页数：91页文件大小：1.19 MB来源： 传感器基础ppt课件
本课件以电磁感应为基础，依次讲解自感式传感器的气隙与面积变化原理、电感计算与输出特性分析、差动变压器式传感器的工作原理与零点残余电压消除方法、电涡流式传感器的基本原理与测量电路，并给出位移、振动、厚度等工程应用实例。
电感式传感器是建立在电磁感应的基础上，利用线圈自感或互感的改变来实现非电量的检测。电感式传感器的种类很多，本章主要介绍利用自感原理的自感式传感器(通常称为电感式传感器)，利用互感原理的互感式传感器(通常称为差动变压器式传感器)，利用涡流原理的电涡流式传感器
3.1.1工作原理自感式传感器是把被测量的变化转换成自感L的变化，通过一定的转换电路转换成电压或电流输出。按磁路几何参数变化形式的不同，目前常用的自感式传感器有变气隙式、变截面积式和螺线管式三种
图所示是自感式传感器的原理图
对应课件图示：图所示是自感式传感器的原理图，文字要点如上。
如果空气隙δ较小，且不考虑磁路的铁损，则线圈的自感可按下式计算：因为导磁体的磁导率远大于空气磁导率，即气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻，所以线圈的自感为
由式可以看出，当线圈匝数一定时，电感量与空气隙厚度成反比，与空气隙相对截面积成正比。若不变，变化，则L为的单值函数，可构成变气隙式传感器，如图(a)所示
若不变，变化，则可构成变截面积式传感器，如图(b)所示。若线圈中放入圆柱形衔铁，则是一个可变自感，当衔铁上、下移动时，自感量将相应发生变化，这就构成了螺线管型自感传感器，如图(c)所示
上述自感传感器，虽然结构简单，运行方便，但也有缺点，如自线圈流往负载的电流不可能等于0，衔铁永远受有吸力，线圈电阻受温度影响，有温度误差，不能反映被测量的变化方向等，因此在实际中应用较少，而常采用差动自感传感器
差动变隙式电感传感器的原理结构图
对应课件图示：差动变隙式电感传感器的原理结构图，文字要点如上。
差动变隙式自感传感器的工作原理如下:1初态时：若结构对称，且动铁居中，则2动铁上移时：则
3动铁下移时：同理可得由以上分析可得，动铁位移时，输出电压的大小和极性将跟随位移的变化而变化。输出电压不但能反映位移量的大小，而且能反映位移的方向。由前面的推导可知，输出电压正比于，因而灵敏度较高，非线性减小
3.1.2电感计算及输出特性分析根据式上式，自感式传感器特性曲线如图所示，可以看出不是线性的，是一双曲线，当时，L为∞，如果考虑到导磁体的磁阻，即当时，L不等于∞，而有一定的数值，其曲线在较小时，如图中虚线所示
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设电感式传感器初始气隙为，初始电感量为，衔铁位移引起的气隙变化量为，从式中可知，与之间是非线性关系。初始电感量为为了保证一定的测量范围和线性度，一般取
电感的变化量为电感的相对变化量为
当时，用泰勒级数展开级数形式，即忽略高次项，可得式中，负号表示若气隙增大，则电感减小；若气隙减小，则电感增大。由式可知，气隙型电感传感器的灵敏度为
非线性误差与的大小有关，其表达式为实际上，高次项是造成非线性的主要原因。当越小时，则高次项迅速减小，非线性得到改善
由此可见，变气隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾，所以变气隙式电感传感器用于测量微小位移时是比较精确的
从图可知，若衔铁向上移动时，差动式电感传感器的电感变化量为电感的相对变化量为
当时，上式用泰勒级数展开成级数形式为忽略高次项，可得其灵敏度为非线性误差为
