项目三 电感式传感器

1、项目三 电感式传感器n电感式传感器是将被测量转换成线圈的自感或互感的电感式传感器是将被测量转换成线圈的自感或互感的变化，并通过一定的转换电路将其转变成电压或电流变化，并通过一定的转换电路将其转变成电压或电流输出的传感器。这类传感器包括自感式传感器、互感输出的传感器。这类传感器包括自感式传感器、互感式传感器、电涡流式传感器、压磁式传感器和感应同式传感器、电涡流式传感器、压磁式传感器和感应同步器式传感器。步器式传感器。任务一 自感式电感传感器n自感式传感器是将被测量的变化转变成线圈自感的变化的传自感式传感器是将被测量的变化转变成线圈自感的变化的传感器。图感器。图3-1所示是自感式传感器原理图。在图

2、所示是自感式传感器原理图。在图3-1(a)、(b)中，中，因为在铁芯与衔铁之间的气隙很小，所以磁路是封闭的。根因为在铁芯与衔铁之间的气隙很小，所以磁路是封闭的。根据自感的定义，线圈自感可由式据自感的定义，线圈自感可由式(3-1)确定确定mNRNdINddIdL2式中：式中：N为回路内磁链数；为回路内磁链数；为每匝线圈的磁通量；为每匝线圈的磁通量；I为线圈中的电流；为线圈中的电流；N为线圈匝数；为线圈匝数；Rm为磁路的总磁为磁路的总磁阻。阻。(3-1)一、自感式传感器的工作原理及结构一、自感式传感器的工作原理及结构对于图对于图3-1的情况，因为气隙厚度较小，可以认为气隙磁场是的情况，因为气隙厚度

3、较小，可以认为气隙磁场是均匀的，若忽略磁路铁损，则总磁阻为均匀的，若忽略磁路铁损，则总磁阻为SSlSlRm02221112图图3-1自感式传感器原理图自感式传感器原理图1线圈；线圈；2铁芯；铁芯；3衔铁衔铁一、自感式传感器的工作原理及结构一、自感式传感器的工作原理及结构式中：式中：l1为磁通通过铁芯的长度；为磁通通过铁芯的长度；l2为磁通通过衔铁的为磁通通过衔铁的长度；长度；1为铁芯材料的磁导率；为铁芯材料的磁导率；2为衔铁材料的磁导为衔铁材料的磁导率；率；0为空气的磁导率，为空气的磁导率，S1为铁芯的截面积；为铁芯的截面积；S2为衔为衔铁的截面积；铁的截面积；S为气隙的截面积；为气隙的截面积

4、；为气隙的厚度。为气隙的厚度。SSlSlNL022211122mH /10470n当铁芯的结构和材料确定后，式当铁芯的结构和材料确定后，式(3-3)(3-3)分母的第一项和分母的第一项和第二项为常数，此时，自感第二项为常数，此时，自感L L是气隙厚度是气隙厚度和气隙截面和气隙截面积积S S的函数，即的函数，即L Lf(f(，S)S)。如果保持。如果保持S S不变，则不变，则L L为为的单值函数，可构成变气隙型自感式传感器；如果的单值函数，可构成变气隙型自感式传感器；如果保持保持不变，使不变，使S S随位移变化，则构成变截面型传感器随位移变化，则构成变截面型传感器。一、自感式传感器的工作原理及结

5、构一、自感式传感器的工作原理及结构一、自感式传感器的工作原理及结构一、自感式传感器的工作原理及结构n如图如图3-1(c)3-1(c)所示，线圈中放入圆柱形衔铁，当衔铁上所示，线圈中放入圆柱形衔铁，当衔铁上下移动时，自感量将相应变化，这就构成了螺线管型下移动时，自感量将相应变化，这就构成了螺线管型自感式传感器自感式传感器 3-1(c)二、自感式传感器的转换电路n自感式传感器把被测量的变化转变成了电感量的变化。自感式传感器把被测量的变化转变成了电感量的变化。为了测出电感量的变化，就要用转换电路把电感量的为了测出电感量的变化，就要用转换电路把电感量的变化转换成电压变化转换成电压( (或电流或电流)

6、)的变化。最常用的转换电路的变化。最常用的转换电路有调幅、调频和调相电路。有调幅、调频和调相电路。n1 1调幅电路调幅电路n (1)(1)交流电桥交流电桥图3-2 变压器电桥二、自感式传感器的转换电路二、自感式传感器的转换电路n调幅电路的主要形式是交流电桥。调幅电路的主要形式是交流电桥。n图图3-23-2所示的是变压器电桥，所示的是变压器电桥，Z1Z1和和Z2Z2为传感器两个线圈为传感器两个线圈的阻抗，另两臂为电源变压器次级线圈的两半，每半的阻抗，另两臂为电源变压器次级线圈的两半，每半的电压为的电压为u u2 2。输出空载电压为。输出空载电压为ZZuu20二、自感式传感器的转换电路n比较式比较

7、式(3-5)(3-5)和式和式(3-6)(3-6)，说，说明这两种情况的输出电压大明这两种情况的输出电压大小相等，方向相反。由于小相等，方向相反。由于图3-3谐振式调幅电路0n是交流电压，输出是交流电压，输出指示无法判断位移指示无法判断位移方向，必须配合相方向，必须配合相敏检波电路来解决。敏检波电路来解决。1. 调幅电路n图图3-3(a)3-3(a)所示是谐振式调幅电路。在谐振式调幅电路所示是谐振式调幅电路。在谐振式调幅电路中，传感器电感中，传感器电感L L与电容与电容C C、变压器原边串联在一起，、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接入交流电源，变压器副边将有电压uouo

