測試技術(shù)電感式傳感器PPT課件

1、 電感式傳感器（Inductive transducer）是基于電磁感應(yīng)原理，把被測量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。 被測物體的位移引起氣隙磁阻的變化，從而引起線圈電感（自感或互感）的變化，當(dāng)傳感器線圈與測量電路連接后，可將電感的變化轉(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率的變化，完成從非電量到電量的轉(zhuǎn)換。 按照轉(zhuǎn)換方式的不同，電感式傳感器可分為自感式、互感式（差動變壓器式）、渦流式三種。 電感式傳感器可以用來測量位移、振動、壓力、應(yīng)變、流量、比重等物理量參數(shù)。電感式傳感器電感式傳感器電感式傳感器電感式傳感器自感型自感型渦流式渦流式互感型互感型第1頁/共44頁自感傳感器工作原理 自感型傳感器Self-inductan

2、ce transducers 自感傳感器是將被測量的變化轉(zhuǎn)換成線圈本身自感系數(shù)的變化的傳感器。 自感式傳感器實(shí)質(zhì)上是一個帶氣隙的鐵心線圈。 當(dāng)被測位移量帶動銜鐵移動引起磁路中空氣隙磁阻變化時，從而使線圈的電感發(fā)生變化。 接入電路后，便可將電感的變化轉(zhuǎn)化成為電流、電壓、頻率的變化。第2頁/共44頁自感傳感器工作原理 根據(jù)磁路基本知識，線圈電感為：為磁通為磁路總磁阻為線圈匝數(shù)其中：磁動勢磁路歐姆定律或者電磁感應(yīng)定律,IFmm2mmmRWRWRWIWIWLRIWRIWLLIW當(dāng)氣隙較?。ㄐ∮?mm）時，認(rèn)為氣隙磁場是均勻的。忽略磁路鐵損時，有：為真空磁導(dǎo)率，為空氣隙總長度代表銜鐵，代表鐵芯，其中00

3、00222111m221:S2SSSSxlxllllR第3頁/共44頁0210202020202221112m222空氣磁導(dǎo)率、因?yàn)殍F心磁導(dǎo)率SWxSWlSWSlWSlSlSlWRWL因此： 改變氣隙長度x（或）或改變氣隙截面積S都可改變電感值L 與氣隙長度x（或）呈非線性（雙曲線）關(guān)系。第4頁/共44頁變氣隙式自感傳感器xxSWLLxxxxSWLx-2-202020變?yōu)椋弘姼辛?，傳感器初始?xì)庀蹲優(yōu)闀r，銜鐵上移則初始電感為，設(shè)傳感器初始?xì)庀稙?僅改變氣隙長度的自感傳感器稱為變氣隙式自感傳感器。此時電感的變化由下式計算：第5頁/共44頁變氣隙式自感傳感器102020202020122222-:x

4、xxxxSWxxxxSWxxxxSWxSWxxSWLLLLxx時，電感變化量，銜鐵上移設(shè)傳感器初始?xì)庀稙閤xLxxxxxxLL0201可對上式進(jìn)行化簡：則：設(shè)根據(jù)泰勒級數(shù)展開式：n3211-1-111,aaaaaaa雖然雖然L L 與氣隙長度與氣隙長度x x（或（或）呈非線性（雙曲線）關(guān)系，但）呈非線性（雙曲線）關(guān)系，但L L 與氣隙長度與氣隙長度x x（或（或） x x呈線性關(guān)系。呈線性關(guān)系。第6頁/共44頁變氣隙式自感傳感器 變氣隙式自感傳感器 電感L的變化與氣隙x的變化呈非線性關(guān)系， 靈敏度與氣隙長度x的平方成反比， 氣隙x越小，靈敏度越高。 只是氣隙小而可近似認(rèn)為電感的變化L 與氣隙長