可见，灵敏度提高了1倍，非线性误差减小了一个数量级。比较单线圈和差动两种变隙式电感传感器的特性，可以得到如下结论：1差动式比单线圈式的灵敏度高1倍
3.1.3测量电路自感式传感器实现了把被测量的变化转变为自感的变化，为了测出自感的变化，同时也为了送入下级电路进行放大和处理，就要用转换电路把自感转换为电压或电流的变化
1.变压器电桥
对应课件图示：变压器电桥，文字要点如上。
电桥两臂Z1和Z2为传感器两线圈的等效阻抗，另外两臂为交流变压器的两个副边，副边电压均为U/2，供桥电源由带中心抽头的变压器次级线圈供给，在图示状态下，由电路分析可得
1初态时：由于动铁居中即，说明电桥处于平衡状态。2动铁芯上移时：则代入式得3动铁芯下移时：同理可得
由以上分析可知，输出电压的大小反映动铁位移的大小，输出电压的极性反映动铁位移的方向。当衔铁上、下移动时，输出电压大小相等，但方向相反
变压器电桥的输出电压幅值与输出阻抗均与交流电桥的相同。这种电桥与电阻平衡臂电桥相比，元件少，输出阻抗小，桥路开路时电路呈线性；
2.带相敏整流的交流电桥差动自感传感器采用如上图所示的变压器电桥，可根据上式判别衔铁位移的大小，然而输出端的交流电压表不能直接指示电桥输出电压的极性，因此无法确定动铁位移的方向，在使用交流电压表时，其实际输出特性曲线如图所示
基本测量电桥输出特性曲线由于电路结构不完全对称，初态时电桥不完全平衡，因而产生静态零偏压，称之为零点残余电压，如图中实线所示，图中虚线为理想对称状态下的输出特性
带相敏整流的交流电桥为了既能判别衔铁位移的大小，又能判断出衔铁位移的方向，通常在交流测量电桥中引入相敏整流电路，把测量桥的交流输出转换为直流输出，而后用零值居中的直流电压表测量电桥的输出电压，原理电路如图所示
1、Z2作为两个相邻的桥臂，平衡电阻为另外两个桥臂；VD1～VD4只二极管组成相敏整流电路。为供桥交流电压，U0为测量电路的输出电压，由零值居中的直流电压表指示输出电压的大小和极性
2当衔铁上移时，Z1增大，Z2减小，即Z1=Z+∆Z，Z2=Z-∆Z。如果输入交流电压为正半周，即Ui上正下负时(A点电位为正，D点电位为负)，则电路中二极管VD
2、VD3截止，电流通路为A→z1→VD1→B→R→D，A→Z2→VD4→D→R→C，电流方向I1和I2，如图所示。因为Z1>Z2，所以I1<I2，此时
1、VD4截止，电流通路为D→R→ VD3→Z1→A，D→R→B→ VD2→Z2→A，电流方向I1’和I2’如图中所示。同理可分析出U0<0
这说明无论电源正半周或负半周，测量桥的输出状态不变，输出均为U0<0，此时直流电压表反向偏转，读数为负，表明衔铁上移
3当衔铁下移时，Z1减小，Z2增大，即Z1=Z-∆Z，Z2=Z+∆Z当输入交流电压为正半周时，因为Z2>Z1，所以I1>I2，此时当输入交流电压为负半周时，同理可分析出U0>0
这说明无论电源正半周或负半周，测量桥的输出状态不变，输出均为U0>0，此时直流电压表正向偏转，读数为正，表明衔铁下移
由图可知，测量电桥引入相敏整流后，输出特性曲线通过零点，输出电压的极性随位移方向而发生变化，同时消除了零点残余电压，还增加了线性度
3.2差动变压器式传感器将被测量的非电量转换为互感变化量的传感器称为互感式传感器。这种互感传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组都用差动形式连接，故称差动变压器式传感器，简称差动变压器
22)和插入线圈中央的圆柱形铁芯组成。在线框上绕有一组一次线圈作为输入线圈，在同一框架上另绕两组二次线圈作为输出线圈，并在线框中央圆柱孔中放入铁芯，如图(a)所示