8、输出，输出电输出，输出电压的频率与电源频率相同，而幅值随着电感压的频率与电源频率相同，而幅值随着电感L L而变化，而变化，图图3-3(b)3-3(b)所示为输出电压所示为输出电压uouo与电感与电感L L的关系曲线，其中的关系曲线，其中L0L0为谐振点的电感值，此电路灵敏度很高，但线性差，为谐振点的电感值，此电路灵敏度很高，但线性差，适用于线性要求不高的场合。实际使用时，一般使用适用于线性要求不高的场合。实际使用时，一般使用特性曲线一侧接近线性的一段。特性曲线一侧接近线性的一段。2调频电路调频电路的基本原理是传感器电感调频电路的基本原理是传感器电感L L变化将引起输出变化将引起输出电压频率的变

9、。一般是把传感器电感电压频率的变。一般是把传感器电感L L和电容和电容C C接入接入一个振荡回路中，其振荡频率一个振荡回路中，其振荡频率LCf21谐振式谐振式调频电路如图调频电路如图3-4所示。当所示。当L变化时，变化时，振荡频率随之变化，根据振荡频率随之变化，根据f的大小即可测出被测量的值。的大小即可测出被测量的值。图图3-4(b)表示表示f与与L的特性，的特性，它具有明显的非线性关系。该频率可由数字频率计它具有明显的非线性关系。该频率可由数字频率计直接测量，也可通过直接测量，也可通过f-V转换，用数字电压表测量转换，用数字电压表测量2调频电路n图图3-43-4谐振式调频电路谐振式调频电路3

10、.调相电路n调相电路就是把传感器电感调相电路就是把传感器电感L L变化转换为输出电压相位变化转换为输出电压相位的变化。图的变化。图3-53-5所示为一个相位电桥，一臂为传感器所示为一个相位电桥，一臂为传感器L L，另一臂为固定电阻，另一臂为固定电阻R R。设计时使电感线圈具有高的。设计时使电感线圈具有高的品质因数。忽略其损耗电阻，则电感线圈上压降品质因数。忽略其损耗电阻，则电感线圈上压降uLuL与与固定电阻上压降固定电阻上压降uRuR是两个相互垂直的分量。当电感是两个相互垂直的分量。当电感L L变变化时，输出电压化时，输出电压u u。的幅值不变，相位角。的幅值不变，相位角随之变化。随之变化。

11、与与L L的关系为的关系为3.调相电路RLarctan2在这种情况下，当在这种情况下，当L L有了微小变化有了微小变化LL后，输出相后，输出相位变化位变化为为LLRLRl212图3-5调相电路电感式电感式三、自感式传感器应用举例n图图3-63-6所示是一个测量尺寸用的螺线管式差动自感式传所示是一个测量尺寸用的螺线管式差动自感式传感器，轮廓尺寸感器，轮廓尺寸15 mm15 mm94 mm94 mm。测端。测端1010用螺纹拧在用螺纹拧在测杆测杆8 8上，测杆上，测杆8 8可在滚珠导轨可在滚珠导轨7 7上做轴向移动。这里滚上做轴向移动。这里滚珠有四排，每排珠有四排，每排8 8粒，尺寸和形状误差都小

12、于粒，尺寸和形状误差都小于0-6m0-6m。测杆的上端固定着衔铁测杆的上端固定着衔铁3 3，当测杆移动时，带动衔铁在，当测杆移动时，带动衔铁在电感线圈电感线圈4 4中移动。中移动。 图3-6螺管式差动自感式传感器1引线电缆；2固定磁筒；3衔铁；4线圈；5测力弹簧；6防转销；7钢球导轨(直线轴承)；8测杆；9密封套；10测端；11被测工件；12基准面电感式电感式电感式电感式n线圈线圈4 4置于铁芯套筒置于铁芯套筒2 2中，铁芯材料是铁氧体，型号为中，铁芯材料是铁氧体，型号为MX1000MX1000。线圈匝数为。线圈匝数为2 2800800，线径，线径0 013 mm13 mm，每个，每个电感约为

13、电感约为4 mH4 mH。测力由弹簧。测力由弹簧5 5产生，一般控制在产生，一般控制在0 020204 N4 N。防转件。防转件6 6用来限制测杆的转动，以提高示用来限制测杆的转动，以提高示值的重复性。密封套值的重复性。密封套9 9用来防止尘土进入传感器内。用来防止尘土进入传感器内。1 1为传感器引线。外壳有标准直径为传感器引线。外壳有标准直径8 mm8 mm和和15 mm15 mm两两个夹持部分，便于安装在比较仪座上或有关仪器上使个夹持部分，便于安装在比较仪座上或有关仪器上使用。用。 电感式电感式n图图3-73-7所示为一种气体压力传感器的结构原理图。被测所示为一种气体压力传感器的结构原理图

14、。被测压力压力p p变化时，弹簧管的自由端产生位移，带动衔铁移变化时，弹簧管的自由端产生位移，带动衔铁移动，使传感器线圈动，使传感器线圈1 1、2 2中的自感值一个增加，一个减中的自感值一个增加，一个减小。线圈分别装在两个铁芯上，其初始位置可用螺钉小。线圈分别装在两个铁芯上，其初始位置可用螺钉来调节，也就是调整传感器的机械零点。传感器的整来调节，也就是调整传感器的机械零点。传感器的整个机芯装在一个圆形的金属盒内，用接头螺纹与被测个机芯装在一个圆形的金属盒内，用接头螺纹与被测对象相连接。对象相连接。图3-7气体压力传感器结构原理图电感式电感式n1调机械零点螺钉；n2C型螺旋管；n3线圈1；4衔铁

