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(jī)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(shí)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(diǎn)，工作壽命長。而且靈敏度和分辨力高，輸出信號強(qiáng)。線性度和重復(fù)性都比較好，能實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)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(shí)，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(diǎn)
（1）結(jié)構(gòu)簡單：沒有活動的電觸點(diǎn)，壽命長。
（2）靈敏度高：輸出信號強(qiáng)，電壓靈敏度每毫米能達(dá)到上百毫伏。
（3）分辨率大：能感受微小的機(jī)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(diǎn)是存在交流零位信號，不適宜進(jìn)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(shí)，其運(yùn)動部分與動鐵心（銜鐵）相連，當(dāng)動鐵芯移動時(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，可以認(rèn)為線圈內(nèi)磁場強(qiáng)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(lì)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(shí)際使用中，常采用兩個(gè)相同的傳感線圈共用一個(gè)銜鐵，構(gòu)成差動式自感傳感器，兩個(gè)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(jìn)行補(bǔ)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(diǎn)
差動氣隙式電感傳感器由兩個(gè)相同的電感線圈1、2和磁路組成。
測量時(shí)，銜鐵通過測桿與被測位移量相連，當(dāng)被測體上下移動時(shí)，導(dǎo)桿帶動銜鐵也以相同的位移上下移動，使兩個(gè)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(gè)線圈的電感量增加，另一個(gè)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(lì)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(shí)，感應(yīng)電動勢也相應(yīng)變化。由于兩個(gè)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(jī)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(jī)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(diǎn)。
(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(gè)初級線圈1和一個(gè)次級線圈2。上下兩只初級線圈串聯(lián)后接交流激勵(lì)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(gè)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(shí)，根據(jù)變壓器的作用原理在兩個(gè)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(shí)，輸出電壓為零。
當(dāng)活動銜鐵向某一個(gè)次級線圈方向移動時(shí)，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(gè)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(jìn)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(gè)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(gè)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(shí)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(jī)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(shí)其激勵(lì)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(qiáng)和可以非接觸測量等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究各個(gè)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(lì)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(shí)，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(jì)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(diǎn)，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(gè)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(diǎn)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(shí)集成在一塊芯片上，使之具有校準(zhǔn)、補(bǔ)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(shí)驗(yàn)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(jì)四臂交流電橋
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螺管式自感傳感器：螺線管式自感傳感器結(jié)構(gòu)-傳感器技術(shù)與應(yīng)用.ppt
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(diǎn)： 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(jī)械位移，能感受0.1角秒的微小角位移； 3) 輸出信號強(qiáng)。電壓靈敏度一般可達(dá)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(dá)數(shù)十至數(shù)百毫米) 內(nèi)，輸出線性度可達(dá)±0.1%，且比較穩(wěn)定。 主要缺點(diǎn)： 1）存在零點(diǎn)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(diǎn)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(jì)阻抗相同時(shí)，在其零點(diǎn)的附近位置，有輸出電壓，該微小電壓稱零點(diǎn)殘余電壓。 2、造成零點(diǎn)殘余電壓的主要原因 （1）差動式自感傳感器的兩個(gè)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(jì)時(shí)，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(gè)特點(diǎn)： 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(gè)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(qiáng)，特別是有非接觸測量的優(yōu)點(diǎn)，因此在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的各個(gè)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(gè)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(shí)部增加。 ②等效電感Leq與磁效應(yīng)有關(guān)。 因?yàn)楦哳l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(xiàng)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(lì)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
螺管式自感傳感器：螺線管式自感傳感器采用差動結(jié)構(gòu)是為了（）
間硝法濃硝酸裝置漂白塔的材質(zhì)是（）。 304L。 鋁。 高硅鑄鐵。 KY704。
無縫道岔應(yīng)以單組或相鄰多組一次鎖定的道岔及其前后（）m線路為管理單元。
為行駛ATP特權(quán)，飛行員必須持有（）。
無縫線路維修管理應(yīng)以（）鎖定的軌條為管理單元。
適線法主要步驟包括（）。 在概率格紙上繪制經(jīng)驗(yàn)頻率點(diǎn)據(jù)。 確定采用皮－Ⅲ型分布。 C、假定一組統(tǒng)計(jì)參數(shù)。 查幣值表，繪出一條皮－Ⅲ型曲線。 分析曲線與點(diǎn)據(jù)擬合情況，找出擬合最好的曲線。
螺線管式自感傳感器采用差動結(jié)構(gòu)是為了（）
