第3章 电感式传感器(6).ppt

第第3 3章章 电感式传感器电感式传感器 第第3 3章章 电感式传感器电感式传感器主要内容：主要内容：1 变磁阻式电感传感器变磁阻式电感传感器 2 差动变压器式电感传感器差动变压器式电感传感器 3 电涡流式传感器电涡流式传感器 概述概述概述概述 电感式传感器是一种机电转换装置，电感式传感器是一种机电转换装置，特别是在自动控制设备中广泛应用。特别是在自动控制设备中广泛应用。电感式传感器利用电磁感应定律将被测电感式传感器利用电磁感应定律将被测非电量（如位移、压力、流量、振动）非电量（如位移、压力、流量、振动）转换为电感或互感的变化。转换为电感或互感的变化。按传感器结构可分为：按传感器结构可分为：自感式、互感式、电涡流式。自感式、互感式、电涡流式。第第3 3章章 电感式传感器电感式传感器概述概述概述概述各种电感式传感器各种电感式传感器第第3 3章章 电感式传感器电感式传感器非接触式位移传感器测厚传感器电 感 粗 糙 度 仪接近式传感器3.13.13.13.1变变磁阻式磁阻式磁阻式磁阻式传传感器（自感式）感器（自感式）感器（自感式）感器（自感式）3.1.1 3.1.1 3.1.1 3.1.1 工作原理工作原理工作原理工作原理 结构结构结构结构:由线圈、铁芯、衔铁三部分组成。由线圈、铁芯、衔铁三部分组成。由线圈、铁芯、衔铁三部分组成。由线圈、铁芯、衔铁三部分组成。铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为;传感器运动部分与衔铁相连，衔铁移动时传感器运动部分与衔铁相连，衔铁移动时传感器运动部分与衔铁相连，衔铁移动时传感器运动部分与衔铁相连，衔铁移动时发发发发 生变化，引起磁路的磁阻生变化，引起磁路的磁阻生变化，引起磁路的磁阻生变化，引起磁路的磁阻RmRmRmRm变化，使电芯线圈变化，使电芯线圈变化，使电芯线圈变化，使电芯线圈 的电感值的电感值的电感值的电感值L L L L变化；变化；变化；变化；v 只要改变气隙厚只要改变气隙厚 度或气隙截面积度或气隙截面积 就可以改变电感。就可以改变电感。第第3 3章章 电感式传感器电感式传感器3.13.13.13.1变变磁阻式磁阻式磁阻式磁阻式传传感器（自感式）感器（自感式）感器（自感式）感器（自感式）3.1.1 3.1.1 3.1.1 3.1.1 工作原理工作原理工作原理工作原理线圈自感可按下式计算：线圈自感可按下式计算：式中：式中：N N 线圈匝数线圈匝数 ；RmRm 磁路磁阻磁路磁阻；So So 气隙的截面积；气隙的截面积；气隙长度；气隙长度；o o 导磁率（真空、空气）导磁率（真空、空气）第第3 3章章 电感式传感器电感式传感器核心:位移 磁阻 电感 3.13.13.13.1变变磁阻式磁阻式磁阻式磁阻式传传感器（自感式）感器（自感式）感器（自感式）感器（自感式）3.1.2 3.1.2 3.1.2 3.1.2 输出特性输出特性输出特性输出特性 衔铁位移衔铁位移引起的电感变化为：引起的电感变化为：第第3 3章章 电感式传感器电感式传感器电感初始气隙电感初始气隙0 0处初始电感量为处初始电感量为L L0 0 0LL0L0+L0L0L03.13.13.13.1变变磁阻式磁阻式磁阻式磁阻式传传感器（自感式）感器（自感式）感器（自感式）感器（自感式）3.1.2 3.1.2 3.1.2 3.1.2 输出特性输出特性输出特性输出特性 /1 1时，时，用泰勒级数展开用泰勒级数展开 衔铁衔铁下移时下移时 衔铁衔铁上移时上移时 第第3 3章章 电感式传感器电感式传感器3.13.13.13.1变变磁阻式磁阻式磁阻式磁阻式传传感器（自感式）感器（自感式）感器（自感式）感器（自感式）3.1.2 3.1.2 3.1.2 3.1.2 输出特性输出特性输出特性输出特性 对上式作线性处理忽略高次项时对上式作线性处理忽略高次项时讨论：讨论：传感器测量范围与灵敏度和线性度相矛盾；传感器测量范围与灵敏度和线性度相矛盾；变间隙式电感传感器用于小位移比较精确；变间隙式电感传感器用于小位移比较精确；一般一般/=0.1-0.2/=0.1-0.2；为减小非线性误差，实际测量中多采用差动式。为减小非线性误差，实际测量中多采用差动式。