15、；n5线圈2任务二 差动变压器式传感器n一、差动变压器的工作原理及结构一、差动变压器的工作原理及结构n互感式电感传感器是把被测量转换成线圈互感量的电互感式电感传感器是把被测量转换成线圈互感量的电子元件。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，子元件。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组用差动形式连接，故称之为差动变压器并且次级绕组用差动形式连接，故称之为差动变压器式传感器，简称差动变压器。式传感器，简称差动变压器。n差动变压器结构形式较多，如图差动变压器结构形式较多，如图3 38 8所示，有变隙式、所示，有变隙式、螺线管式和变面积式等，但其工作原理基本一样。螺线管式和变面积式等

16、，但其工作原理基本一样。图3-8差动变压器结构示意图电感式电感式(电感式电感式na)变隙式差动变压器1；(b)变隙式差动变压器2；(c)螺线管式差动变压器1；n(d)螺线管式差动变压器2；(e)变面积式差动变压器1；(f)变面积式差动变压器2电感式电感式n螺线管式差动变压器结构如图螺线管式差动变压器结构如图3-93-9所示，它由活动铁芯、所示，它由活动铁芯、磁筒、骨架、初级线圈磁筒、骨架、初级线圈N1N1、两个次级线圈、两个次级线圈N2aN2a和和N2bN2b等等组成。组成。n螺线管式差动变压器中的两个次级线圈反向串联，在螺线管式差动变压器中的两个次级线圈反向串联，在理想情况下，忽略铁损、导磁

17、体磁阻和理想情况下，忽略铁损、导磁体磁阻和 图3-9 螺线管式差动变压器结构1 1活动衔铁；活动衔铁；2 2导磁外壳；导磁外壳；3 3骨架；骨架；4 4初级绕组；初级绕组；5 5，6 6次级绕组次级绕组电感式电感式n线圈分布电容，其等效电路如图线圈分布电容，其等效电路如图3 31010所示。当所示。当初级线圈绕组加以适当频率的激励电压时，根据初级线圈绕组加以适当频率的激励电压时，根据变压器的工作原理，在两个次级绕组变压器的工作原理，在两个次级绕组N2aN2a和和N2bN2b中中就会产生感应电动势就会产生感应电动势2a2a和和2b2b。12IMjEaa12IMjEbb式中：式中：Ma和和Mb为初

18、级绕组与两个次级绕组为初级绕组与两个次级绕组N2a和和N2b的互感；的互感；1为初级绕组中的电流，当次级开路时，为初级绕组中的电流，当次级开路时，有有1=1r1+jL1,其中其中1为初级绕组激励电压。为初级绕组激励电压。由于变压器两个次级绕组反向串联，且考虑到次级由于变压器两个次级绕组反向串联，且考虑到次级开路，则开路，则11122LjrUMMjEEUbaba图310差动变压器等效电路图3-10 （a）电感式电感式电感式电感式n如果变压器结构完全对称，则当活动铁芯处于初始平如果变压器结构完全对称，则当活动铁芯处于初始平衡位置时，使两次级绕组磁回路的磁阻相等、磁通相衡位置时，使两次级绕组磁回路的

19、磁阻相等、磁通相同、互感系数相同，根据电磁感应原理，有同、互感系数相同，根据电磁感应原理，有2a2a2b2b。因而因而2a-2b2a-2b0 0，即差动变压器输出电压为零。，即差动变压器输出电压为零。n当活动铁芯向次级绕组当活动铁芯向次级绕组N2aN2a方向移动时，由于磁阻的影方向移动时，由于磁阻的影响，响，N2aN2a中的磁通将大于中的磁通将大于N2bN2b中的磁通，使中的磁通，使MaMbMaMb，因而，因而2a2a增加，增加，2b2b减小；反之，减小；反之，2b2b增加，增加，2a2a减小。因为减小。因为2a-2a-2b2b，所以当，所以当2a2a和和2b2b随着铁芯位移随着铁芯位移xx变

20、化时，也随变化时，也随xx而变化。图而变化。图3 31111所示是差动变压器输出电压与活动铁所示是差动变压器输出电压与活动铁芯位移芯位移xx关系曲线。图中实线为理论特性曲线，虚线关系曲线。图中实线为理论特性曲线，虚线为实际特性曲线。为实际特性曲线。图311差动变压器输出特性曲线电感式电感式二、差动变压器的转换电路n差动变压器式传感器的转换电路一般采用反串电路和差动变压器式传感器的转换电路一般采用反串电路和桥路两种。桥路两种。n反串电路是直接把两个次级线圈反向串接，如图反串电路是直接把两个次级线圈反向串接，如图3 31212所示。在这种情况下，空载输出电压等于两个次级线所示。在这种情况下，空载输

21、出电压等于两个次级线圈感应电动势之差，即圈感应电动势之差，即no o2a-2b(32a-2b(312)12)图3-12反串电路电感式电感式n电桥电路如图电桥电路如图3 31313所示。图所示。图中中R1,R2R1,R2是桥臂电阻，是桥臂电阻，RPRP是调是调零电位器。暂时不考虑电位零电位器。暂时不考虑电位器，并设器，并设R1=R2R1=R2，则输出电压，则输出电压为为n可见，桥路的灵敏度是反串可见，桥路的灵敏度是反串电路的电路的1 12 2，其优点是利用，其优点是利用RPRP可进行电学调零，不需要可进行电学调零，不需要另外配置调零电路。此外，另外配置调零电路。此外，还可采用差动整流电路转换。还

