螺管式自感傳感器：一文讀懂電感式傳感器
原標(biāo)題：一文讀懂電感式傳感器
文 | 傳感器技術(shù)（WW_CGQJS）
電感式傳感器被大量應(yīng)用在各行各業(yè)。特別是機床行業(yè)，以及汽車制造等行業(yè)更是應(yīng)用廣泛。
電感式傳感器
利用電磁感應(yīng)原理將被測非電量轉(zhuǎn)換成線圈自感系數(shù)或互感系數(shù)的變化，再由測量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出，這種裝置稱為電感式傳感器。
電感式傳感器是利用線圈自感或互感的改變來實現(xiàn)測量的一種裝置。通常由振蕩器、開關(guān)電路及放大輸出電路三大部分組成。其結(jié)構(gòu)簡單，無活動電觸點，工作壽命長。而且靈敏度和分辨力高，輸出信號強。線性度和重復(fù)性都比較好，能實現(xiàn)信息的遠距離傳輸、記錄、顯示和控制。可以測量位移、振動、壓力、流量、比重等參數(shù)。
電感式傳感器的核心部分是可變的自感或互感，在將被測量轉(zhuǎn)換成線圈自感或互感的變化時，一般要利用磁場作為媒介或利用鐵磁體的某些現(xiàn)象。這類傳感器的主要特征是具有電感繞組。
電感式傳感器的特點
（1）結(jié)構(gòu)簡單：沒有活動的電觸點，壽命長。
（2）靈敏度高：輸出信號強，電壓靈敏度每毫米能達到上百毫伏。
（3）分辨率大：能感受微小的機械位移與微小的角度變化。
（4）重復(fù)性與線性度好：在一定位移范圍內(nèi)，輸出特性的線性度好，輸出穩(wěn)定。
（5）電感式傳感器的缺點是存在交流零位信號，不適宜進行高頻動態(tài)測量。
電感式傳感器的類型
電感式傳感器可分為自感式傳感器、差動變壓式傳感器和電渦流傳感器三種類型。
自感式傳感器
1、自感式傳感器的結(jié)構(gòu)
自感式傳感器由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。鐵芯與銜鐵由硅鋼片或坡莫合金等導(dǎo)磁材料制成。
自感式傳感器結(jié)構(gòu)圖
2、自感式傳感器的工作原理
自感式傳感器是把被測量變化轉(zhuǎn)換成自感L的變化，通過一定的轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓或電流輸出。
傳感器在使用時，其運動部分與動鐵心（銜鐵）相連，當(dāng)動鐵芯移動時，鐵芯與銜鐵間的氣隙厚度 δ 發(fā)生改變，引起磁路磁阻變化，導(dǎo)致線圈電感值發(fā)生改變，只要測量電感量的變化，就能確定動鐵芯的位移量的大小和方向。
自感式傳感器的工作原理示意圖
當(dāng)線圈匝數(shù)N為常數(shù)時，電感L僅僅是磁路中磁阻的函數(shù)，只要改變δ 或S均可導(dǎo)致電感變化。因此變磁阻式傳感器又可分為變氣隙δ厚度的傳感器和變氣隙面積S的傳感器。
如果S保持不變，則L為 δ 的單值函數(shù)，可構(gòu)成變氣隙型自感傳感器；如果保持δ 不變，使S隨位移而變，則可構(gòu)成變截面型自感傳感器；如果在線圈中放入圓柱形銜鐵，當(dāng)銜鐵上下移動時，自感量將相應(yīng)變化，就構(gòu)成了螺線管型自感傳感器。
變氣隙式自感傳感器
變氣隙式自感傳感器結(jié)構(gòu)
變面積式自感傳感器
變面積式自感傳感器結(jié)構(gòu)
由于漏感等原因，其線性區(qū)范圍較小，靈敏度也較低，因此，在工業(yè)中應(yīng)用得不多。
螺管式自感傳感器
傳感器工作時，銜鐵在線圈中伸入長度的變化將引起螺管線圈電感量的變化。
對于長螺管線圈l>>r，當(dāng)銜鐵工作在螺管的中部時，可以認(rèn)為線圈內(nèi)磁場強度是均勻的，線圈電感量L與銜鐵的插入深度l大致上成正比。
螺管型電感傳感器
這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單，制作容易，靈敏度較低，適用于測量較大的位移量。
3、差動式自感傳感器
由于線圈中通有交流勵磁電流，因而銜鐵始終承受電磁吸力，會引起振動和附加誤差，而且非線性誤差較大。外界的干擾、電源電壓頻率的變化、溫度的變化都會使輸出產(chǎn)生誤差。
在實際使用中，常采用兩個相同的傳感線圈共用一個銜鐵，構(gòu)成差動式自感傳感器，兩個線圈的電氣參數(shù)和幾何尺寸要求完全相同。
這種結(jié)構(gòu)除了可以改善線性、提高靈敏度外，對溫度變化、電源頻率變化等的影響也可以進行補償，從而減少了外界影響造成的誤差，可以減小測量誤差。