第第3 3章章 电感式传感器电感式传感器u 定义灵敏度定义灵敏度 3.13.13.13.1变变磁阻式磁阻式磁阻式磁阻式传传感器（自感式）感器（自感式）感器（自感式）感器（自感式）3.1.2 3.1.2 3.1.2 3.1.2 输出特性输出特性输出特性输出特性 v 差动式原理：差动式原理：差动变隙式由两个相差动变隙式由两个相同的线圈和磁路组成。同的线圈和磁路组成。当被测量通过导杆使当被测量通过导杆使衔铁左右位移时，两衔铁左右位移时，两个回路中磁阻发生大个回路中磁阻发生大小相等、方向相反的小相等、方向相反的变化，形成差动形式。变化，形成差动形式。第第3 3章章 电感式传感器电感式传感器3.13.13.13.1变变磁阻式磁阻式磁阻式磁阻式传传感器（自感式）感器（自感式）感器（自感式）感器（自感式）3.1.2 3.1.2 3.1.2 3.1.2 输出特性输出特性输出特性输出特性 对上式进行线性处理并忽略高次项：对上式进行线性处理并忽略高次项：v 差动式灵敏度为：差动式灵敏度为：电感的变化为：电感的变化为：第第3 3章章 电感式传感器电感式传感器3.13.13.13.1变变磁阻式磁阻式磁阻式磁阻式传传感器（自感式）感器（自感式）感器（自感式）感器（自感式）3.1.2 3.1.2 3.1.2 3.1.2 输出特性输出特性输出特性输出特性 讨论：讨论：比较单线圈，差动式的灵敏度提高了一倍；比较单线圈，差动式的灵敏度提高了一倍；差动式非线性项比单线圈多乘了差动式非线性项比单线圈多乘了(/)(/)因子；因子；不存在偶次项，因不存在偶次项，因/1/1，线性度得到改善。线性度得到改善。差动式的两个电感结构，可抵消温度、噪声干扰差动式的两个电感结构，可抵消温度、噪声干扰 的影响。的影响。第第3 3章章 电感式传感器电感式传感器自感式自感式传感器的常见形式传感器的常见形式(a)(a)变气隙型变气隙型:灵敏度高灵敏度高,非线性大非线性大.(b)(b)变截面型变截面型:量程较大量程较大,线性较好线性较好,灵敏度较低灵敏度较低.(c)(c)螺管型螺管型:灵敏度低灵敏度低,量程大量程大,制作简单制作简单.变截面型变截面型自感式自感式传感器传感器螺管式自感传感器螺管式自感传感器线圈线圈衔铁衔铁总长总长线圈半径线圈半径插入长度插入长度衔铁半径衔铁半径特点：灵敏稍差、线性好、特点：灵敏稍差、线性好、量程大、易批量生产。量程大、易批量生产。螺管式自感传感器螺管式自感传感器 由一只螺线管和伸入其内由一只螺线管和伸入其内的一根圆柱形铁心构成。的一根圆柱形铁心构成。铁心在线圈中伸入长度的铁心在线圈中伸入长度的变化，引起螺线管线圈电变化，引起螺线管线圈电感值的变化。感值的变化。自感传感器的等效电路自感传感器的等效电路电感传感器实质上反映了铁心线圈的自感随衔电感传感器实质上反映了铁心线圈的自感随衔铁位移变化的情况。铁位移变化的情况。铜电阻铜电阻(R Rc c)：构成线圈导线具有的电阻；构成线圈导线具有的电阻；涡流损耗电阻涡流损耗电阻(R(Re e)：由铁磁材料迭片制成的铁由铁磁材料迭片制成的铁心内部的涡流损耗心内部的涡流损耗线圈的寄生电容（线圈的寄生电容（C C）：）：线圈绕组的固有电容线圈绕组的固有电容和传感器与电子测量设备的连接电缆的电容。和传感器与电子测量设备的连接电缆的电容。3.13.13.13.1变变磁阻式磁阻式磁阻式磁阻式传传感器（自感式）感器（自感式）感器（自感式）感器（自感式）3.1.3 3.1.3 3.1.3 3.1.3 测量电路（转换电路）测量电路（转换电路）测量电路（转换电路）测量电路（转换电路）（1 1 1 1）交流电桥式）交流电桥式）交流电桥式）交流电桥式 两个桥臂由相同线圈组成，另外两个为平衡电阻两个桥臂由相同线圈组成，另外两个为平衡电阻第第3 3章章 电感式传感器电感式传感器 交流电桥结构示意图交流电桥结构示意图交流电桥结构示意图交流电桥结构示意图 等效电路等效电路3.13.13.13.1变变磁阻式磁阻式磁阻式磁阻式传传感器（自感式）感器（自感式）感器（自感式）感器（自感式）3.1.3 3.1.3 3.1.3 3.1.3 测量电路（转换电路）测量电路（转换电路）测量电路（转换电路）测量电路（转换电路）（1 1 1 1）交流电桥式）交流电桥式）交流电桥式）交流电桥式 第第3 3章章 电感式传感器电感式传感器因因输出电压为：输出电压为：可见电桥输出电压可见电桥输出电压U U0 0与气隙变量与气隙变量成正比成正比 代入代入电桥输出为：电桥输出为：3.13.13.13.1变变磁阻式磁阻式磁阻式磁阻式传传感器（自感式）感器（自感式）感器（自感式）感器（自感式）3.1.3 3.1.3 3.1.3 3.1.3 测量电路测量电路测量电路测量电路 （2 2 2 2）变压器式交流电桥）变压器式交流电桥）变压器式交流电桥）变压器式交流电桥 电桥的两臂是传感器线圈电桥的两臂是传感器线圈阻抗臂、另外两个臂是交流阻抗臂、另外两个臂是交流变压器次级线圈各占变压器次级线圈各占1212，交流供电。