22、可采用差动整流电路转换。2220baEEU图3-13电桥电路电感式电感式三、差动变压器应用举例n差动变压器可以直接用于位移测量，也可以测量与位差动变压器可以直接用于位移测量，也可以测量与位移有关的任何机械量，如力、力矩、压力、振动、加移有关的任何机械量，如力、力矩、压力、振动、加速度、液位等。下面介绍几种应用实例。速度、液位等。下面介绍几种应用实例。n1 1压力的测量压力的测量图3-14差动变压器式压力传感器1 1接头；接头；2 2膜盒：膜盒：3 3底座底座; ;4 4线路板；线路板；5 5差动变压器线圈；差动变压器线圈；6 6衔铁；衔铁；7 7罩壳；罩壳；8 8插头；插头；9 9通孔通孔电感

23、式电感式n差动变压器与弹性敏感元件差动变压器与弹性敏感元件( (如膜片、膜盒和弹簧管等如膜片、膜盒和弹簧管等) )相结合，可以组成压力传感器。图相结合，可以组成压力传感器。图3 31414所示为差动变所示为差动变压器式压力传感器，衔铁压器式压力传感器，衔铁6 6固定在膜盒中心。在无压力固定在膜盒中心。在无压力作用时，膜盒作用时，膜盒2 2处于初始状态，衔铁处于初始状态，衔铁6 6位于差动变压器位于差动变压器线圈线圈5 5的中部，输出电压为零。当被测压力作用在膜盒的中部，输出电压为零。当被测压力作用在膜盒上使其发生膨胀时，衔铁在差动变压器中移动，差动上使其发生膨胀时，衔铁在差动变压器中移动，差动

24、变压器输出正比于被测压力的电压。变压器输出正比于被测压力的电压。n这种微压力传感器可测这种微压力传感器可测(-46)(-46)104Pa104Pa的压力。的压力。2加速度的测量n图图3 31515所示为差动变压器式加速度传感器。质量块所示为差动变压器式加速度传感器。质量块2 2的材料是导磁的，它由两片片簧的材料是导磁的，它由两片片簧1 1支撑，线圈与骨架固支撑，线圈与骨架固定在基座上。测量时，基座固定在被测体上，与被测定在基座上。测量时，基座固定在被测体上，与被测体一起运动，质量块在弹簧片作用下相对线圈产生正体一起运动，质量块在弹簧片作用下相对线圈产生正比于加速度的位移。因此，由测得的位移得知

25、加速度。比于加速度的位移。因此，由测得的位移得知加速度。图3-15差动变压器式加速度传感器1 1片簧；片簧；2 2质量块质量块任务三了解零点残余电压n由式由式(3-4)(3-4)经简单数学变换后可得自感传感器交流电桥输出电经简单数学变换后可得自感传感器交流电桥输出电压为压为n而差动变压器的输出电压如式而差动变压器的输出电压如式(3-12)(3-12)和式和式(3-13)(3-13)所示。理论上，所示。理论上，当活动铁芯处于中间位置时，两线圈阻抗相等，传感器输出电当活动铁芯处于中间位置时，两线圈阻抗相等，传感器输出电压为零。然而实际上，由于传感器的阻抗是复数阻抗，很难做压为零。然而实际上，由于传

26、感器的阻抗是复数阻抗，很难做到两线圈电阻和电感完全相等，这就致使传感器在铁芯处于中到两线圈电阻和电感完全相等，这就致使传感器在铁芯处于中间位置时，输出电压不为零。通常把传感器在零位移时的这个间位置时，输出电压不为零。通常把传感器在零位移时的这个输出电压称为零点残余电压。输出电压称为零点残余电压。 212102ZZZZuU电感式电感式n如图如图3-113-11所示，实际输出所示，实际输出n特性曲线和理论输出特性曲线的差值就是零点残余电特性曲线和理论输出特性曲线的差值就是零点残余电压。零点残余电压过大，会使传感器的灵敏度下降，压。零点残余电压过大，会使传感器的灵敏度下降，非线性误差增大，不同档位的

27、放大倍数有显著差别，非线性误差增大，不同档位的放大倍数有显著差别，甚至造成放大器末级趋于饱和，致使仪器电路不能正甚至造成放大器末级趋于饱和，致使仪器电路不能正常工作，甚至不再反映被测量的变化。在仪器的放大常工作，甚至不再反映被测量的变化。在仪器的放大倍数较大时，这点尤应注意。倍数较大时，这点尤应注意。n因此，零点残余电压的大小是判别传感器质量的重要因此，零点残余电压的大小是判别传感器质量的重要指标之一。在制造传感器时，要规定其零点残余电压指标之一。在制造传感器时，要规定其零点残余电压不得超过某一定值。例如，某自感测位仪的传感器，不得超过某一定值。例如，某自感测位仪的传感器，其输出信号经其输出信

28、号经200200倍放大后，在放大器末级测量，零点倍放大后，在放大器末级测量，零点残余电压不得超过残余电压不得超过80mV80mV。仪器在使用过程中，若有迹。仪器在使用过程中，若有迹象表明传感器的零点残余电压过大，就要进行调整。象表明传感器的零点残余电压过大，就要进行调整。1产生零点残余电压的原因n1)1)由于两个电感线圈的等效参数不对称，使其输出的由于两个电感线圈的等效参数不对称，使其输出的基波感应电动势的幅值和相位不同，调整磁心位置时，基波感应电动势的幅值和相位不同，调整磁心位置时，也不能达到幅值和相位同时相同。也不能达到幅值和相位同时相同。n2)2)由于传感器磁芯的磁化曲线是非线性的，所以