1—初级线圆；21，22—次级两差动初线圆；3—线圆绝缘框架；4—活动衔铁
在图(a)中，1表示变压器初级线圈，21和22表示变压器次级两差动线圈，为反向串联。3为线圈绝缘框架，4表示活动衔铁，变量∆X表示活动衔铁的位移变化量
1、L1为初级线圈1的损耗电阻和自感，R21和R22表示两次级线圈的电阻，L21和L22表示两次级线圈的自感，M
21、N22间的互感系数，e21和e22表示在初级电压u1作用下在两次级线圈上产生的感应动势，图中两次级线圈反向串联，形成差动输出电压u2
当一次线圈加以适当频率的电压激励时，根据变压器的作用原理，在两个二次线圈中就会产生感应电动势，如果工艺上保证变压器结构完全对称，则当活动衔铁处于初始平衡位置时，必然会使两次级线圈的互感系数M1=M2
当铁芯移动时，U2就随着铁芯位移x成线形增加，其特性如图所示，形成V形特性。如果以适当方法测量U2，就可以得到与x成正比的线性读数
从图中可看出，当铁芯位于中心位置，输出电压U2并不是零电位，这个电压就是零点残余电压Ux，它的存在使传感器的输出特性曲线不经过零点，造成实际特性和理论特性不完全一致
产生零点残余电压的原因有很多，不外乎是变压器的制作工艺和导磁体安装等问题，主要是由传感器的两次级绕组的电气参数与几何尺寸不对称，以及磁性材料的非线性等引起的，一般UX在几十毫伏
2.等效电路分析差动变压器是利用磁感应原理制作的。在制作时，理论计算结果和实际制作后的参数相差很大，往往还要借助于实验和经验数据来修正
如果考虑差动变压器的涡流损耗、铁损和寄生(耦合)电容等，其等效电路是很复杂的。在理想情况下(忽略线圈寄生电容及衔铁损耗)，差动变压器的等效电路如图(b)所示
当次级开路时，初级线圈的交流电流为次级线圈的感应电动势为差动变压器的空载输出电压为其有效值为
输出阻抗为其复阻抗的模为由以上分析可得：1当活动衔铁处于中间位置时M1=M2，故此时输出电压U2=0。2当活动衔铁上移时，M1>M2，此时输出电压U2<0
1当活动衔铁处于中间位置时，互感M1=M2，U2=0。2当活动衔铁上移时，M1>M2，此时输出电压U2<0。3当活动衔铁下移时，M1<M2，此时输出电压U2>0。输出电压还可以写成
3.2.2测量电路由于差动变压器的输出电压为交流，用交流电压表测量其输出值只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的方向
另外，其测量值必定含有零点残余电压。为了达到能辨别移动方向和消除零点残余电压的目的，实际测量时，常采用差动整流电路和相敏检波电路
1.差动整流电路差动变压器最常用的测量电路是差动整流电路，如图所示，把差动变压器的两个次级输出电压分别整流，然后将整流的电压或电流的差值作为输出
图(a)和图(b)为电压输出型，用于连接高阻抗负载电路，图中的电位器用于调整零点残余电压。图(c)和图(d)为电流输出型，用于连接低阻抗负载电路
采用差动整流电路后，不但可以用0值居中的直流电表指示输出电压或电流的大小和极性，还可以有效地消除残余电压，同时可使线性工作范围得到一定的扩展
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下面结合图(b)全波电压输出电路，分析差动整流电路的工作原理。全波整流电路，是根据半导体二极管单向导通原理进行解调的
设某瞬间载波为正半周，此时差动变压器两个次级线圈的相位关系为A正B负，C正D负；在上线圈中，电流自A点出发，路径为A→1→2→9→11→4→3→B，流过电容的电流是由2到4，电容C1上的电压为U24
在下线圈中，电流自C点出发，路径为C→5→6→10→11→8→7→D，流过电容C2的电流是由6到8，电容两端的电压为U68