交流供电。桥路输出电压为：桥路输出电压为：第第3 3章章 电感式传感器电感式传感器3.13.13.13.1变变磁阻式磁阻式磁阻式磁阻式传传感器（自感式）感器（自感式）感器（自感式）感器（自感式）3.1.3 3.1.3 3.1.3 3.1.3 测量电路测量电路测量电路测量电路第第3 3章章 电感式传感器电感式传感器 当衔铁在中间位置当衔铁在中间位置 Z1=Z2=Z U0=0 当衔铁偏移时输出电压当衔铁偏移时输出电压当衔铁偏向另一方向当衔铁偏向另一方向（3 3）紧耦合电感臂电桥紧耦合电感臂电桥3.13.13.13.1变变磁阻式磁阻式磁阻式磁阻式传传感器（自感式）感器（自感式）感器（自感式）感器（自感式）3.1.3 3.1.3 3.1.3 3.1.3 测量电路测量电路测量电路测量电路 （4 4 4 4）谐振式（调幅、调频、调相）谐振式（调幅、调频、调相）谐振式（调幅、调频、调相）谐振式（调幅、调频、调相）调幅式电路调幅式电路调幅式电路调幅式电路 输出幅值随电感输出幅值随电感输出幅值随电感输出幅值随电感L L L L变化变化变化变化 调频电路调频电路调频电路调频电路 电感电感电感电感L L L L变化时谐振频率变化变化时谐振频率变化变化时谐振频率变化变化时谐振频率变化 第第3 3章章 电感式传感器电感式传感器*一种带有相敏整流的交流电桥一种带有相敏整流的交流电桥电压表读数大小反映衔铁电压表读数大小反映衔铁的位移；电压表极性反映的位移；电压表极性反映移动方向。移动方向。+L-L交交流流电电源源电电源源指指示示衔铁在中间位置时衔铁在中间位置时,无论无论正负半周，正负半周，C、D两点等电位，两点等电位，电桥平衡，输出电桥平衡，输出UCD=0V。当衔铁上移，当衔铁上移，D D点将比点将比C C点电位高，认为电压表正偏。点电位高，认为电压表正偏。+-Z1Z2电源正半周电源正半周电路分析电路分析当衔铁上移当衔铁上移+L-L当衔铁上移，负半周当衔铁上移，负半周D D也比也比C C点电位高，电压表仍正偏。：点电位高，电压表仍正偏。：+L-L+-Z1Z2电源负半周电源负半周电路分析电路分析当衔铁上移当衔铁上移结论：结论：无论正负半周，只要衔铁上移，电压表头就正无论正负半周，只要衔铁上移，电压表头就正转。转。位移越多，指针偏转越大。位移越多，指针偏转越大。同理：同理：无论正负半周，只要衔铁下移，电压表头就反无论正负半周，只要衔铁下移，电压表头就反转。位移越多，指针偏转越大。转。位移越多，指针偏转越大。3.1 3.1 3.1 3.1 变变磁阻式磁阻式磁阻式磁阻式传传感器（自感式）感器（自感式）感器（自感式）感器（自感式）3.1.4 3.1.4 3.1.4 3.1.4 变磁阻式传感器的应用变磁阻式传感器的应用变磁阻式传感器的应用变磁阻式传感器的应用 压力测量压力测量压力测量压力测量 第第3 3章章 电感式传感器电感式传感器被测压力经位移被测压力经位移电压两次转换输出电压两次转换输出3.2 3.2 3.2 3.2 差差差差动变压动变压器式器式器式器式传传感器（互感式）感器（互感式）感器（互感式）感器（互感式）3.2.1 3.2.1 3.2.1 3.2.1 工作原理工作原理工作原理工作原理 v 把被测的非电量变化转换成为把被测的非电量变化转换成为 线圈互感量的变化的传感器称为线圈互感量的变化的传感器称为互感式传感器。互感式传感器。这种传感器根据变压器的基本这种传感器根据变压器的基本 原理制成，并将次级线圈绕组用原理制成，并将次级线圈绕组用 差动形式连接。差动形式连接。差动变压器的结构形式较多，差动变压器的结构形式较多，应用最多的是螺线管式差动变压应用最多的是螺线管式差动变压 器。它可测量器。它可测量1 1100mm100mm范围内的范围内的 机械位移。机械位移。第第3 3章章 电感式传感器电感式传感器次次级级次次级级骨架骨架初初级级衔衔铁铁次次级级次次级级初初级级3.2 3.2 3.2 3.2 差差差差动变压动变压器式器式器式器式传传感器（互感式）感器（互感式）感器（互感式）感器（互感式）等效电路：等效电路：两个次级线圈必须反相串联接，保证差动形式。