)銜鐵有位移時(shí)，一個(gè)氣隙增加，而另一個(gè)氣隙減小，則一個(gè)線圈電感增加，另一個(gè)線圈電感減小，形成差動(dòng)形式，此時(shí)L1≠L2，Z1≠Z2，有一定的輸出電壓值。銜鐵移動(dòng)方向不同，輸出電壓的極性也不同。差動(dòng)式結(jié)構(gòu)自感傳感器不僅能消除上述自感傳感器的缺點(diǎn)，且能提高靈敏度，減小非線性誤差。圖8-3差動(dòng)式結(jié)構(gòu)自感傳感器原理圖1—線圈；2—鐵心；3—銜鐵；4—測(cè)桿；5—導(dǎo)軌如假設(shè)銜鐵上移為d

，則有當(dāng)時(shí)，式中的可以忽略不計(jì)。則差動(dòng)式結(jié)構(gòu)自感傳感器輸出特性如圖8-4所示。其中1是圖8-3中上面單線圈自感傳感器的輸出特性，2是下面單線圈自感傳感器的輸出特性，3是差接后的輸出特性。由此可以看出，差動(dòng)式結(jié)構(gòu)自感傳感器的輸出特性得到了改善。=圖8-4差動(dòng)式結(jié)構(gòu)自感傳感器輸出特性8.1.2自感式電感傳感器的應(yīng)用1．JGH型電感測(cè)厚儀當(dāng)被測(cè)物體的厚度變化使電感測(cè)厚儀的感辨頭帶動(dòng)差動(dòng)式結(jié)構(gòu)自感傳感器的銜鐵位置發(fā)生變化，從而引起L的差動(dòng)變化。測(cè)量電路采用圖8-5所示的JGH型電感測(cè)厚儀電路。圖8-5JGH型電感測(cè)厚儀電路自感傳感器的兩個(gè)差動(dòng)線圈L1和L2作為電橋兩相鄰的橋臂，另兩相鄰的橋臂采用電容C1和C2，并且使用4只二極管VD1～VD4作為相敏整流器。在相敏整流器的輸出端，用指示器V指示。二極管中串聯(lián)４個(gè)電阻R1～R4作附加電阻使用，目的是減少由于溫度變化而引起的誤差，故選用溫度系數(shù)小的繞線電阻。電橋的電源對(duì)角線是由變壓器提供的。變壓器的原邊用磁鐵和穩(wěn)壓器R7和C4。C3起濾波作用，RP1調(diào)節(jié)電橋電路的零位，RP2用來(lái)調(diào)節(jié)指示器滿刻度，SD為指示燈。圖8-5中使用相敏整流電路的目的，是使輸出電壓的極性能真正反映銜鐵的移動(dòng)方向，從而確定厚度是增加還是減小。2．GDH型電感測(cè)微儀圖8-6是這種傳感器的結(jié)構(gòu)圖，從圖中可以看出，這是差動(dòng)式自感傳感器。當(dāng)在測(cè)端有微小位移作用時(shí)，則測(cè)桿帶動(dòng)銜鐵移動(dòng)，改變了差動(dòng)電感傳感器的截面積，線圈電感差動(dòng)變化，通過(guò)電纜接到電橋。圖8-7是GDH型電感測(cè)微儀的測(cè)量電路。電橋由振蕩器二次側(cè)線圈和傳感器電感組成，其輸出信號(hào)送入由R1到R4組成的量程切換器。被測(cè)信號(hào)被放大后經(jīng)電容C8送入相敏檢波電路，最終由儀表顯示出來(lái)。圖8-6GDH型電感測(cè)微儀結(jié)構(gòu)圖1—引線電纜；2—固定磁筒；3—銜鐵；4—線圈；5—彈簧，用來(lái)傳導(dǎo)測(cè)段感受的作用力；6—防轉(zhuǎn)銷；7—導(dǎo)軌；8—測(cè)桿；9—密封套；10—測(cè)端