同理，当某瞬间载波为负半周时，即两次级线圈的相位关系为A负B正、C负D正，按上述分析可知，不论两个次级线圈的输出瞬时电压极性如何，流经C1的电流方向总是从2到4，流经电容C2的电流方向总是从6到8，可得差动变压器输出电压U2的表达式仍为U2=U24-U68当铁芯在中间位置时，U24=U68，所以U2=0；
铁芯在零位以上或以下时，输出电压的极性相反，于是零点残余电压会自动抵消。由此可见，差动整流电路可以不考虑相位调整和零点残余电压的影响
此外，还具有结构简单、分布电容影响小和便于远距离传输等优点，获得广泛的应用。在远距离传输时，将此电路的整流部分放在差动变压器的一端，整流后的输出线延长，就可避免感应和引出线分布电容的影响
随着电子技术的发展，各种性能的集成电路相继出现，例如单片集成电路LZX1，就是一种集成化的全波相敏整流放大器，它以开关元件的全波相敏解调器，能完成把输入交流信号经全波整流后变为直流信号，以及鉴别输入信号相位等功能
差动变压器和LZX1的连接电路如图所示。u2为信号输入电压，us为参考输入电压，R为调零电位器，C为消振电容，若无C则会产生正反馈，发生振荡。移相器使参考电压和差动变压器次级输出电压同频率，相位相同或相反
对于测量小位移的差动变压器，由于输出信号小，还需在差动变压器的输出端接入放大器，把放大的信号输入到LZX1的信号输入端
一般经过相敏检波和差动整流输出的信号，还需通过低通滤波器，把调制时引入的高频信号衰减掉，只让铁芯运动所产生的有用信号通过
3.2.3零点残余电压及消除方法与自感传感器相似，差动变压器也存在零点残余电压问题。它的存在使得传感器的特性曲线不通过原点，并使实际特性不同于理想特性
零点残余电压的存在使传感器的输出特性在零点附近的范围内不灵敏，限制分辨率的提高。零点残余电压太大，将使线性度变坏，灵敏度下降，甚至会使放大器饱和，阻塞有用信号的通过，致使仪器不再反映被测量的变化
3.3电涡流式传感器根据法拉第电磁感应定律，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈漩涡状流动的感应电流，称之为电涡流，这种现象称为电涡流效应
涡流的大小与金属体的电阻率ρ、磁导率μ、金属板的厚度以及产生交变磁场的线圈与金属导体的距离x、线圈的励磁电流频率f等参数有关
1.高频反射式电涡流传感器高频反射式电涡流传感器的结构比较简单，主要是一个安置在框架上的线圈，线圈可以绕成一个扁平圆形粘贴于框架上，也可以在框架上开一条槽，导线绕制在槽内而形成一个线圈
传感器的结构示意图1—线圈；2—框架；3—框架衬套；4—支架；5—电缆；6—插头
高频反射式电涡流传感器
如图(a)所示，传感线圈由高频电流I1激磁，产生高频交变磁场H1，当被测金属置于该磁场范围内，金属导体内便产生涡流I2，I2将产生一个新磁场H2，H2和H1方向相反，因而抵消部分原磁场H1，从而导致线圈的电感量、阻抗和品质因数发生变化
可见，线圈与金属导体之间存在磁性联系。若将导体形象地看作一个短路线圈，临近高频线圈L一侧的金属板表面感应的涡流对L的反射作用，可以用图(b)所示的等效电路说明
传感器类似于次级短路的空心变压器，可把传感器空心线圈看作变压器初级，线圈电阻为R1，电感为L1，金属导体中的涡流回路看作变压器次级，回路电流即I2，回路电阻为R2，电感为L2，电涡流产生的磁场对传感器线圈产生的磁场的“反射作用”，可理解为传感器线圈与此环状电涡流之间存在着互感M，其大小取决于金属导体和线圈的靠近程度，M随着线圈与金属导体之间的距离x减小而增大