两个次级线圈必须反相串联接，保证差动形式。如果线圈完全对称并且衔铁处于中间位置时两线圈如果线圈完全对称并且衔铁处于中间位置时两线圈 互感系数相等互感系数相等 电动势相等电动势相等第第3 3章章 电感式传感器电感式传感器差动输出电压为零：差动输出电压为零：3.2 3.2 3.2 3.2 差差差差动变压动变压器式器式器式器式传传感器（互感式）感器（互感式）感器（互感式）感器（互感式）3.2.1 3.2.1 3.2.1 3.2.1 工作原理工作原理工作原理工作原理 u 可见可见:输出电压大小和相位反映了输出电压大小和相位反映了 铁心位移的大小和方向。铁心位移的大小和方向。第第3 3章章 电感式传感器电感式传感器当衔铁上下移动时，输出电压随衔铁位移变化。当衔铁上下移动时，输出电压随衔铁位移变化。若衔铁上移若衔铁上移 若衔铁下移若衔铁下移 3.2 3.2 3.2 3.2 差差差差动变压动变压器式器式器式器式传传感器（互感式）感器（互感式）感器（互感式）感器（互感式）3.2.2 3.2.2 3.2.2 3.2.2 基本特性基本特性基本特性基本特性 由此得到输出电压有效值为由此得到输出电压有效值为 ：v 可见输出电压与互感的差值有关可见输出电压与互感的差值有关第第3 3章章 电感式传感器电感式传感器根据电磁感应定律，次级感应电动势分别为根据电磁感应定律，次级感应电动势分别为3.2 3.2 3.2 3.2 差差差差动变压动变压器式器式器式器式传传感器（互感式）感器（互感式）感器（互感式）感器（互感式）3.2.2 3.2.2 3.2.2 3.2.2 基本特性基本特性基本特性基本特性铁芯向右移，铁芯向右移，输出与输出与E2a同极性；同极性；铁芯向左移，铁芯向左移，输出与输出与E2b同极性；同极性；u输出电压的幅值取决于线圈输出电压的幅值取决于线圈 互感即衔铁在线圈中移动的互感即衔铁在线圈中移动的 距离距离X X。UoUo的相位由衔铁的的相位由衔铁的移动方向决定。移动方向决定。第第3 3章章 电感式传感器电感式传感器3.2 3.2 3.2 3.2 差差差差动变压动变压器式器式器式器式传传感器（互感式）感器（互感式）感器（互感式）感器（互感式）第第3 3章章 电感式传感器电感式传感器差动变压器输出电压和位移的关系差动变压器输出电压和位移的关系 第第3 3章章 电感式传感器电感式传感器3.2 3.2 3.2 3.2 差差差差动变压动变压器式器式器式器式传传感器（互感式）感器（互感式）感器（互感式）感器（互感式）灵敏度:单位电压激励下,铁心移动单位距离时的传感器输出电压。单位：V/(mmV）,如 50mV/(mmV）提高灵敏度的方法：增大次级匝数；提高螺管尺寸比；加大激励电压；提高激励电压频率第第3 3章章 电感式传感器电感式传感器3.2 3.2 3.2 3.2 差动变压器式传感器（互感式）差动变压器式传感器（互感式）差动变压器式传感器（互感式）差动变压器式传感器（互感式）线性度 一般在线圈长度的0.1-0.25倍范围考虑。误差来源误差来源 激励电源频率和幅值的波动 环境温度的变化 零点残余电压的影响 场的不均匀第第3 3章章 电感式传感器电感式传感器3.2 3.2 3.2 3.2 差动变压器式传感器（互感式）差动变压器式传感器（互感式）差动变压器式传感器（互感式）差动变压器式传感器（互感式）输出相位特性?温度特性 环境温度的变动会影响差动变压器的灵敏度、环境温度的变动会影响差动变压器的灵敏度、线性度和相位，尤其对低频线性度和相位，尤其对低频(50(50赫赫)下工作的差动下工作的差动变压器影响更大变压器影响更大.因为这时的初级线圈阻性比较大。因为这时的初级线圈阻性比较大。环境温度变化，初级线圈铜电阻就有变化，若输环境温度变化，初级线圈铜电阻就有变化，若输入电压不变，初级线圈的电流就有改变，引起磁入电压不变，初级线圈的电流就有改变，引起磁通变化，结果，输出电压也随之改变。通变化，结果，输出电压也随之改变。环境温度变动会导致磁性材料的导磁率改变，环境温度变动会导致磁性材料的导磁率改变，引起铁损的变化。引起铁损的变化。温度变化会引起结构尺寸的改变，这决定于所温度变化会引起结构尺寸的改变，这决定于所用材料的热膨胀系数用材料的热膨胀系数.这种影响相对较小这种影响相对较小。