當(dāng)沒(méi)有位移作用在測(cè)端，兩線圈電感相等，電橋平衡，無(wú)輸出信號(hào)。若銜鐵偏離中間位置，電橋有電壓輸出，幅值與銜鐵位移成正比。圖8-7中的相敏檢波電路和圖8-5的整流電路原理相同，是為了使輸出電壓極性真正反映銜鐵位移的方向，即被測(cè)位移的方向。圖8-7電感測(cè)微儀測(cè)量電路圖3．電感傳感器在仿形機(jī)床中的應(yīng)用電感傳感器采用的是將被加工工件與標(biāo)準(zhǔn)件放在同一框架上，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)件沿傳感器探頭旋轉(zhuǎn)時(shí)，使得銜鐵處于線圈內(nèi)部的位置不同，傳感器輸出不同極性和大小的電壓，這個(gè)電壓使電機(jī)以不同方向和轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，拖動(dòng)框架上下移動(dòng)，同時(shí)由于銑刀始終在旋轉(zhuǎn)，因此可以在不同的位置加工被加工的工件。仿型機(jī)床中的電感傳感器示意圖如圖8-8所示。圖8-8仿型機(jī)床中的電感傳感器示意圖1—標(biāo)準(zhǔn)件；2—測(cè)量端；3—電感測(cè)微儀；4—銑刀框架；5—立柱；6—伺服電動(dòng)機(jī)；7—銑刀；8—毛坯（被加工工件）8.2差動(dòng)變壓器8.2.1差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)原理與測(cè)量電路本節(jié)討論的差動(dòng)變壓器是將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成互感變化的電感傳感器。傳感器本身相當(dāng)于一個(gè)變壓器，且變壓器副邊有兩組線圈進(jìn)行差動(dòng)反向串聯(lián)連接。原邊與副邊的相互作用靠互感系數(shù)的存在，因此互感傳感器又稱為差動(dòng)變壓器。圖8-9所示是差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)示意圖。差動(dòng)變壓器由三組線圈組成，這種結(jié)構(gòu)可以用圖8-10的等效形式表示。當(dāng)一次側(cè)線圈加入激勵(lì)電壓；二次側(cè)繞組會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)式中，為激勵(lì)電源角頻率；M1,M2為一次側(cè)線圈N21與二次側(cè)線圈N22之間的互感；為一次側(cè)線圈的激勵(lì)電流。它們的方向如圖8-10所示（同名端標(biāo)于圖中），由于N21,N22差動(dòng)連接，所以空載時(shí)輸出電壓為w

=-圖8-9差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)示意圖圖8-10差動(dòng)變壓器等效形式1—一次線圈；2—二次線圈（兩組）；3—銜鐵；4—測(cè)桿若兩個(gè)二次側(cè)線圈的參數(shù)及磁路尺寸相等，則當(dāng)銜鐵處于中間位置時(shí)，M1=M2=M，則有若銜鐵偏離中間位置向下移動(dòng)，則同理，銜鐵偏離中間位置上移時(shí)，則，將兩式綜合則有這里要注意，式中的“+”“-”號(hào)不絕對(duì)表示輸出電壓的極性。為此，若要以電壓極性表示位移的方向，同樣需要相敏整流或檢波電路。有了這樣的電路，差動(dòng)變壓器的輸出特性如圖8-11所示。=0。M1=MM2=M

