传感器原理与应用— 电感式

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图3.60 电涡流式安全检查门
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电涡流式传感器
1. 测量原理
☎ 电涡流式传感器（Electric Eddy Transducer）是利 用金属导体在交变磁场中的电涡流效应进行工 作的。其基本测量原理是基于电磁感应原理， 具有线圈结构这一电感式传感器的显著特征。
☎ 按照电涡流在导体内的贯穿情况及传感器结构 不同，可分成高频反射式和低频投射式两大类 。
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应用案例(1)：差动压力变送器
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图3.58 差动压力变送器
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应用案例(2)：张力测量控制系统
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图3.59 差动变压器式张力测量控制系统
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电涡流式传感器
应用示例：电涡流式通道安全检查门
1-报警指示灯 2-内藏式电涡流线圈 3-液晶彩显 4-X光及中子探测器图像处理系统
思考 ： 高 频 反 射
式和低频透射式 电涡流传感器有 何区别？
☎ 低频透射式电涡流传感器测厚
①测量原理 ②结构型式 ③输出信号 ④测量电路
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电涡流式传感器
(2) 高频反射式电涡流传感器
① 工作原理：基于电涡流效应，当
传感器线圈中有一高频交变电流 i 通过时，在线圈周围有交变磁通 φ 产生。此交变磁通通过附近的金 属板，金属板中产生交变的电涡 流i1。由于采用高频激励，此电涡 流集中分布在导体表面。交变 i1也 将产生一个交变的新磁场φ1，φ1与 φ 方向相反，力图削弱原磁场 的 iφ i1 1 L / Z / Q 变化，从而导致线圈的电感量 L、 ( 交 变 电 流) ( 感应电流，简称涡流） 阻抗 Z 和品质因数 Q 发生变化。在 一定范围内，通过测量L、Z或Q的 变化就可实现测量。
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电涡流式传感器
(2) 高频反射式电涡流传感器
② 结构型式
☫ 由一个扁平线圈构成，并通以高频交流激励，通过 测量该传感器线圈的电参数，包括电感、阻抗和品 质因数的变化来进行测量。 BP d1＞ d2 ☫ 传感器的测量范围与这种传 感器线圈外径有关，线圈外 径大时，线圈的磁场轴向分 布范围大，但磁感应强度的 变化梯度小；线圈外径小时 则相反。
☻ 测量特性：
① 灵敏度较前两种低。 ② 具有较大的线性范围，适用于较大位移测量。
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自感式传感器
2. 应用特性
☎ 自感式传感器输出为线圈的自感系数，是典型的电参量 型传感器。 ☎ 需要采用交流激励电源，设计合理的电感到电压转换电 路以实现测量。 ☻ 常见的测量转换电路除交流电桥电路外，还有调幅 电路、调频电路、调相电路等各种调制电路。在自 感式传感器中，调幅电路用得较多，调频和调相电 路用得较少。 ☎ 自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 2016/9/14 12 量力、压力、转矩、物位等等。
传统传感器原理 及应用
Traditional Transducers
传统传感器
电参量型传感器
电量型传感器
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电参量型传感器
电阻式传感器
电感式传感器
电容式传感器
电参量型传感器测量电路
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电感式传感器
电感式传感器(Inductance Transducer)是建立在电磁感应 的基础上，利用线圈自感或互感的变化实现非电量的测量 。这类传感器的主要特征是具有线圈绕组 。 利用磁路磁阻变化引起传感器线圈的自感或互感变化来测 量的传感器，分别称为自感式传感器和互感式传感器（又 称差动变压器式传感器），故又通称为变磁阻式传感器。 电感式传感器还包括基于电涡流效应的涡流效应的电涡流 传感器(Electric Eddy Transducer)，利用电磁感应原理的 感应同步器 (Inductive Synchronizer ，将在数字传感器中 讲述)等。
自感式传感器
2. 应用特性
☎ 差动式自感传感器
☻ 由单一式结构对称组合，构成差动式自感传感器，可 改善其性能：
① 灵敏度提高 ② 非线性补偿 ③ 对电源电压与频率的波动及温度变化等外界影响也有补 偿，提高了传感器的稳定性。
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差动式自感传感器的结构类型
L1 L1 L2
L2 L1 L2
(a) 变气隙差动型
(b) 变面积差动型
(c) 双螺线管差动型
图3.48 差动式自感传感器典型结构
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应用案例(1)：差动电感式压力传感器
C形弹簧管 线圈1
调机械 零点螺钉 P
线圈2
衔铁
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图3.49 差动电感式压力传感器
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应用案例(2)：轴向式电感测微器
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图3.50 轴向式电感测微器