第第3 3章章 电感式传感器电感式传感器 3.2 3.2 差动变压器式传感器（互感式）差动变压器式传感器（互感式）典型参数：量 程 5250mm线性度 0.1%0.5%灵敏度 0.15V/mm/v激励频率 40010kHz3.2 3.2 3.2 3.2 差差差差动变压动变压器式器式器式器式传传感器（互感式）感器（互感式）感器（互感式）感器（互感式）第第3 3章章 电感式传感器电感式传感器差动变压器结构形式差动变压器结构形式 3.2 3.2 3.2 3.2 差差差差动变压动变压器式器式器式器式传传感器（互感式）感器（互感式）感器（互感式）感器（互感式）3.2.3 3.2.3 3.2.3 3.2.3 零点残余电压零点残余电压零点残余电压零点残余电压 v 由由于于两两个个次次级级线线圈圈绕绕组组电电气气系系数数 （M M互互感感 L L电电感感 R R内内阻阻）不不同同，几几何何尺尺寸寸工工艺艺上上很很难难保保证证完完全全相相同同。实实际际的的特特性性曲曲线线，在在零零点点上上总总有有一一个个最最小小的的输输出出电电压压，这这个个铁铁芯芯处处于于中中间间位位置置时时最最小小不不为为零零的的电电压压称称为为零零点点残余电压。残余电压。第第3 3章章 电感式传感器电感式传感器零点残余电压产生的原因零点残余电压产生的原因(1)(1)差动式两个电感线圈的电气参数及导磁体的差动式两个电感线圈的电气参数及导磁体的几何尺寸不可能完全对称；几何尺寸不可能完全对称；(2)(2)传感器具有铁损，即磁芯磁化曲线的非线性；传感器具有铁损，即磁芯磁化曲线的非线性；(3)(3)电源电压中含有高次谐波；电源电压中含有高次谐波；(4)(4)线圈具有寄生电容，线圈与外壳铁心间有分线圈具有寄生电容，线圈与外壳铁心间有分布电容。布电容。减小减小零点残余电压零点残余电压首要保证首要保证两个次级线圈尽可能两个次级线圈尽可能对称对称3.2 3.2 3.2 3.2 差差差差动变压动变压器式器式器式器式传传感器（互感式）感器（互感式）感器（互感式）感器（互感式）3.2.3 3.2.3 3.2.3 3.2.3 零点残余电压零点残余电压零点残余电压零点残余电压 为减小零点残余电压的影响，一般要用电路进行补为减小零点残余电压的影响，一般要用电路进行补 偿偿,电路补偿的方法较多电路补偿的方法较多,常采用以下方法。常采用以下方法。串联电阻：消除两次级绕组基波分量幅值上的差异；串联电阻：消除两次级绕组基波分量幅值上的差异；并联电阻电容：消除基波分量相差，减小谐波分量；并联电阻电容：消除基波分量相差，减小谐波分量；相敏检波对零点残余误差有很好的抑制作用。相敏检波对零点残余误差有很好的抑制作用。串串 联联 电电 阻阻并并 联联 电电 阻阻第第3 3章章 电感式传感器电感式传感器3.2 3.2 3.2 3.2 差差差差动变压动变压器式器式器式器式传传感器（互感式）感器（互感式）感器（互感式）感器（互感式）3.2.4 3.2.4 3.2.4 3.2.4 测量电路测量电路测量电路测量电路 差动变压器输出为交流信号差动变压器输出为交流信号 常采用的测量方法有常采用的测量方法有 1.1.交流检测法交流检测法 2.2.差动整流电路差动整流电路 3.3.相敏检波电路。相敏检波电路。第第3 3章章 电感式传感器电感式传感器3.2 3.2 3.2 3.2 差差差差动变压动变压器式器式器式器式传传感器（互感式）感器（互感式）感器（互感式）感器（互感式）3.2.4 3.2.4 3.2.4 3.2.4 测量电路测量电路测量电路测量电路 差动整流电路差动整流电路:分半波和全波分半波和全波第第3 3章章 电感式传感器电感式传感器3.2 3.2 3.2 3.2 差差差差动变压动变压器式器式器式器式传传感器（互感式）感器（互感式）感器（互感式）感器（互感式）3.2.4 3.2.4 3.2.4 3.2.4 测量电路测量电路测量电路测量电路 第第3 3章章 电感式传感器电感式传感器相敏检波电路相敏检波电路差动相敏检波电路差动相敏检波电路交交流流电电源源同相或反相（设同相同相或反相（设同相）输出输出 当铁心位于正中时，电路当铁心位于正中时，电路对称，输出为对称，输出为0 0。电压输出：电压输出：一般来说：一般来说：电源正半周电路分析电源正半周电路分析当衔铁下移当衔铁下移+-+-平均为负。平均为负。电压输出：电压输出：平均为负。平均为负。结论：结论：衔铁下移，平均输出为负衔铁下移，平均输出为负；衔铁上移，平均输出为正！；衔铁上移，平均输出为正！