M1=M

M2=M

圖中x表示被測(cè)位移（大小、方向），若不接相敏電路，鐵心處于中央位置時(shí)，本應(yīng)輸出電壓為零，而在實(shí)際特性中，出現(xiàn)了零點(diǎn)殘余電壓（圖8-11中1），這主要是由于兩組次級(jí)線圈的不完全對(duì)稱以及激勵(lì)電壓存在高次諧波，這個(gè)電壓給測(cè)量帶來(lái)誤差。若采用相敏整流電路，可以看到差動(dòng)變壓器的輸出不僅消除了零點(diǎn)殘余電壓，且能從電壓輸出極性反映被測(cè)位移的方向（圖8-11中2）。圖8-11差動(dòng)變壓器的輸出特性如圖8-12為CPC型差壓傳感器的測(cè)量電路。圖中的相敏整流部分是由兩個(gè)晶體二極管VD5,VD6和電阻R7,R8以及分別包含在R7,R8電路中的電位器RP1組成。RP1是用來(lái)平衡R7,R8的電阻差值，以調(diào)節(jié)儀器的零點(diǎn)。VD5,VD6分別對(duì)差動(dòng)變壓器兩個(gè)次級(jí)線圈的電壓進(jìn)行整流，并在其相應(yīng)的負(fù)載電阻R7,R8上得到一個(gè)極性相反的直流電壓，這兩個(gè)電壓的差值即為被送到直流毫伏表上的輸出量。當(dāng)被測(cè)位移為零時(shí)，即差動(dòng)變壓器銜鐵（鐵心）處在中間位置時(shí)，在R7,R8上的直流電壓相等，輸出為零。當(dāng)有位移時(shí)，鐵心偏離中心位置，在毫伏計(jì)上得到與鐵心位移成正比的直流電壓。RP2用來(lái)調(diào)節(jié)儀表的靈敏度。圖8-12CPC型差壓傳感器的測(cè)量電路8.2.2差動(dòng)變壓器的應(yīng)用1．微動(dòng)同步器圖8-13微動(dòng)同步器原理圖檢測(cè)小角度機(jī)械轉(zhuǎn)角（±10°）通常采用微動(dòng)同步器。微動(dòng)同步器如圖8-13所示。Us是激磁電壓，Uo是輸出電壓，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)小角度時(shí)，改變了兩組次級(jí)繞組的互感而引起輸出電壓變化，微動(dòng)同步器的分辨率高，線性度好，壽命長(zhǎng)。缺點(diǎn)是動(dòng)態(tài)范圍小且需相敏整流或檢波，其主要性能指標(biāo)為：測(cè)量范圍：10°；分辨率：2”；靈敏度：35mV/rad；零位電壓：≤±3%；圖8-14差動(dòng)變壓器式線性位移傳感器結(jié)構(gòu)原理圖工作溫度：(-40～+50)℃；電源：9V（AC），1200Hz。圖8-13微動(dòng)同步器原理圖2．差動(dòng)變壓器式線性位移傳感器差動(dòng)變壓器式線性位移傳感器是將被測(cè)位移轉(zhuǎn)換成差動(dòng)變壓器鐵心的位置變化，從而引起差動(dòng)變壓器輸出電壓的變化，其結(jié)構(gòu)原理如圖8-14所示。這種傳感器的分辨率高，線性度好，但缺點(diǎn)是有殘余電壓會(huì)引起測(cè)量誤差，其主要性能指標(biāo)為：測(cè)量范圍：1mm～1000mm；線性度：0.1%～0.5%；分辨率：0.01。圖8-14差動(dòng)變壓器式線性位移傳感器結(jié)構(gòu)原理圖3．差動(dòng)變壓器壓力傳感器圖8-15是YST-1型壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖與測(cè)量電路。圖8-15（a）是傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。當(dāng)被測(cè)壓力導(dǎo)入膜盒時(shí)，膜盒中心產(chǎn)生的位移作用在測(cè)桿上，并帶動(dòng)銜鐵引起位移，使差動(dòng)變壓器產(chǎn)生輸出。圖8-15（b）是這種傳感器的測(cè)量電路。220V交流電通過(guò)變壓整流、濾波、穩(wěn)壓后，被VT1,VT2三極管組成的振蕩器轉(zhuǎn)變?yōu)?V,1000Hz的穩(wěn)定交流電壓，作為該傳感器的激磁電壓。差動(dòng)變壓器二次側(cè)電壓通過(guò)相敏檢波電路，輸出電壓為（0～50）mV。圖8-15YST-1型壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖與測(cè)量電路1—輸入的壓力；2—膜盒；3—導(dǎo)線；4—印刷電路板；5—差動(dòng)線圈；6—銜鐵；7—變壓器；8—罩；9—指示燈；10—安裝座；11—底座4．差動(dòng)變壓器測(cè)速傳感器差動(dòng)變壓器測(cè)速的原理如圖8-16所示。原邊勵(lì)磁電流由交、直流同時(shí)供給，即i(t)=I0+IAsint式中，I0為直流電；IA為交流電流幅值。若差動(dòng)變壓器鐵心以速度dx/dt移動(dòng)，則差動(dòng)變壓器的副邊產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)為e=-d[M(x)i(t)]/dt圖8-16差動(dòng)變壓器測(cè)速原理圖式中，M(x)為原邊、副邊的互感系數(shù)。M0(x)=M0-M(x)

M2(x)=M0+M(x)M0是x=0時(shí)（鐵心在中間）的互感系數(shù)，M(x)是鐵心有位移時(shí)的互感系數(shù)變化量，它是隨位移x的變化而變化的，即M(x)＝K

x（K是常數(shù)）。所以，若鐵心有位移，兩組副邊繞阻的感應(yīng)電勢(shì)的差值為e=2K

I0dx/dt+2KIAdx/dtsint+2

KIA

xcost為勵(lì)磁電流的角頻率，可以用低通濾波器濾除，則有e=2K

I0dx/dt此式說(shuō)明，輸出電壓正比于dx/dt，即被測(cè)速度。圖8-17是這種傳感器的測(cè)量電路圖。這種傳感器線性度較好，輸出電壓最大可達(dá)10V，檢測(cè)范圍在（10～200）mm/s內(nèi)可調(diào)。圖8-17差動(dòng)變壓器測(cè)速傳感器測(cè)量電路圖8.3渦流傳感器8.3.1渦流傳感器原理如果通過(guò)金屬導(dǎo)體中的磁通發(fā)生變化，就會(huì)在閉合的導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流。這種電流像水中的旋渦那樣，它的流線在金屬體內(nèi)是自行閉合的，通常稱之為渦流，這種現(xiàn)象稱為渦流效應(yīng)。電渦流的產(chǎn)生，必然要消耗一部分磁場(chǎng)能量，從而使產(chǎn)生磁場(chǎng)的線圈阻抗發(fā)生變化。電渦流傳感器就是基于這種渦流效應(yīng)。渦流傳感器原理圖如圖8-18所示。圖8-18中，有一塊電導(dǎo)率為，磁導(dǎo)率為，厚度為t的金屬板，離金屬板x處有一半徑為r的線圈，當(dāng)線圈通上正弦交流電I時(shí)（角頻率為w），線圈周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)H1；而處于H1中的金屬板中將產(chǎn)生電渦流I2，這個(gè)電渦流產(chǎn)生H2，且H1的方向與H2方向相反。激勵(lì)電流線圈有效阻抗Z與下列參數(shù)有關(guān)，即Z=f（，，r，x，t，I，w）若改變這些參數(shù)中的任一物理量，都將引起Z的變化，這就是渦流傳感器的原理。圖8-18渦流傳感器原理圖