5、度變化值 x呈線性關(guān)系。 因此決定 這種傳感器只能在很小范圍內(nèi)測量位移，適應(yīng)于測量0.0011mm的位移值。線性范圍x/x=0.10.2傳感器的靈敏度為：2020112xkxxSWxLxLS單線圈靈敏度第7頁/共44頁差動式變氣隙式自感傳感器 變氣隙式傳感器通常采用差動式， 它由兩個電氣參數(shù)和磁路完全相同的線圈組成，用一個銜鐵構(gòu)成差動電感式傳感器。 當(dāng)銜鐵移動時，鐵心與銜鐵之間距離一個增大另一個減小，負(fù)載上有電流流過，電橋失去平衡，有電壓輸出。通過測量該電壓或電流就可測量銜鐵位移大小。第8頁/共44頁差動式變氣隙式自感傳感器第9頁/共44頁差動式變氣隙式自感傳感器 xxLLxxSWxxLxxx

6、xLxxxxxSWxxxSWxxSWxxSWLLLLL 221211222222-0202020202220202022010 差動變氣隙式電感傳感器比單磁路電感傳感器的總電感量和靈敏度都提高了一倍。還可證明，線性度提高了一個數(shù)量級。線性范圍x/x=0.30.42020121222xkxxxSWxLxL靈敏度第10頁/共44頁變隙式差動電感傳感器應(yīng)用舉例 當(dāng)被測壓力進(jìn)入C形彈簧管時， C形彈簧管產(chǎn)生變形， 其自由端發(fā)生位移，帶動與自由端連接成一體的銜鐵運(yùn)動，使線圈1和線圈2中的電感發(fā)生大小相等、符號相反的變化。即一個電感量增大，另一個電感量減小。 電感的這種變化通過電橋電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。由于

7、輸出電壓與被測壓力之間成比例關(guān)系， 所以只要用檢測儀表測量出輸出電壓， 即可得知被測壓力的大小。 第11頁/共44頁變面積式自感傳感器SLSSxSWxSWxSWxSSWLLLS2222-0020202020K2WS02xL靈敏度僅改變氣隙截面積的自感傳感器稱為變截面積式自感傳感器。在忽略氣隙邊緣效應(yīng)的條件下，電感的變化由下式計算：在忽略氣隙邊緣效應(yīng)的條件下，輸出自感L與S成線性關(guān)系，因此可望得到較大的線性范圍，但是由于其靈敏度較低，限制了其應(yīng)用。第12頁/共44頁螺旋管式自感傳感器 螺旋管式自感傳感器主要元件為一只螺旋管線圈和一根圓柱形鐵芯。 傳感器工作時，鐵心在線圈中伸入長度的變化，引起螺旋

8、管線圈的電感值的變化。 當(dāng)用恒流源激勵時，線圈的輸出電壓與鐵芯的位移量有關(guān)，但是只有在線圈中段才有可能獲得較高的靈敏度和較好的線性特性。第13頁/共44頁螺旋管式自感傳感器單螺管線圈型，當(dāng)鐵芯在線圈中運(yùn)動時，將改變磁阻，使線圈自感發(fā)生變化。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，但靈敏度低，適用于較大位移(數(shù)毫米)測量。本課程不作詳細(xì)分析上電感值推導(dǎo)很困難。不均勻的，精確的理論線圈的軸向磁場分布是：線圈匝數(shù)：線圈的平均電流：線圈的平均直徑：線圈長度為：其沿軸向的磁場強(qiáng)度對于有限長度的線圈，NIRl2xl4r2xl2xl4r2xl2lIHH2222W第14頁/共44頁本課程不作詳細(xì)分析上電感值推導(dǎo)很困難。

9、不均勻的，精確的理論線圈的軸向磁場分布是：線圈匝數(shù)：線圈的平均電流：線圈的平均直徑：線圈長度為：強(qiáng)度線圈，其沿軸向的磁場對于有限長度差動式的NRxr2x2xl4r2x2xl4r2x2HH222222IllllIW螺旋管式自感傳感器雙螺管線圈差動型，較之單螺管線圈型有較高靈敏度及線性，被用于電感測微計，其測量范圍為0300mm，最小分辨力為0.5mm。這種傳感器的線圈接于電橋，構(gòu)成兩個橋臀、線圈電感LI、L2隨鐵芯位移而變化。第15頁/共44頁DGC系列自感傳感器系列自感傳感器自感傳感器 在自感式傳感器中，螺管式自感傳感器的靈敏度最低，在實(shí)際應(yīng)用中卻應(yīng)用最廣泛 (1)在自感式傳感器中，雖然螺管式