29、在传由于传感器磁芯的磁化曲线是非线性的，所以在传感器线圈中产生高次谐波。而两个线圈的非线性不一感器线圈中产生高次谐波。而两个线圈的非线性不一致，使高次谐波不能互相抵消。致，使高次谐波不能互相抵消。2减小电感传感器零点残余电压的措施n1)1)在设计和工艺上，要求做到磁路对称、线圈对称。在设计和工艺上，要求做到磁路对称、线圈对称。铁芯材料要均匀，特性要一致。两线圈绕制要均匀，铁芯材料要均匀，特性要一致。两线圈绕制要均匀，松紧一致。松紧一致。n2)2)采用拆圈的实验方法，调整两个线圈的等效参数，采用拆圈的实验方法，调整两个线圈的等效参数，使其尽量相同，以减小零点残余电压。使其尽量相同，以减小零点残余

30、电压。n3)3)在电路上进行补偿。补偿方法主要有：加串联电阻、在电路上进行补偿。补偿方法主要有：加串联电阻、加并联电容、加反馈电阻或反馈电容等。加并联电容、加反馈电阻或反馈电容等。图3-16所示是几个补偿零点残余电压的实例。图316补偿零点残余电压的电路电感式电感式电感式电感式n图图3-16(a)3-16(a)中在输出端接入电位器中在输出端接入电位器RPRP，电位器的动点接，电位器的动点接两个次级侧线圈的公共点。调节电位器，可使两个次两个次级侧线圈的公共点。调节电位器，可使两个次级线圈输出电压的大小和相位发生变化，从而使零点级线圈输出电压的大小和相位发生变化，从而使零点电压为最小值。电压为最小

31、值。RPRP的电阻一般在的电阻一般在10 k10 k左右。这种方左右。这种方法对基波正交分量有明显的补偿效果，但对高次谐波法对基波正交分量有明显的补偿效果，但对高次谐波无补偿作用。如果并联一只电容无补偿作用。如果并联一只电容C C，就可有效地补偿高，就可有效地补偿高次谐波分量，如图次谐波分量，如图3 316(b)16(b)所示。电容所示。电容C C的大小要适当，的大小要适当，常为常为0 01F1F以下，要通过实验确定。图以下，要通过实验确定。图3 316(c)16(c)中，中，串联电阻串联电阻R R调整次级线圈的调整次级线圈的n电阻值不平衡，并联电容改变其中一个输出电动势的电阻值不平衡，并联电

32、容改变其中一个输出电动势的相位，也能达到良好的零残电压补偿作用。图相位，也能达到良好的零残电压补偿作用。图3 316(d)16(d)中，接入中，接入R(R(几百千欧几百千欧) )减轻了两个次级线圈的负载，可减轻了两个次级线圈的负载，可以避免外接负载不是纯电阻而引起较大的零残电压。以避免外接负载不是纯电阻而引起较大的零残电压。任务四电涡流式传感器n电涡流式传感器是基于涡流效应工作的。金属导体置电涡流式传感器是基于涡流效应工作的。金属导体置于交变磁场中，在导体内会产生呈涡流状的感应电流，于交变磁场中，在导体内会产生呈涡流状的感应电流，这种电流在导体内是闭合的，所以称之为电涡流。这这种电流在导体内是

33、闭合的，所以称之为电涡流。这种现象称为涡流效应。种现象称为涡流效应。n如图如图3-173-17所示，所示，一、电涡流式传感器的工作原理及结构一、电涡流式传感器的工作原理及结构图317电涡流作用原理图把一个金属导体置于线圈附近，把一个金属导体置于线圈附近，当线圈中通以交变电流当线圈中通以交变电流1 1时，时，线圈的周围空间就产生了线圈的周围空间就产生了交变磁场交变磁场H1H1， 电感式电感式n处于此交变磁场中的金属导体内就会产生涡流处于此交变磁场中的金属导体内就会产生涡流2 2，此涡，此涡流将产生一个新的交变磁场流将产生一个新的交变磁场H2H2，H2H2的方向和的方向和H1H1的方向的方向相反，

34、削弱了原磁场相反，削弱了原磁场H1H1，从而导致线圈的电感量、阻，从而导致线圈的电感量、阻抗及品质因数发生变化。抗及品质因数发生变化。n若把导体视为一个线圈，则导体与线圈可以等效为相若把导体视为一个线圈，则导体与线圈可以等效为相互耦合的两个线圈，如图互耦合的两个线圈，如图3-183-18所示。所示。图3-18电涡流式传感器等效电路电感式电感式n根据基尔霍夫定律，可以列出方程为根据基尔霍夫定律，可以列出方程为n式中：式中：R1R1、L1L1、1 1分别为线圈的电阻、电感和电流；分别为线圈的电阻、电感和电流；R2R2、L2L2、2 2分分别为金属导体的电阻、电感和电流；别为金属导体的电阻、电感和电

35、流；1 1、分别为线圈激励电源分别为线圈激励电源电压和频率；电压和频率；M M为导体与线圈之间的互感系数。为导体与线圈之间的互感系数。n解方程得解方程得012222121111MLjILjIRUMIjILjIR12222222222222212222222111ILRMRjMLILLRMLjRLRMRUI电感式电感式n由此得到线圈受到电涡流作用后的等效阻抗为由此得到线圈受到电涡流作用后的等效阻抗为n线圈的等效电阻、电感分别为线圈的等效电阻、电感分别为22222212222221LRMLLjLRMRRZ2222221LRMRRR2222221LRMLLL电感式电感式n由式由式(3(317)17)