利用這種渦流現(xiàn)象，可以把距離x的變化變換為Z的變化，從而做成位移、振幅、厚度等傳感器；也可利用這種渦流效應(yīng)，把電導(dǎo)率d

的變化變換為Z的變化，從而做成表面溫度、電解質(zhì)濃度、材質(zhì)判別等傳感器；還可利用磁導(dǎo)率的變化變換為Z的變化，從而做成應(yīng)力、硬度等傳感器。這類傳感器的測(cè)量范圍大、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)，不受介質(zhì)影響，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，且不需要接觸測(cè)量，因此廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和科研領(lǐng)域，尤其是在高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械中，測(cè)量旋轉(zhuǎn)軸的軸向位移和徑向振動(dòng)以及連續(xù)遠(yuǎn)距離監(jiān)控等方面發(fā)揮著獨(dú)特的優(yōu)越性。渦流傳感器的等效電路如圖8-19所示，是接入線圈的勵(lì)磁電壓和勵(lì)磁電流，線圈的等效電阻和等效電感用R1,L1表示，金屬體上產(chǎn)生的渦流用一閉合的線圈表示，電阻為R2，電感為L(zhǎng)2，渦流電流為I2。這樣，勵(lì)磁線圈最終在導(dǎo)體上產(chǎn)生渦流的實(shí)質(zhì)，是由于兩者之間存在互感M的原因。圖8-19渦流傳感器等效電路8.3.2渦流傳感器的應(yīng)用1．線性位移傳感器被測(cè)位移作用于金屬板，改變了金屬板與渦流探頭（激勵(lì)線圈）的距離，從而引起探頭有效阻抗Z的變化，如圖8-20是CZF型位移傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。圖中，敏感頭由矩形截面線圈和骨架組成，傳感器殼體用于夾持敏感頭的金屬部分，探頭阻抗的改變經(jīng)接頭接入測(cè)量電路，就可得到電壓或電流的輸出。其主要性能指標(biāo)：測(cè)量范圍：1mm～100mm；線性度：1%～3%；分辨率：0.05m。線性位移傳感器廣泛應(yīng)用于檢測(cè)試件的位移、金屬厚度、監(jiān)視和控制液位。圖8-20CZF型位移傳感器結(jié)構(gòu)原理圖2．渦流式轉(zhuǎn)速傳感器渦流式轉(zhuǎn)速傳感器電路框圖如圖8-21所示，在被測(cè)軸上開(kāi)一個(gè)凹槽，靠近軸表面安裝渦流探頭。軸轉(zhuǎn)動(dòng)（如圖示位置），渦流探頭感受到軸表面的位置變化，傳感器激勵(lì)線圈的電感隨之改變（軸轉(zhuǎn)一圈，變化一次），振蕩器的頻率變化一次，通過(guò)檢波器轉(zhuǎn)換成電壓的變化，從而得到與轉(zhuǎn)速成正比的脈沖信號(hào)。來(lái)自傳感器的脈沖信號(hào)經(jīng)整形后，由頻率計(jì)得到頻率值，再轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速。由于渦流傳感器可進(jìn)行非接觸測(cè)量，所以對(duì)測(cè)量環(huán)境要求并不苛刻。它的檢測(cè)轉(zhuǎn)速可達(dá)6×106r/min。圖8-21渦流式轉(zhuǎn)速傳感器電路框圖3．渦流式膜厚檢測(cè)圖8-22是渦流傳感器用于檢測(cè)腐蝕膜等厚度的原理圖。設(shè)沒(méi)有膜時(shí)，傳感器探頭與金屬表面距離為L(zhǎng)，有膜時(shí)，距離變成D，所以膜厚為d=L-D。膜的厚度不同，消耗磁場(chǎng)能量不同，導(dǎo)致探頭有效阻抗變化。采用這種方法檢測(cè)只能獲得微弱的信號(hào)變化。為了克服S/N小的缺點(diǎn)，常采用不平衡電橋電