10、自感傳感器的靈敏度最低，但示值范圍大、線性也較好; (2) 還具備自由行程可任意安排、制造裝配方便、可互換性好等優(yōu)點(diǎn)。 (3)由于具備了這些優(yōu)點(diǎn)，而靈敏度低的問題可在放大電路方面加以解決，故目前螺管式自感傳感器應(yīng)用中最廣泛。第16頁/共44頁自感傳感器的測量電路 電感式傳感器的測量電路有交流電橋式、 交流變壓器式以及諧振式等幾種形式。 （1）交流電橋式自感式傳感器測量電路 圖（a）所示為交流電橋測量電路, 把傳感器的兩個線圈作為電橋的兩個橋臂Z1和Z2，另外二個相鄰的橋臂用純電阻代替, 對于高Q值（Q=L/R）的差動式電感傳感器, 其輸出電壓：（a）交流電橋測量電路 （b）變壓器式電橋圖4-

11、7 自感式傳感器測量電路000002222ACACACACULLUjwLRLjwUZZUU第17頁/共44頁自感傳感器的測量電路 （2）變壓器式交流電橋自感式傳感器測量電路 變壓器式交流電橋測量電路如圖（b）所示, 當(dāng)負(fù)截阻抗為無窮大時, 橋路輸出電壓： 當(dāng)傳感器的銜鐵處于中間位置, 有Uo=0, 電橋平衡。 當(dāng)傳感器銜鐵上移時, 即Z1=Z+Z, Z2=Z-Z， 當(dāng)傳感器銜鐵下移時, 則Z1=Z-Z, Z2=Z+Z, 從上面兩式可知, 銜鐵上下移動相同距離時, 輸出電壓的大小相等, 但方向相反, 由于是交流電壓, 輸出指示無法判斷位移方向, 必須配合相敏檢波電路來解決。 時當(dāng)時當(dāng)時當(dāng)ZZZZ

12、ZZZZUZZZZZZZZUZZZZZZZUUZZUZU21212121212110-4-4022（b）變壓器式電橋圖4- 7 自感式傳感器測量電路第18頁/共44頁自感傳感器的測量電路 （3）諧振式自感式傳感器測量電路 諧振式測量電路分為諧振式調(diào)幅電路、 諧振式調(diào)頻電路。 在調(diào)幅電路中, 傳感器電感L與電容C變壓器原邊串聯(lián)在一起, 接入交流電源, 變壓器副邊將有電壓輸出, 輸出電壓的頻率與電源頻率相同, 而幅值隨著電感L而變化, 圖中同時給出了調(diào)幅電路輸出電壓與電感L的關(guān)系曲線, 其中L0為諧振點(diǎn)的電感值,此電路靈敏度很高, 但線性差, 適用于線性要求不高的場合。 調(diào)頻電路的基本原理是傳感器

13、電感L變化將引起輸出電壓頻率的變化。一般是把傳感器電感L和電容C接入一個振蕩回路中, 其振蕩頻率為：當(dāng)L變化時, 振蕩頻率隨之變化, 根據(jù)f的大小即可測出被測量的值。圖中同時給出了調(diào)頻電路表示f與L的特性, 它具有明顯的非線性關(guān)系。：LCf21 第19頁/共44頁電感式滾柱直徑分選裝置1-1-氣缸 2-2-活塞 3-3-推桿 4-4-被測滾柱 5-5-落料管 6-6-電感測微器 7-7-鎢鋼測頭 8-8-限位擋板 9-9-電磁翻板 10-10-容器（料斗）第20頁/共44頁互感型-差動變壓器式電感傳感器 互感型傳感器的利用電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象，將被測非電量(位移量) 轉(zhuǎn)換成線圈互感的變化。 這