电源负半周电路分析电源负半周电路分析当衔铁下移当衔铁下移+-+-3.2 3.2 3.2 3.2 差差差差动变压动变压器式器式器式器式传传感器（互感式）感器（互感式）感器（互感式）感器（互感式）3.2.4 3.2.4 3.2.4 3.2.4 测量电路测量电路测量电路测量电路 v输出正负电压的结果输出正负电压的结果:反行程旋转反行程旋转由由，工作曲线为过零点的直线。，工作曲线为过零点的直线。输出特性输出特性第第3 3章章 电感式传感器电感式传感器3.2 3.2 3.2 3.2 差差差差动变压动变压器式器式器式器式传传感器（互感式）感器（互感式）感器（互感式）感器（互感式）3.2.5 3.2.5 3.2.5 3.2.5 应用举例应用举例应用举例应用举例 差动变压器式传感器可直接用于位移测量，差动变压器式传感器可直接用于位移测量，也可以用来测量与位移有关的任何机械量，也可以用来测量与位移有关的任何机械量，如振动，加速度，应变等等。如振动，加速度，应变等等。第第3 3章章 电感式传感器电感式传感器（1）压差计）压差计当压差变化时，腔内当压差变化时，腔内膜片位移使差动变压器次膜片位移使差动变压器次级电压发生变化，输出与级电压发生变化，输出与位移成正比，与压差成正位移成正比，与压差成正比。比。3.2 3.2 3.2 3.2 差差差差动变压动变压器式器式器式器式传传感器（互感式）感器（互感式）感器（互感式）感器（互感式）3.2.5 3.2.5 3.2.5 3.2.5 应用举例应用举例应用举例应用举例第第3 3章章 电感式传感器电感式传感器（2 2 2 2）液位测量）液位测量）液位测量）液位测量 沉筒式液位沉筒式液位计将水将水位变化转换成位移变化，再位变化转换成位移变化，再转换为电感的变化，差动变转换为电感的变化，差动变压器的输出反映液位高低。压器的输出反映液位高低。3.2 3.2 3.2 3.2 差差差差动变压动变压器式器式器式器式传传感器（互感式）感器（互感式）感器（互感式）感器（互感式）3.2.5 3.2.5 3.2.5 3.2.5 应用举例应用举例应用举例应用举例（3 3）电感测厚仪）电感测厚仪 L1L1、L2L2是电感器传感器的两个线圈作为两个桥臂；是电感器传感器的两个线圈作为两个桥臂；四只二极管四只二极管D1-D4D1-D4组成相敏整流器；组成相敏整流器；RP1RP1调零电位器，调零电位器，RP2RP2调电流表调电流表M M满度；满度；第第3 3章章 电感式传感器电感式传感器被测厚度正常时被测厚度正常时电桥平衡无电流，电桥平衡无电流，被测厚度变化时被测厚度变化时电流电流M表方向偏转表方向偏转根据电流方向确定根据电流方向确定衔铁移动方向。衔铁移动方向。3.2 3.2 3.2 3.2 差差差差动变压动变压器式器式器式器式传传感器（互感式）感器（互感式）感器（互感式）感器（互感式）3.2.5 3.2.5 3.2.5 3.2.5 应用举例应用举例应用举例应用举例微压传感器微压传感器微压传感器微压传感器第第3 3章章 电感式传感器电感式传感器3.2 3.2 3.2 3.2 差差差差动变压动变压器式器式器式器式传传感器（互感式）感器（互感式）感器（互感式）感器（互感式）第第3 3章章 电感式传感器电感式传感器差动变压器传感器的应用差动变压器传感器的应用 3.33.3电涡流式传感器电涡流式传感器电涡流式传感器电涡流式传感器 v 由法拉第电磁感应原理可知：一个块状金属导由法拉第电磁感应原理可知：一个块状金属导由法拉第电磁感应原理可知：一个块状金属导由法拉第电磁感应原理可知：一个块状金属导 体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力 线运动时，导体内部会产生一圈圈闭合的电流，线运动时，导体内部会产生一圈圈闭合的电流，线运动时，导体内部会产生一圈圈闭合的电流，线运动时，导体内部会产生一圈圈闭合的电流，这种电流叫电涡流，这种现象叫做这种电流叫电涡流，这种现象叫做这种电流叫电涡流，这种现象叫做这种电流叫电涡流，这种现象叫做电涡流效应电涡流效应电涡流效应电涡流效应。w电涡流的作用电涡流的作用感应加热可制成高频炉，用于金属的冶炼、焊接感应加热可制成高频炉，用于金属的冶炼、焊接及材料提纯。及材料提纯。电磁阻尼器电磁阻尼器涡流产生阻尼作用。涡流产生阻尼作用。副作用：涡流损耗产生焦耳热烧毁设备。副作用：涡流损耗产生焦耳热烧毁设备。