a、差動式自感傳感器的結(jié)構(gòu)
(a)變氣隙式； （b）變面積式； （c）螺管式差動式自感傳感器
b、差動式自感傳感器的特點
差動氣隙式電感傳感器由兩個相同的電感線圈1、2和磁路組成。
測量時，銜鐵通過測桿與被測位移量相連，當(dāng)被測體上下移動時，導(dǎo)桿帶動銜鐵也以相同的位移上下移動，使兩個磁回路中磁阻發(fā)生大小相等，方向相反的變化，導(dǎo)致一個線圈的電感量增加，另一個線圈的電感量減小，形成差動形式。
自感系數(shù)特性曲線如圖所示。
自感系數(shù)特性曲線圖
差動變壓器式傳感器
把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感量變化的傳感器稱為互感式傳感器。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，把被測位移量轉(zhuǎn)換為一次線圈與二次線圈間的互感量變化的裝置。
當(dāng)一次線圈接入激勵電源后，二次線圈就將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，當(dāng)兩者間的互感量變化時，感應(yīng)電動勢也相應(yīng)變化。由于兩個二次線圈采用差動接法，故稱為差動變壓器式傳感器，簡稱差動變壓器。
1、差動變壓器的結(jié)構(gòu)
差動變壓器結(jié)構(gòu)形式較多，有變隙式、變面積式和螺線管線等。
a、b兩種結(jié)構(gòu)的差動變壓器，銜鐵均為板形，靈敏度高，測量范圍則較窄，一般用于測量幾微米到幾百微米的機械位移。
(a)、(b)變間隙式差動變壓器
對于位移在1mm至上百毫米的測量，常采用圓柱形銜鐵的螺管型差動變壓器，如c、d兩種結(jié)構(gòu)。
(c)、(d)螺線管式差動變壓器
e、f兩種結(jié)構(gòu)是測量轉(zhuǎn)角的差動變壓器，通常可測到幾秒的微小位移。?非電量測量中，應(yīng)用最多的是螺線式差動變壓器，它可以測量范圍內(nèi)的機械位移，并具有測量精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠等優(yōu)點。
(e)、(f)變截面式差動變壓器
2、差動變壓器的工作原理
差動變壓器的結(jié)構(gòu)由鐵芯、銜鐵和線圈三部分組成。其結(jié)構(gòu)雖有很多形式，但其工作原理基本相同。
差動變壓器上下兩只鐵芯均有一個初級線圈1和一個次級線圈2。上下兩只初級線圈串聯(lián)后接交流激勵電壓，兩只次級線圈則按電勢反相串接。
三段式螺管差動變壓器結(jié)構(gòu)示意圖
將兩個匝數(shù)相等的次級繞組的同名端反向串聯(lián)，當(dāng)初級繞組加以激磁電壓時，根據(jù)變壓器的作用原理在兩個次級繞組和中就會產(chǎn)生感應(yīng)電勢;
如果工藝上保證變壓器結(jié)構(gòu)完全對稱，則當(dāng)活動銜鐵處于初始平衡位置時，輸出電壓為零。
當(dāng)活動銜鐵向某一個次級線圈方向移動時，則該次級線圈內(nèi)磁通增大，使其感應(yīng)電勢增加，差動變壓器有輸出電壓，其數(shù)值反映了活動銜鐵的位移。
三段式螺管差動變壓輸出電壓曲線如圖所示。
差動變壓器輸出電壓曲線
電渦流式傳感器
1、電渦流式傳感器的結(jié)構(gòu)
電渦流式傳感器結(jié)構(gòu)比較簡單，主要由一個安置在探頭殼體的扁平圓形線圈構(gòu)成。
電渦流傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
2、電渦流式傳感器的工作原理
根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場中，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應(yīng)電流，稱之為電渦流或渦流，這種現(xiàn)象稱為渦流效應(yīng)。
電渦流傳感器是利用電渦流效應(yīng)，將位移、溫度等非電量轉(zhuǎn)換為阻抗的變化或電感的變化從而進行非電量電測的。?目前生產(chǎn)的變間隙位移傳感器，器量程范圍為300m～800mm。
電渦流式傳感器示意圖