14、種傳感器實(shí)質(zhì)上就是一個變壓器。 由于常采用兩個次級線圈組成差動式，故又稱差動變壓器式傳感器（differential transducers）。 第21頁/共44頁 差動變壓器式傳感器優(yōu)點(diǎn)： 測量精度高，可達(dá)0.1m；穩(wěn)定性好，使用方便。因而被廣泛應(yīng)用于直線位移，或可能轉(zhuǎn)換為位移變化的壓力、重量等參數(shù)的測量。第22頁/共44頁 如圖所示。當(dāng)線圈W1輸入交流電流時，線圈W2產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。其大小與電流i1的變化率成正比。 其為比例系數(shù)稱為互感（M ) ,大小與兩線圈相對位置及周圍介質(zhì)的導(dǎo)磁能力等因素有關(guān)，它表明兩線圈之間的藕合程度。 MLjREjE11121 次 級 線 圈感應(yīng)電勢 初級線圈交變

15、電流 工作交變電流角頻率 互感系數(shù) 初級線圈自感 初級線圈電阻 第23頁/共44頁差動變壓器式電感傳感器結(jié)構(gòu) 右圖是各種差動傳感器結(jié)構(gòu)圖。 根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同，差動變壓器式傳感器也有 變氣隙式差動傳感器、 變面積式差動傳感器 螺旋管式差動傳感器。第24頁/共44頁差動變壓器傳感器工作原理第25頁/共44頁差動變壓器傳感器工作原理 根據(jù)變壓器原理，初級線圈作為差動變壓器激勵用，次級由結(jié)構(gòu)尺寸和參數(shù)相同的兩個線圈反相串聯(lián)而成，即：次級繞組用差動連接。當(dāng)負(fù)載開路時，輸出負(fù)載為：m21212B22m11212A21111212B2A2jjRWWIWMRWWIWMLREMMEEE第26頁/共44頁 差動

16、變壓器的輸出電壓是交流量，其幅值與鐵心位移成正比， 其輸出電壓如用交流電壓表指示，輸出值只能反映鐵心位移的大小，不能反映移動的方向性。第27頁/共44頁 式中： M1、M2分別為兩個次級線圈和初級線圈之間的互感系數(shù)， R1、Rm1、Rm2分別為初級線圈和兩個次級線圈的電阻 交流電壓輸出存在一定的零點(diǎn)殘余電壓。 零點(diǎn)殘余電壓是由于兩個次級線圈結(jié)構(gòu)不對稱，以及初級線圈銅損電阻、鐵磁材質(zhì)不均勻、線圈間分布電容等原因所形成。所以，即使鐵心處于中間位置時，輸出也不為零。m2m112212111212121211RRWWLREELRMME輸出電勢有效值為：第28頁/共44頁用于小位移的差動相敏檢波電路的工

17、作原理 一般差動變壓器生產(chǎn)單位都配有專門的測量電路，提供給初級線圈幾十至幾百赫茲的激勵電壓，并將次級線圈中因位移引起的的電壓變化量經(jīng)處理后輸出。一般要保證激勵頻率大于被測信號的最高頻率的數(shù)倍至數(shù)十倍。 當(dāng)沒有信號輸入時，鐵芯處于中間位置，調(diào)節(jié)電阻R，使零點(diǎn)殘余電壓減小；當(dāng)有信號輸入時，鐵芯移上或移下，其輸出電壓經(jīng)交流放大、相敏檢波、濾波后得到直流輸出。由表頭指示輸入位移量的大小和方向。 差動變壓器式傳感器的后接電路形式，需要采用既能反映鐵心位移方向性，又能補(bǔ)償零點(diǎn)殘余電壓的差動直流輸出電路。第29頁/共44頁相敏檢波電路xm(t)y(t)adcbD4D3D2D1CRfufAB00 xm(t)x

18、(t)tt0y(t)t0uf(t)tab相相敏敏檢檢波波efg第30頁/共44頁渦流式電感傳感器渦流式電感傳感器 Eddy-current transducers 渦流式傳感器是基于電磁學(xué)中的渦流效應(yīng)工作的。 當(dāng)金屬板置于變化磁場中或者在磁場中運(yùn)動時，在金屬板中產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流在金屬體內(nèi)是閉合的，所以稱為渦流。 渦流效應(yīng)： 把一個扁平線圈置于一金屬板附近，當(dāng)線圈中通以高頻交變電流i時，線圈中便產(chǎn)生交變磁通m1。 此交變磁通通過鄰近的金屬板，金屬板上便會感應(yīng)出電流ie。所感應(yīng)出的電流在金屬內(nèi)呈體分布而且是環(huán)狀閉合的，故稱為渦電流或渦流。 根據(jù)楞次定律，所感應(yīng)出的渦流也產(chǎn)生一磁通m2，其方向