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差动电感电桥测量电路
图3.51 交流差动电感测量电桥
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电感式滚柱直径分选装置
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图3.52电感式滚柱直径分选装置
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互感式传感器
应用示例：
F 上部 变形部 铁心 线圈 下部 L21 L1 L22
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图3.53 差动变压器式力传感器
1. 测量原理 ☎ 自感式传感器的结构类型：
(1) 变气隙式自感传感器 (2) 变面积式自感传感器 (3) 螺管式自感传感器
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自感式传感器
(1) 变气隙式自感传感器
匝数为W的线圈自感系数（自感 ）： W 2 W 2 μ S L Rm l dL W 2 μ S 灵敏度：S 2 dl l
图 3.62 贯 穿 深 度 h 与 激 励 频 率f的关系
☫ 贯穿深度h随激励频率f的升高而逐渐减小，频率越低， 贯穿深度越大。 ☻ 根据电涡流在导体内的贯穿情况（是否穿透导体），电涡 流传感器可分为高频反射式和低频透射式两种结构形式。
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电涡流式传感器
电涡流传感器测厚
☎ 高频反射式电涡流传感器测厚
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e12 M12
di dt
差动变压器传感器的结构类型
Φ1
Φ2
(a) (b) (c)
δ0
(d)
(e) (a)(b)(c) 变气隙式 (d)(e) 变面积式 (f) 螺管式
(f)
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图3.56 各种差动变压器传感器的结构示意图
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互感式传感器
1. 测量原理
匝数为W的线圈自感系数（自感 ）： W2 L Rm
总磁阻：
l 21 l 2 l Rm S S S
导磁体磁阻 空气隙磁阻
其中：l 空气隙长度； 空气隙磁导率； S 截面积。
W 2 μ S W2 则：L Rm l 2016/9/14
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自感式传感器
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互感式传感器
2. 应用特性
☎ 差动变压器式传感器的测量特性：
① 直接输出较大的电压信号，是电量型传感器。 ② 输出电压是反应被测量大小和方向的调幅波，故需 相应的解调电路（相敏检波电路、低通滤波电路等 ）以实现测量。
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互感式传感器
2. 应用特性
☎ 差动变压器式传感器具有精确度高、线性范围大、 稳定性好和使用方便等特点，被广泛应用于位移的 测量中。也可借助于弹性元件将压力、重量等物理 量转换为位移的变化，故也将这类传感器应用于压 力、重量等物理量测量。
☻ 测量特性：
① 变气隙自感式传感器的输出特性是非线性的。 ② 适合测量较小位移。为保证一定的测量范围与线性度， 对变气隙式传感器，常取：
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δ0=lδ/2=0.1～0.5mm，△δ=(1/5～1/10)δ0
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自感式传感器
(2) 变面积式自感传感器
匝数为W的线圈自感系数（自感 ）： W 2 W 2 μ S L Rm l dL W 2 μ 灵敏度：S dS l
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ห้องสมุดไป่ตู้
线圈2
线圈1 0 d1—线圈1的外经；d2—线圈2的外径 x
图3.28 线圈轴向磁感应强度分布
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电涡流式传感器
(2) 高频反射式电涡流传感器
☻ 被测体的影响：电涡流传感器是利用线圈与被测导体之 间的电磁耦合进行工作的，被测导体材料的物理性质、 尺寸与形状都与传感器特性密切相关。
(1) 电涡流效应
☻ 电涡流不仅沿导体径向分布不均匀 ，导体内产生的涡流由于趋肤效应 ，贯穿金属导体的深度有限。 ☫ 电涡流的贯穿深度：
涡流密度
0 h3 h2 h1 h
jm/e f3 f2 f1
jm J
h k / f
ρ、μ—导体的电阻率和相对磁导率； f—激励频率；k—比例常数。
f3＞f2＞f1
图3.25 电涡流效应原理图
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电涡流式传感器
1. 测量原理
(1) 电涡流效应
☻ 电涡流效应与被测导体的电阻率、磁导率、几何形 状与表面状况、线圈的几何参数、励磁电流频率以 及线圈与导体间的距离等参数有关。—电涡流检测 ☻ 电涡流效应的应用：电磁屏蔽罩、电磁炉 、非接触 式连续测量等。
♣ 被测导体的电导率、磁导率对传感器的灵敏度有影响。 ♣ 被测体的大小和形状也与灵敏度密切相关。从分析知， 若被测体平面，为充分利用电涡流效应，被测体环的直 径不应小于线圈直径的1.8倍；若被测体为圆柱体时，只 有其直径为线圈直径的3.5倍以上，才不影响测量结果。 ♣ 对被测体厚度也有一定要求，一般厚度大于 0.2mm 则不 影响测量结果 ( 视激励频率而定 ) ，铜铝等材料更可减薄 为70μm。