將塊狀金屬導(dǎo)體置于通有交變電流的傳感器線圈磁場中。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，由于電流的變化，在線圈周圍就產(chǎn)生一個交變磁場，當(dāng)被測導(dǎo)體置于該磁場范圍之內(nèi)，被測導(dǎo)體內(nèi)便產(chǎn)生電渦流，電渦流也將產(chǎn)生一個新磁場，和方向相反，抵消部分原磁場，從而導(dǎo)致線圈的電感量、阻抗和品質(zhì)因素發(fā)生變化。
電感式傳感器的應(yīng)用
1.電感式滾柱直徑分選裝置
電感式滾柱直徑分選裝置實物
電感式滾柱直徑分選裝置結(jié)構(gòu)原理
2. 變氣隙式差動電感壓力傳感器
變氣隙式差動電感壓力傳感器主要由C形彈簧管、銜鐵、鐵芯和線圈等組成。
變氣隙式差動電感壓力傳感器
3、其他應(yīng)用
電感式傳感器還可以應(yīng)用于磨加工主動測量、測量長度位移量和制做電子測微儀。
4、差動變壓器式傳感器
可以直接用于位移測量，也可測量與位移有關(guān)的任何機械量，如力、力矩、壓力、壓差、振動、加速度、應(yīng)變、液位等。
力和力矩的測量
差動變壓器式力傳感器
壓力測量
1接頭 2 膜盒 3 底座 4 線路板 5 差動變壓器 6 銜鐵 7 罩殼
這種變送器可分檔測量(–5×105～6×105)N/m2壓力，輸出信號電壓為(0～50)mV，精度為1.5級。
加速度傳感器
用于測定振動物體的頻率和振幅時其激勵頻率必須是振動頻率的十倍以上，才能得到精確的測量結(jié)果。可測量的振幅為(0.1～5)mm，振動頻率為(0～150)Hz。
5、電渦流式傳感器的應(yīng)用
電渦流式傳感器具有測量范圍大、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強和可以非接觸測量等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究各個領(lǐng)域中。
電磁爐
電磁爐是我們?nèi)粘Ｉ钪斜貍涞募矣秒娖髦唬瑴u流傳感器是其核心器件之一，高頻電流通過勵磁線圈，產(chǎn)生交變磁場；在鐵質(zhì)鍋底會產(chǎn)生無數(shù)的電渦流，使鍋底自行發(fā)熱，燒開鍋內(nèi)的食物。
電磁爐工作示意圖
電渦流探雷器
電渦流式接近開關(guān)
能在一定的距離（幾毫米至幾十毫米）內(nèi)檢測有無物體靠近。當(dāng)物體接近到設(shè)定距離時，就可發(fā)出“動作”信號。接近開關(guān)的核心部分是“感辨頭”，它對正在接近的物體有很高的感辨能力。這種接近開關(guān)只能檢測金屬。
利用新材料更優(yōu)異的性能來提高電感式傳感器的性能是未來發(fā)展趨勢之一。例如電感式接近開關(guān)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是在鐵氧體磁芯上繞制線圈作為電感線圈，而鐵氧體磁芯自身的限制使得電感式傳感器不可能在已有的設(shè)計理念下發(fā)展，那么只能尋找新材料用來替代鐵氧體線圈，從而生產(chǎn)出有更好性能的傳感器。
基于MEMS硅微加工技術(shù)，電感式傳感器具有體積小、低功耗等特點，易于集成在各種模擬和數(shù)字電路中，便于在應(yīng)用在各個領(lǐng)域。這也是所有傳感器的主要發(fā)展方向之一。
電感式傳感器發(fā)展的另一大特點是向著集成化、智能化方向發(fā)展。集成傳感器優(yōu)勢明顯，其將輔助電路中的元件與傳感元件同時集成在一塊芯片上，使之具有校準(zhǔn)、補償、自診斷和網(wǎng)絡(luò)通信的功能，它可降低成本、增加產(chǎn)量。
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螺管式自感傳感器：現(xiàn)有一只差動螺管式電感傳感器如下圖所示，通過實驗測得 L1=L2=100 mH，其線圈導(dǎo)線電阻很小可以忽略。已知：電源電壓 U=6V，頻率f=400Hz。求：(1)從電壓靈敏度最大考慮設(shè)計四臂交流電橋