36、可知，线圈受到涡流的影响，其阻抗的可知，线圈受到涡流的影响，其阻抗的实数部分增大，虚数部分减小，使得线圈的品质因数实数部分增大，虚数部分减小，使得线圈的品质因数下降。下降。n式中：式中：Q1Q1为无涡流影响时线圈的品质因数；为无涡流影响时线圈的品质因数；Z2Z2为金属为金属导体中产生涡流部分的阻抗，导体中产生涡流部分的阻抗，Z2Z2R22+(L2)2R22+(L2)2。n由此可知，金属导体的电导率由此可知，金属导体的电导率、磁导率、磁导率，线圈激，线圈激励电压的频率励电压的频率及线圈与金属导体之间的距离及线圈与金属导体之间的距离x x都将都将导致线圈的阻抗、电感量及品质因数发生变化，即导致线圈

37、的阻抗、电感量及品质因数发生变化，即nZ=f(,x)(3Z=f(,x)(321)21)221222221222111ZRMRZLMLQQ电感式电感式n如果改变其中某个参数，而其他参数保持不变，即可如果改变其中某个参数，而其他参数保持不变，即可构成关于这个参数的电涡流传感器。构成关于这个参数的电涡流传感器。n事实上，由于趋肤效应，涡流只存在于金属导体的表事实上，由于趋肤效应，涡流只存在于金属导体的表面薄层中，其穿透深度面薄层中，其穿透深度h h可表示为可表示为n式中：式中：h h为趋肤深度；为趋肤深度；00、rr为空气磁导率和金属导为空气磁导率和金属导体相对磁导率；体相对磁导率；为导体的电阻率；

38、为导体的电阻率；f f为激励电源频率。为激励电源频率。n由上式可知，趋肤深度由上式可知，趋肤深度h h与激励电源频率与激励电源频率f f有关，频率有关，频率越高，涡流贯穿深度越高，涡流贯穿深度h h越小；反之，越小；反之，h h就越大。因此，就越大。因此，电涡流传感器根据激励电源频率的高低，可以分为高电涡流传感器根据激励电源频率的高低，可以分为高频反射式和低频透射式两大类。频反射式和低频透射式两大类。fhr0二、电涡流式传感器的转换电路n电涡流式传感器的转换电路主要有调频式电路、调幅电涡流式传感器的转换电路主要有调频式电路、调幅式电路和交流电桥式电路。式电路和交流电桥式电路。n图图3-193-

39、19调频式电路原理图调频式电路原理图1调频式电路n图图3-193-19所示的为调频式电路原理图。该转换电路由电所示的为调频式电路原理图。该转换电路由电容三点式振荡器和射极输出器两部分组成。容三点式振荡器和射极输出器两部分组成。n振荡器由晶体管振荡器由晶体管VT1VT1、电容、电容C C、C2C2、C3C3和电涡流传感器和电涡流传感器线圈线圈L L构成。当被测量变化引起传感器线圈的电感量变构成。当被测量变化引起传感器线圈的电感量变化时，振荡器的振荡频率就发生相应变化，从而实现化时，振荡器的振荡频率就发生相应变化，从而实现频率调制。频率调制。电感式电感式n射极输出器由晶体管射极输出器由晶体管VT2

40、VT2和设计电阻和设计电阻R6R6等元件构成，起等元件构成，起阻抗匹配作用。使用这种调频式转换电路，传感器输阻抗匹配作用。使用这种调频式转换电路，传感器输出电缆的分布电容的影响是不能忽略的。它会使振荡出电缆的分布电容的影响是不能忽略的。它会使振荡器的频率发生变化，从而影响测量结果。因此，通常器的频率发生变化，从而影响测量结果。因此，通常将将L L、C C装在传感器内部。这样电缆的分布电容并联在装在传感器内部。这样电缆的分布电容并联在大电容大电容C2C2、C3C3上，因而对振荡器频率的影响就大大减上，因而对振荡器频率的影响就大大减小。小。2调幅式电路n图图3-203-20所示为调幅式电路原理图。

41、传感器线圈所示为调幅式电路原理图。传感器线圈L L和电容器和电容器C C并并联组成谐振回路，石英晶体振荡器给谐振回路提供一个高频联组成谐振回路，石英晶体振荡器给谐振回路提供一个高频激励电流信号。激励电流信号。LCLC回路输出电压为回路输出电压为n式中：式中：i0i0为高频激励电流；为高频激励电流；Z Z为为LCLC回路的阻抗。回路的阻抗。 ZfiU00图3-20调幅式电路原理图电感式电感式3交流电桥式电路n图图3 32121所示为交流电桥电路原理图。图中所示为交流电桥电路原理图。图中Z1Z1、Z2Z2为差为差动式传感器的两个线圈，它们与电容动式传感器的两个线圈，它们与电容C1C1、C2C2，电

42、阻，电阻R1R1、R2R2组成四臂电桥。桥路输出电压幅值随传感器线圈阻组成四臂电桥。桥路输出电压幅值随传感器线圈阻抗的变化而变化。抗的变化而变化。图3-21交流电桥电路原理图电感式电感式三、电涡流式传感器的应用n电涡流式传感器具有结构简单、灵敏度较高、测量范围大、抗干扰能力强、易于进行非接触的连续测量等优点，因此得到广泛的应用。图3-22汽轮机主轴的轴向位移测量示意图1基座；2旋转设备（汽轮机）；3联轴器；4主轴；5电涡流探头；6发电机1位移测量n电涡流式传感器可以测量各种形式的位移量。如图电涡流式传感器可以测量各种形式的位移量。如图3-3-2222所示为汽轮机主轴的轴向位移测量示意图。联轴所

