电感式传感器

电感传感器是基于电磁感应原理,将被测非电量(如位移、压力、振动等)转换为电感量变化的一种结构性传感器。利用自感原理的有自感式传感器(可变磁阻式),利用互感原理的有互感式(差动变压器式和涡流式)传感器和感应同步器,利用压磁效应的有压磁式传感器。

一、自感式传感器

自感式传感器可分为可变磁阻式传感器和涡流式传感器两类。下面介绍可变磁阻式传感器。

可变磁阻式传感器工作原理

可变磁阻式传感器结构原理如右图,它由线圈、铁心及衔铁组成,\delta为空气隙:
当衔铁子在被测参量带动下移动时,磁路中气隙的磁阻发生变化,从而引起线圈电感的变化,把电感的变化通过测量电路转换为电压或电流的变化。根据所测电压或电流的变化过程确定被测量的变化。

公式如下:

对于差动自感传感器 ,其结构原理如右图:

  • 把两个相同的简单电感传感器组合在一起而共用一个衔铁构
    成差动式电感传感器
  • 当衔铁处于中间位置时,两个线圈的电感量相等
  • 若衔铁被带动移动\Delta \delta距离时,使两个 线圈的电感量分别增大和减小\Delta L
  • 将两线圈接于电桥的相邻桥臂时,输出灵敏度提升1倍

 二、互感式传感器

1.差动变压器

互感式传感器工作原理为利用电磁感应中的互感现象,将被测位移量转换成线圈互感的变化。其本身为一个变压器,一次线圈L接入交流电源,二次线圈为感应线圈,当一次线圈互感变化时,输出电压产生相应变化。由于常采用两次线圈组成差动式,故又称为差动变压器。

其优点有:
测量精度高;
可达0.1μm 线性范围大,可达±100 mm

2.涡流式传感器

原理:金属导体在交流磁场中的涡流效应。电流在金属导体内部封闭,因而称为涡流。

集肤效应:涡流在金属导体的纵深方向并非均匀分布,主要集中在金属导体的表面,称为集肤效应。电涡流在金属导体内的渗透深度为:

h=\sqrt{\frac{\rho}{\pi \mu f}}

 h:工件渗透深度,cm;

\rho工件的电阻率,Ω·cm;

\mu相对磁导率;

f激励源频率,Hz

频率f越高,电涡流的渗透深度越浅,集肤效应越严重,因此涡流传感器可分为高频反射式和低频透射式两种。

高频反射式涡流传感器常用于数量或位移测量。

低频透射式涡流传感器多用于测定材料厚度。

总结一下:

涡流传感器可用于动态非接触测量,测量范围约为0~2 mm,分辨力可达1μm。

其具有结构简单、安装方便、灵敏度较高、抗干扰能力较强、不受油污等介质影响的优点。

三、电感式传感器的特点

电感式传感器的特点:

  • 结构简单,工作可靠;
  • 灵敏度高,分辨率较大;
  • 测量的精度较高;
  • 具有非接触测量特点
  • 常用来测量位移,振幅,几何尺寸,表面粗糙度及裂纹等。还可广泛用于测量位移及能引起位移变化的参量,如力,压力,速度 ,加速度,流量,厚度等。

参考资料:《测试技术第三版》主编:贾民平,张洪亭

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