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第3章 電感式傳感器 3.1 自感式傳感器 電感式傳感器與其它傳感器相比，具有以下優(yōu)點： 1) 結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，測量力小。 2) 分辨率高。能測量0.1μm甚至更小的機械位移，能感受0.1角秒的微小角位移； 3) 輸出信號強。電壓靈敏度一般可達數(shù)百毫伏每毫米，因此，有利于信號的傳輸和放大。 4) 重復(fù)性好，線性度高。在一定位移范圍 (最小幾十微米，最大可達數(shù)十至數(shù)百毫米) 內(nèi)，輸出線性度可達±0.1%，且比較穩(wěn)定。 主要缺點： 1）存在零點殘余電壓； 2）靈敏度、線性度和測量范圍相互制約； 3）傳感器自身頻率響應(yīng)低，不適用于快速動態(tài)測量。 3.1 自感式傳感器 3.1.1 閉磁路自感式傳感器 2）非線性誤差 3.1.2 開磁路自感式傳感器 3.1.3 轉(zhuǎn)換電路 1．調(diào)幅電路 3.1.4 零點殘余電壓 1、零殘現(xiàn)象及定義 在差動式自感傳感器及差動式變壓器中。若采用交流橋路（如變壓器電橋）為變換電路，當(dāng)線圈的設(shè)計阻抗相同時，在其零點的附近位置，有輸出電壓，該微小電壓稱零點殘余電壓。 2、造成零點殘余電壓的主要原因 （1）差動式自感傳感器的兩個線圈不完全對稱。如幾何尺寸不對稱、 電氣參數(shù)不對稱及磁路參數(shù)不對稱； （2）存在寄生參數(shù)； （3）供電電源中有高次諧波，而電橋只能對基波較好地預(yù)平衡； （4）供電電源很好但磁路本身存在非線性； （5）工頻干擾。 ①設(shè)計時，盡量使上、下磁路對稱；并提高線圈的品質(zhì)因素Q=ωL/R； 3.1.5 自感式傳感器的應(yīng)用 自感式傳感器有如下幾個特點： 1）靈敏度比較好，目前可測0.1μm的直線位移，輸出信號比較大、信噪比較好； 2）測量范圍比較小，適用于測量較小位移； 3）存在非線性； 4）功耗較大，尤其是單極式自感傳感器，這是由于它有較大的電磁吸力的緣故； 5）工藝要求不高，加工容易。 3.2 互感式傳感器 3.2.1 螺線管式互感傳感器 3.2.2 互感式傳感器的應(yīng)用 3.3 電渦流式傳感器 基本概念 電渦流式傳感器是一種建立在渦流效應(yīng)原理上的傳感器。 渦流效應(yīng)：金屬導(dǎo)體置于變化的磁場中，在金屬導(dǎo)體內(nèi)會產(chǎn)生感應(yīng)電流—渦電流，這種電流在金屬體內(nèi)是閉合的。 形成渦電流的兩個條件： ①有交變磁場；②導(dǎo)電體位于交變磁場中。 渦流傳感器主要由產(chǎn)生交變磁場的通電線圈和置于線圈附近的金屬導(dǎo)體（可以是被測物）兩部分組成。 電渦流傳感結(jié)構(gòu)簡單、頻率響應(yīng)寬、靈敏度高、測量范圍大、抗干憂能力強，特別是有非接觸測量的優(yōu)點，因此在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的各個領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。 3.3.1 工作原理 3.3.2 簡化模型及等效電路 圖中R1、L1為傳感器線圈的電阻和電感。短路環(huán)可認(rèn)為是一匝短路線圈，其電阻為R2、電感為L2。線圈與導(dǎo)體間存在一個互感系數(shù)M，它隨線圈與導(dǎo)體間距x 的減小而增大。 根據(jù)等效電路可列出電路方程組： 通過解方程組，可得I1、I2。 因此傳感器線圈受到金屬導(dǎo)體（渦流）影響后的復(fù)阻抗為： 高頻線圈的等效電阻為： 其中： 為反射電阻----渦流回路 電阻折算至高頻線圈。 高頻線圈的等效電感為： 其中： 為反射電感----渦流回路 電感折算至高頻線圈。 由以上分析可以看出： ①等效阻抗中的電阻Req總比原高頻線圈的電阻R1要大。 這是由于渦流損耗、磁滯損耗都將阻抗的實部增加。 ②等效電感Leq與磁效應(yīng)有關(guān)。 因為高頻線圈電感L1與金屬導(dǎo)體的磁性質(zhì)有關(guān)：當(dāng)金屬為磁性材料， L1將增大；非磁性材料，則不會影響L1。 此外，等效電感中第二項與渦流效應(yīng)有關(guān)：渦流引起的磁場H2將使等效電感減少，且x越小，電感減少的程度就越大。 等效電阻和等效電感，也常用線圈的品質(zhì)因數(shù)Q來描述，定義為： 3.3.3 轉(zhuǎn)換電路 （1）調(diào)幅法 其原理如圖3.21所示。L為傳感器線圈電感；C 為諧振電容；石英振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)壓穩(wěn)頻的高頻激勵電壓。 3.4 壓磁式傳感器 3.4.1 工作原理 3.4.2 工作方式 3．維捷曼(威德
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