第第3 3章章 电感式传感器电感式传感器第第3 3章章 电感式传感电感式传感3.33.3电涡流式传感器电涡流式传感器电涡流式传感器电涡流式传感器根据电涡流效应制作的传感器称电涡流传感器根据电涡流效应制作的传感器称电涡流传感器;电涡流传感器能够对被测量进行非接触测量电涡流传感器能够对被测量进行非接触测量;形成电涡流必须具备两个条件：形成电涡流必须具备两个条件：存在交变磁场存在交变磁场 被测导电体处于交变磁场中被测导电体处于交变磁场中3.33.3电涡流式传感器电涡流式传感器电涡流式传感器电涡流式传感器 3.3.1 3.3.1 3.3.1 3.3.1 工作原理工作原理工作原理工作原理 把把把把一一一一个个个个扁扁扁扁平平平平线线线线圈圈圈圈置置置置于于于于金金金金属属属属导导导导体体体体附附附附近近近近，当当当当线线线线圈圈圈圈中中中中通通通通以以以以交交交交变变变变电电电电流流流流I I I I1 1 1 1时时时时，线线线线圈圈圈圈周周周周围围围围空空空空间间间间产产产产生生生生交交交交变变变变磁磁磁磁场场场场H H H H1 1 1 1，当当当当金金金金属属属属导导导导体体体体靠靠靠靠近近近近交交交交变变变变磁磁磁磁场场场场中中中中时时时时，导导导导体体体体内内内内部部部部就就就就会会会会产产产产生生生生涡涡涡涡流流流流I I I I2 2 2 2，这这这这个个个个涡涡涡涡流流流流产产产产生生生生反反反反抗抗抗抗H H H H1 1 1 1的交变磁场的交变磁场的交变磁场的交变磁场H H H H2 2 2 2。第第3 3章章 电感式传感器电感式传感器3.33.3电涡流式传感器电涡流式传感器电涡流式传感器电涡流式传感器 3.3.2 3.3.2 3.3.2 3.3.2 等效电路分析等效电路分析等效电路分析等效电路分析 根根根根据据据据涡涡涡涡流流流流的的的的分分分分布布布布，可可可可以以以以把把把把涡涡涡涡流流流流所所所所在在在在范范范范围围围围近近近近似似似似看看看看成成成成一一一一个个个个单单单单匝匝匝匝短短短短路路路路次次次次级级级级线线线线圈圈圈圈。当当当当线线线线圈圈圈圈靠靠靠靠近近近近金金金金属属属属导导导导体体体体时时时时，次次次次级级级级线圈通过互感线圈通过互感线圈通过互感线圈通过互感 M M M M 对初级作用。对初级作用。对初级作用。对初级作用。第第3 3章章 电感式传感器电感式传感器等效电路的两个回路方程（基尔霍夫第二定律）：等效电路的两个回路方程（基尔霍夫第二定律）：等效电路的两个回路方程（基尔霍夫第二定律）：等效电路的两个回路方程（基尔霍夫第二定律）：R10L103.33.3电涡流式传感器电涡流式传感器电涡流式传感器电涡流式传感器 3.3.2 3.3.2 3.3.2 3.3.2 等效电路分析等效电路分析等效电路分析等效电路分析等效电感为：等效电感为：等效电感为：等效电感为：第第3 3章章 电感式传感器电感式传感器解方程得到传感器的等效阻抗解方程得到传感器的等效阻抗解方程得到传感器的等效阻抗解方程得到传感器的等效阻抗 等效电阻为：等效电阻为：等效电阻为：等效电阻为：3.33.3电涡流式传感器电涡流式传感器电涡流式传感器电涡流式传感器 3.3.2 3.3.2 3.3.2 3.3.2 等效电路分析等效电路分析等效电路分析等效电路分析结论：结论：结论：结论：凡是能引起凡是能引起凡是能引起凡是能引起 R R R R2 2 2 2 L L L L2 2 2 2 M M M M变化变化变化变化 的物理量均可以引起传的物理量均可以引起传的物理量均可以引起传的物理量均可以引起传 感器线圈感器线圈感器线圈感器线圈R R R R1 1 1 1、L L L L1 1 1 1的变化。的变化。的变化。的变化。被测体（金属）的被测体（金属）的被测体（金属）的被测体（金属）的 电阻率电阻率电阻率电阻率导磁率导磁率导磁率导磁率厚度厚度厚度厚度d d d d，线圈与被测体间的线圈与被测体间的线圈与被测体间的线圈与被测体间的距离距离距离距离X X X X，激励线圈的激励线圈的激励线圈的激励线圈的角频率角频率角频率角频率等等等等 都通过涡流效应和磁效都通过涡流效应和磁效都通过涡流效应和磁效都通过涡流效应和磁效 应与线圈阻抗应与线圈阻抗应与线圈阻抗应与线圈阻抗Z Z Z Z发生关系发生关系发生关系发生关系第第3 3章章 电感式传感器电感式传感器R R R R2 2 2 2L L L L2 2 2 2M M M M L L L L1 1 1 1 R R R R1 1 1 