43、示为汽轮机主轴的轴向位移测量示意图。联轴器安装在汽轮机的主轴上，高频反射式电涡流式传感器安装在汽轮机的主轴上，高频反射式电涡流式传感器置于联轴器附近。当汽轮机主轴沿轴向存在位移时，器置于联轴器附近。当汽轮机主轴沿轴向存在位移时，传感器线圈与联轴器传感器线圈与联轴器( (金属导体金属导体) )的距离发生变化，引的距离发生变化，引起线圈阻抗变化，从而使传感器的输出发生改变。根起线圈阻抗变化，从而使传感器的输出发生改变。根据传感器的输出即可测得汽轮机主轴沿轴向的位移量据传感器的输出即可测得汽轮机主轴沿轴向的位移量( (轴向窜动轴向窜动) )。如将电涡流式传感器安置在主轴的径向。如将电涡流式传感器安置

44、在主轴的径向位置，则可测量主轴的径向跳动。位置，则可测量主轴的径向跳动。2厚度测量n图图3-233-23所示为高频反射式涡流测厚仪测试系统原理图。所示为高频反射式涡流测厚仪测试系统原理图。为了克服带材为了克服带材不够平整或运不够平整或运行过程中上行过程中上下波动的影响，下波动的影响，在带材的上、下两侧在带材的上、下两侧对称地设置了两个特性对称地设置了两个特性完全相同的涡流传感器完全相同的涡流传感器S1S1、S2S2。S1S1、S2S2与被测带材表面之间的距离分别为与被测带材表面之间的距离分别为x1x1和和x2x2。 图323n若带材厚度不变，则被测带材上、下表面之间的距离若带材厚度不变，则被测

45、带材上、下表面之间的距离总有总有x1+x2x1+x2常数的关系存在。两传感器的输出电压之常数的关系存在。两传感器的输出电压之和为和为2Uo2Uo数值不变。如果被测带材厚度改变量为数值不变。如果被测带材厚度改变量为，则两传感器与带材之间的距离也改变了一个则两传感器与带材之间的距离也改变了一个，两，两传感器的输出电压此时为传感器的输出电压此时为2Uo+UoU2Uo+UoU经放大器放大后，经放大器放大后，通过指示仪表电路即可指示出带材的厚度变化值。带通过指示仪表电路即可指示出带材的厚度变化值。带材厚度给定值与偏差指示值的代数和就是被测带材的材厚度给定值与偏差指示值的代数和就是被测带材的厚度。厚度。3

46、.转速测量n如图如图3 32424所示，在与被测物体同轴安装的测量轮上开所示，在与被测物体同轴安装的测量轮上开有一个或几个凹槽，或者是凸起的齿，将电涡流式传有一个或几个凹槽，或者是凸起的齿，将电涡流式传感器安置在测量轮附近，测量轮在旋转过程中，传感感器安置在测量轮附近，测量轮在旋转过程中，传感器线圈与导体之间的距离有规律地变化，根据输出信器线圈与导体之间的距离有规律地变化，根据输出信号的频率号的频率f f即可得到被测旋转体的转速即可得到被测旋转体的转速n n，n n60f60fZ Z。其中，其中，Z Z为凹槽数或者凸起齿的齿数。为凹槽数或者凸起齿的齿数。图3-24转速测量任务五压磁式传感器n压

47、磁式传感器是基于压磁效应工作的。压磁效应是磁压磁式传感器是基于压磁效应工作的。压磁效应是磁致伸缩逆效应。致伸缩逆效应。n一、压磁效应一、压磁效应1磁致伸缩效应n某些铁磁体及其合金，以及某些铁氧体在外磁场作用某些铁磁体及其合金，以及某些铁氧体在外磁场作用下产生机械变形的现象称为磁致伸缩效应或称焦耳效下产生机械变形的现象称为磁致伸缩效应或称焦耳效应。它是由于这些强磁性体内部的磁畴在其自发磁化应。它是由于这些强磁性体内部的磁畴在其自发磁化方向的长度与其他方向是不同的，在没有外磁场作用方向的长度与其他方向是不同的，在没有外磁场作用时，各个磁畴排列杂乱，磁化均衡，当有外加磁场时，时，各个磁畴排列杂乱，磁

48、化均衡，当有外加磁场时，均衡被破坏，各个磁畴转动，使它们的磁化方向尽量均衡被破坏，各个磁畴转动，使它们的磁化方向尽量转到与外磁场相一致，因而磁性体沿外磁场方向的长转到与外磁场相一致，因而磁性体沿外磁场方向的长度发生变化。其伸缩量一般很小，约度发生变化。其伸缩量一般很小，约10-510-510-610-6。具。具有磁致伸缩效应的磁性材料有硅钢片、坡莫合金等。有磁致伸缩效应的磁性材料有硅钢片、坡莫合金等。2压磁效应n磁致伸缩材料在外力磁致伸缩材料在外力( (或应力、应变或应力、应变) )作用下，引起内作用下，引起内部发生形变，产生应力，使各磁畴之间的界限发生移部发生形变，产生应力，使各磁畴之间的界

49、限发生移动，磁畴磁化强度矢量转动，从而使材料的磁化强度动，磁畴磁化强度矢量转动，从而使材料的磁化强度和磁导率发生相应的变化。这种由于应力使磁性材料和磁导率发生相应的变化。这种由于应力使磁性材料磁性质发生变化的现象称为压磁效应，也称逆磁致伸磁性质发生变化的现象称为压磁效应，也称逆磁致伸缩效应。缩效应。n压磁材料受压力时，在作用力方向磁导率减小，而在压磁材料受压力时，在作用力方向磁导率减小，而在与作用力垂直的方向磁导率略有增大；作用力是拉力，与作用力垂直的方向磁导率略有增大；作用力是拉力，结果相反。作用力取消后，磁导率恢复原值。其压磁结果相反。作用力取消后，磁导率恢复原值。其压磁效应还与外磁场有关