19、總是與m1相反，即抵抗原磁通m1的變化，這種現(xiàn)象稱為渦流效應(yīng)。第31頁/共44頁渦流式電感傳感器渦流式電感傳感器 Eddy-current transducers 根據(jù)楞次定律，由該渦電流產(chǎn)生的交變磁通1將與線圈產(chǎn)生的磁場方向相反，亦即1將抵抗的變化。由于該渦流磁場的作用，會使線圈的等效阻抗發(fā)生變化。第32頁/共44頁),(WRIfZ 渦流式電感傳感器渦流式電感傳感器 Eddy-current transducers 線圈的等效阻抗可近似用下面的函數(shù)表示：其中：-激勵電流的頻率 -金屬板的電阻率, W-線圈匝數(shù) -金屬板的磁導(dǎo)率, -線圈到金屬板的距離, I-激勵電流的強(qiáng)度. R-線圈半徑渦流

20、的大小與金屬板的電阻率、磁導(dǎo)率、厚度，以及金屬板與線圈距離、激勵電流、角頻率等參數(shù)有關(guān)。若固定其它參數(shù)，僅僅改變其中某參數(shù)，就可以根據(jù)渦流大小測定該參數(shù)。渦流式電感傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩類。第33頁/共44頁(1)高頻反射式渦流傳感器 高頻反射式渦流傳感器 探頭產(chǎn)生的高頻磁場作用于金屬板的表面，由于趨膚效應(yīng)，高頻磁場僅能作用在其表面的薄層內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流（渦流），該渦流產(chǎn)生的磁場又反過來作用在探頭上，導(dǎo)致其上的電感線圈的電感及等效阻抗發(fā)生變化，通過檢測電路測出阻抗Z的變化量，就能檢測出被測導(dǎo)體的位移量。 當(dāng)被測位移發(fā)生變化時，使線圈與金屬板的距離發(fā)生變化，從而導(dǎo)致線圈阻抗L的變化，

21、將L通過測量電路轉(zhuǎn)化為電壓輸出，即可獲得電感量的變化值。 高頻反射式渦流傳感器常用于位移測量x第34頁/共44頁 (2)低頻透射式渦流傳感器 低頻透射式渦流傳感器多用于測定材料厚度，其工作原理如圖所示。 發(fā)射線圈和接收線圈分別放在被測材料的上下，低頻(音頻范圍)電壓加到發(fā)射線圈的兩端后，在周圍空間產(chǎn)生一交變磁場，并在被測材料中產(chǎn)生渦流，此渦流損耗了部分能量，使貫穿的磁力線減少，從而使接收線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電勢e2減小。 感應(yīng)電勢e2的大小與被測材料的厚度及材料性質(zhì)有關(guān)， 實(shí)驗(yàn)與理論證明，感應(yīng)電勢e2隨材料厚度A增加按負(fù)指數(shù)規(guī)律減小，因而可測得材料的厚度。 被測導(dǎo)體的厚度一般要求大于兩倍的渦流穿透深

22、度才能使用低頻透射式渦流傳感器測量。第35頁/共44頁電渦流式傳感器的應(yīng)用電渦流式傳感器可用于動態(tài)非接觸測量，測量范圍隨傳感器結(jié)構(gòu)尺寸、線圈匝數(shù)和激磁頻率而異，測量范圍約為2.5250mm，其中測量線性范圍為1.5mm。非線性小于3%。可用于動態(tài)非接觸測量，分辨力可達(dá)1pm。 渦流式電感傳感器對原始間隔要求不嚴(yán)格，因而調(diào)整比較方便。它結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，靈敏度較高、抗干擾能力較強(qiáng)，不受油污等介質(zhì)的影響等。 被測物體的材料形狀、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率等因素都會影響測量結(jié)果。 被測導(dǎo)體的電阻率和相對導(dǎo)磁率越小，傳感器的靈敏度越高。 被測對象面頰大小對傳感器有較大的影響。 被測導(dǎo)體為圓柱體時，要求其直徑大于3.5倍渦流傳感器線圈直徑，否則，傳感器的