1X X X X d d d d 3.33.3电涡流式传感器电涡流式传感器电涡流式传感器电涡流式传感器 3.3.2 3.3.2 3.3.2 3.3.2 等效电路分析等效电路分析等效电路分析等效电路分析结论：结论：结论：结论：、d d d d、X X X X、的变化使的变化使的变化使的变化使R R R R1 1 1 1、L L L L1 1 1 1发生变化，发生变化，发生变化，发生变化，若控制某些参数不变，只改变其中一个参数，若控制某些参数不变，只改变其中一个参数，若控制某些参数不变，只改变其中一个参数，若控制某些参数不变，只改变其中一个参数，可使阻抗可使阻抗可使阻抗可使阻抗 Z Z Z Z 成为这个参数的单值函数。成为这个参数的单值函数。成为这个参数的单值函数。成为这个参数的单值函数。第第3 3章章 电感式传感器电感式传感器 等效阻抗与这些参数有函数关系：等效阻抗与这些参数有函数关系：等效阻抗与这些参数有函数关系：等效阻抗与这些参数有函数关系：3.33.3电涡流式传感器电涡流式传感器电涡流式传感器电涡流式传感器 3.3.3 3.3.3 3.3.3 3.3.3 涡流的分布和强度涡流的分布和强度涡流的分布和强度涡流的分布和强度 涡流的分布：涡流的分布：涡流的分布：涡流的分布：因为金属存在趋肤效因为金属存在趋肤效因为金属存在趋肤效因为金属存在趋肤效应，电涡流只存在于金应，电涡流只存在于金应，电涡流只存在于金应，电涡流只存在于金属导体的表面薄层内属导体的表面薄层内属导体的表面薄层内属导体的表面薄层内,存存存存在一个涡流区，实际上在一个涡流区，实际上在一个涡流区，实际上在一个涡流区，实际上涡流的分布是不均匀的。涡流的分布是不均匀的。涡流的分布是不均匀的。涡流的分布是不均匀的。涡流区内各处的涡流密涡流区内各处的涡流密涡流区内各处的涡流密涡流区内各处的涡流密度不同，存在径向分布度不同，存在径向分布度不同，存在径向分布度不同，存在径向分布和轴向分布。和轴向分布。和轴向分布。和轴向分布。第第3 3章章 电感式传感器电感式传感器金属金属扁平线圈扁平线圈涡流区涡流区r/ros1hrosj3.33.3电涡流式传感器电涡流式传感器电涡流式传感器电涡流式传感器 3.3.3 3.3.3 3.3.3 3.3.3 涡流的分布和强度涡流的分布和强度涡流的分布和强度涡流的分布和强度 径向分布：径向分布：径向分布：径向分布：涡流范围与涡流线圈外径有一固定比例关系，涡流范围与涡流线圈外径有一固定比例关系，涡流范围与涡流线圈外径有一固定比例关系，涡流范围与涡流线圈外径有一固定比例关系，线圈外径确定后涡流范围也就确定了。线圈外径确定后涡流范围也就确定了。线圈外径确定后涡流范围也就确定了。线圈外径确定后涡流范围也就确定了。线圈外径处，线圈外径处，线圈外径处，线圈外径处，r=r=r=r=r r r rosososos 金属涡流密度最大；金属涡流密度最大；金属涡流密度最大；金属涡流密度最大；线圈中心处，线圈中心处，线圈中心处，线圈中心处，r=0 r=0 r=0 r=0 涡流密度为零涡流密度为零涡流密度为零涡流密度为零(j=0)(j=0)(j=0)(j=0)；r 0.4rr 0.4rr 0.4rr 0.4rosososos处（以内）基本没有涡流；处（以内）基本没有涡流；处（以内）基本没有涡流；处（以内）基本没有涡流；r=1.8rr=1.8rr=1.8rr=1.8rosososos线圈外径处涡流密度衰减到最大值的线圈外径处涡流密度衰减到最大值的线圈外径处涡流密度衰减到最大值的线圈外径处涡流密度衰减到最大值的5%5%5%5%。v 涡流密度最大值在线圈外径附近一个狭窄区域内涡流密度最大值在线圈外径附近一个狭窄区域内涡流密度最大值在线圈外径附近一个狭窄区域内涡流密度最大值在线圈外径附近一个狭窄区域内第第3 3章章 电感式传感器电感式传感器3.33.3电涡流式传感器电涡流式传感器电涡流式传感器电涡流式传感器 3.3.3 3.3.3 3.3.3 3.3.3 涡流的分布和强度涡流的分布和强度涡流的分布和强度涡流的分布和强度第第3 3章章 电感式传感器电感式传感器 轴向分布：轴向分布：轴向分布：轴向分布：由于趋肤效应涡流主要在表面薄层存在，由于趋肤效应涡流主要在表面薄层存在，由于趋肤效应涡流主要在表面薄层存在，由于趋肤效应涡流主要在表面薄层存在，沿磁场沿磁场沿磁场沿磁场H H H H方向（轴向）也是分布不均匀的。方向（轴向）也是分布不均匀的。方向（