50、。效应还与外磁场有关。3压磁元件n压磁式传感器的核心是压磁元件，它实际上是一个力压磁式传感器的核心是压磁元件，它实际上是一个力电转换元件。压磁元件常用的材料有硅钢片、坡莫电转换元件。压磁元件常用的材料有硅钢片、坡莫合金等。为了减小涡流损耗，压磁元件的铁芯大都采合金等。为了减小涡流损耗，压磁元件的铁芯大都采用薄片的铁磁材料叠合而成。用薄片的铁磁材料叠合而成。n利用压磁效应制成压磁式传感器，可以用来测量拉力、利用压磁效应制成压磁式传感器，可以用来测量拉力、压力、重量、力矩和弯矩等物理量。压力、重量、力矩和弯矩等物理量。二、压磁式传感器的结构及原理n压磁式传感器又称为磁弹性传感器，按照其工作原理，压

51、磁式传感器又称为磁弹性传感器，按照其工作原理，可以分为阻流圈式、变压器式、桥式等几种结构形式，可以分为阻流圈式、变压器式、桥式等几种结构形式，其中阻流圈式、变压器式应用较多。其中阻流圈式、变压器式应用较多。1.阻流圈式压磁式传感器n如图如图3 32525所示，阻流圈式压磁式传感器只有一个线圈，所示，阻流圈式压磁式传感器只有一个线圈，这个线圈既作为激励线圈也作为测量线圈。这个线圈既作为激励线圈也作为测量线圈。 n给线圈通以交流电，铁芯在外力给线圈通以交流电，铁芯在外力F F作用下，作用下，n其磁导率发生变化，其磁导率发生变化，n磁阻和磁通也相应地发生变化，使线圈的阻抗磁阻和磁通也相应地发生变化，

52、使线圈的阻抗n发生变化，引起线圈中的电流变化。发生变化，引起线圈中的电流变化。n阻流圈式压磁式传感器可以用来测量压力，阻流圈式压磁式传感器可以用来测量压力，n其优点是结构简单，使用可靠。其优点是结构简单，使用可靠。图3-25阻流圈式压磁式传感器原理图 阻流圈式压磁式传感器原理图 2变压器式压磁式传感器n变压器式压磁式传感器有两组线圈，一组是激励线圈，变压器式压磁式传感器有两组线圈，一组是激励线圈，另一组是测量线圈，它们之间通过磁进行耦合。激励另一组是测量线圈，它们之间通过磁进行耦合。激励线圈和测量线圈都绕在压磁元件上。压磁元件是由铁线圈和测量线圈都绕在压磁元件上。压磁元件是由铁磁材料薄片用胶黏

53、剂黏结而成。如图磁材料薄片用胶黏剂黏结而成。如图3 32626所示为变压所示为变压器式压磁式传感器原理图。器式压磁式传感器原理图。图3-26变压器式压磁式传感器原理图变压器式压磁式传感器原理变压器式压磁式传感器原理图n将硅钢片冲压成一定的形状，中间有四个对称的冲孔将硅钢片冲压成一定的形状，中间有四个对称的冲孔A A、B B、C C、D D，在四个冲孔中绕有两个正交的线圈。，在四个冲孔中绕有两个正交的线圈。A A、B B孔孔中是激励线圈，中是激励线圈，C C、D D孔中是测量线圈，它与测量电路孔中是测量线圈，它与测量电路相连。在激励线圈中通以稳定的交变激励电流，当压相连。在激励线圈中通以稳定的交

54、变激励电流，当压磁元件不受外力作用时，由于铁芯的各向同性，激励磁元件不受外力作用时，由于铁芯的各向同性，激励线圈产生同心圆状的磁场，其磁力线不与测量线圈交线圈产生同心圆状的磁场，其磁力线不与测量线圈交链，测量线圈输出的感应电动势为零。链，测量线圈输出的感应电动势为零。变压器式压磁式传感器原理图n当压磁元件受到外力作用后，沿外力的作用方向磁导当压磁元件受到外力作用后，沿外力的作用方向磁导率下降，而垂直于作用力方向磁导率则增大，磁力线率下降，而垂直于作用力方向磁导率则增大，磁力线便成椭圆形，一部分磁力线通过便成椭圆形，一部分磁力线通过C C、D D线圈，从而产生线圈，从而产生感应电动势。外作用力越

55、大，与感应电动势。外作用力越大，与C C、D D交链的磁通越多，交链的磁通越多，感应电动势就越大。感应电动势就越大。3桥式压磁式传感器n桥式压磁式传感器由两个垂直交叉放置的铁芯构成，桥式压磁式传感器由两个垂直交叉放置的铁芯构成，在两个铁芯上分别绕有激励线圈在两个铁芯上分别绕有激励线圈P1P1、P2P2和测量线圈和测量线圈S1S1、S2S2，其中，其中P1P2P1P2沿轴线，沿轴线，S1S2S1S2沿垂直于轴线方向放置，沿垂直于轴线方向放置，图图3 32727所示为桥式压磁式扭矩传感器原理图。所示为桥式压磁式扭矩传感器原理图。 图327桥式压磁式扭矩传感器原理图n两个铁芯的开口端与转轴表面保持两个铁芯的开口端与转轴表面保持1 12 mm2 mm空隙，当空隙，当P1P2P1P2线圈通入交