根据图(b)所示的等效电路，按KVL可列出电路方程组为解此方程组可得电涡流传感器的等效阻抗为电涡流传感器的等效阻抗可表示为等效电阻等效电感
线圈的品质因数由无涡流时的下降为可见，由于涡流的影响，线圈复阻抗的实数部分增大，虚数部分减小，因此线圈的品质因数Q下降
2.低频透射式电涡流传感器
图所示为低频透射式涡流传感器结构原理图。在被测金属的上方设有发射传感器线圈L1，在被测金属板的下方设有接受传感器线圈L2。当在L1上加低频电压u1时，则在L1上产生交变磁通
1，若两线圈之间无金属板，则交变磁场直接耦合至L2中，L2产生感应电压u2。如果将被测金属板放入两线圈之间，则L1线圈产生的磁通将导致在金属板中产生电涡流i0，此时磁场能量受到损耗，到达L2的磁通将减弱为
由图可知，频率越低，f1 d较小时，f3曲线的斜率较大，因此测薄板时应选较高的激磁频率，测厚板时应选较低的激磁频率。低频透射式涡流传感器的检测范围可达1mm～100mm，分辨率为 3.3.2测量电路根据电涡流测量的基本原理和等效电路，传感器线圈与被测金属导体间距离的变化可以转化为传感器线圈的品质因数Q、等效阻抗Z和等效电感L的变化 3正反馈电路。利用Z的测量电路一般用桥路，属于调幅电路。利用L的测量电路一般用谐振电路，根据输出是电压幅值还是电压频率，谐振电路又分为调幅和调频两种 1.电桥电路这种电路结构简单，主要用于差动式电涡流传感器。图中L1和L2为差动式传感器的两个线圈，分别与选频电容C1和C2并联组成相邻的两个桥臂，电阻R1和R2组成另外两个桥臂，电源μ由振荡器供给，振荡频率根据涡流式传感器的需求选择 当静态时，电桥平衡，输出电压uAB=0。当传感器接近被测金属导体时，传感器线圈的阻抗发生变化，电桥失去平衡，即uAB≠0，经过线性放大和检波器检波后输出直流电压U，显然此输出电压U与被测距离成正比，可以实现对位移量的测量 2.谐振电路这种方法是把传感器线圈与电容并联组成LC并联谐振电路。并联谐振电路的谐振频率为谐振时LC并联谐振回路的等效阻抗最大，等于式中，R’为谐振回路的等效电阻；L为传感器线圈的自感 当传感器接近被测金属导体时，线圈电感L发生变化，回路的等效阻抗和谐振频率将随着L的变化而变化，因此可以利用测量回路阻抗的方法或测量回路谐振频率的方法间接反映出传感器的被测量，相对应的就是调幅法和调频法 1)调幅法电路由传感器线圈的等效电感和一个固定电容组成并联谐振回路，由频率稳定的振荡器(如石英晶体振荡器)提供高频激励信号，如图所示 图中R为耦合电阻，可用来降低传感器对振荡器工作的影响，其数值大小将影响测量电路的灵敏度，耦合电阻的选择应考虑振荡器的输出阻抗和传感器线圈的品质因数 调幅法测量电路谐振调幅电路特性 电路的输出电压为式中，i0为高频激磁电流；Z为LC回路的阻抗。在初态时，传感器远离被测体，调整LC回路的并联谐振频率等于石英晶体振荡器频率，此时LC回路的阻抗最大，即，输出电压的幅值也是最大 工作时，当传感器线圈接近被测金属导体时，线圈与被测体之间的距离x变化，导致线圈的等效电感L发生变化，谐振回路的谐振频率和等效阻抗也跟着发生变化，致使回路失谐而偏离激励频率，谐振峰将向左或右移动，如图所示 从图可见，若被测金属导体为非磁性材料，由于磁导率μ减小，传感器线圈的等效电感L减小，LC回路的谐振频率提高，谐振曲线右移，对应的谐振频率为f 1、u2。若被测材料为磁性材料时，由于磁导率μ增加，谐振回路的等效电感L增大，LC回路的谐振频率降低，谐振曲线左移，对应的谐振频率为f 2)调频法传感器线圈作为组成LC振荡器的电感元件，当传感器的等效电感L发生变化时，引起振荡器的振荡频率变化，该频率可直接由数字频率计测得，或通过频率/电压转换后用数字电压表测量出对应的电压。调频电路原理图 这种方法稳定性较差，因为LC振荡器的频率稳定性最高只有10-5数量级，虽然可以通过扩大调频范围来提高稳定性，但调频的范围不能无限制扩大 采用这种测量电路时，不能忽略传感器与振荡器之间连接电缆的分布电容，几皮法的变化将使频率变化几千赫，严重影响测量结果，为此可设法把振荡器的电容元件和传感器线圈组装成一体 放大器的反馈电路是由ZL组成，当线圈与被测体之间的距离发生变化时，ZL变化，反馈放大电路的放大倍数发生变化，从而引起运算放大器输出电压变化，经检波和放大后使测量电路的输出电压变化 3.4电感式传感器的应用电感式传感器是被广泛采用的一种电磁机械式传感器，它除可直接用于测量直线位移、角位移的静态和动态量外，还可以它为基础，做成多种用途的传感器，用以测量力、压力、转矩等参数 0.1的直线位移)、输出信号比较大、信噪比比较好、工艺要求不高、加工容易的特点，但是存在非线性，消耗功率较大，测量范围比较小的缺点 自感式传感器一般用于接触测量，可用于静态和动态测量，它主要用于位移测量，也可用于振动、压力、荷重、流量、液位等参数测量 1.自感式压力传感器 对应课件图示：自感式压力传感器，文字要点如上。 2.自感式位移传感器 对应课件图示：自感式位移传感器，文字要点如上。 3.电感测厚仪 0.l量级)，线圈变化范围大(可扩大到±l00mm，视结构而定)，结构简单，稳定性好等优点，被广泛应用于位移、加速度、压力、压差、液位、应变、比重、张力和厚度等参数的测量 1.加速度传感器 对应课件图示：加速度传感器，文字要点如上。 2.力平衡式差压计 3.张力传感器 对应课件图示：张力传感器，文字要点如上。 3.4.3电涡流式传感器的应用电涡流式传感器由于具有测量范围大，灵敏度高，结构简单，抗干扰能力强，可以实现非接触式测量等优点，被广泛地应用于工业生产和科学研究的各个领域，可以用来测量位移、振幅、尺寸、厚度、热膨胀系数、轴心轨迹和金属件探伤等 1.位移计 2.振动计 3.厚度计 对应课件图示：厚度计，文字要点如上。 4.转速计在一个旋转体上开一条或数条槽，或者加工成齿轮状，旁边安装一个电涡流传感器。当旋转体转动时，传感器将周期性地改变输出信号，此电压信号经过放大整形后，可用频率计指示出频率值，可由式算出转速为式中，f为输出信号的频率(Hz)； 5.涡流探伤电涡流式传感器可以对被测对象进行非破坏性的探伤，例如检查金属的表面裂纹、热处理裂纹以及焊接部位的探伤等 在检查时，使传感器与被测体的距离不变，如有裂纹出现时，导体电阻率、磁导率发生变化，从而引起传感器的等效阻抗发生变化，通过测量电路达到探伤的目的 此外，涡流传感器还可制成开关量输出的检测元件，这时可使测量电路大为简化。目前，应用比较广泛的有接近开关，也可用于技术金属零件的计数第66页：测量电路根据电涡流
第67页：电桥电路这种电路
第68页：电涡流式传感器
第69页：谐振电路
第70页：谐振频率
第71页：电涡流式传感器
第72页：谐振频率
第73页：电涡流式传感器
第74页：调频法传感器线圈作为组成
第75页：电涡流式传感器
第76页：正反馈电路图
第77页：电感式传感器的应用
第78页：自感式传感器的应用
第79页：自感式压力传感器
第80页：自感式位移传感器
第81页：电感测厚仪
第82页：差动变压器的应用
第83页：加速度传感器
第84页：力平衡式差压计
第85页：张力传感器
第86页：电涡流式传感器的应用
第87页：位移计
第88页：振动计
第89页：厚度计
第90页：转速计在一个旋转
第91页：涡流探伤电涡流式传感器
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