第四章 電感式傳感器ppt課件

1、本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容4.1 4.1 自感式傳感器自感式傳感器4.1.14.1.1氣隙型自感傳感器氣隙型自感傳感器4.1.24.1.2螺管型自感傳感器螺管型自感傳感器4.1.34.1.3自感線圈的等效電路自感線圈的等效電路4.1.44.1.4測(cè)量電路測(cè)量電路(1)(1)交流電橋交流電橋2 2變壓器電橋變壓器電橋4.1.5 4.1.5 自感式傳感器的應(yīng)用自感式傳感器的應(yīng)用4.24.2差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器4.2.14.2.1結(jié)構(gòu)原理與等效電路結(jié)構(gòu)原理與等效電路4.2.24.2.2誤差因素分析誤差因素分析4.2.34.2.3測(cè)量電路測(cè)量電路4.2.44.2.4差動(dòng)變壓器的應(yīng)用差動(dòng)變壓器的應(yīng)用（1

2、1加速度傳感器加速度傳感器2 2微壓力變送器微壓力變送器4.34.3電渦流式傳感器工作原理電渦流式傳感器工作原理4.4 4.4 電感式傳感器的應(yīng)用電感式傳感器的應(yīng)用（1 1位移測(cè)量位移測(cè)量2 2振動(dòng)測(cè)量振動(dòng)測(cè)量3 3連續(xù)油管的橢圓度測(cè)量連續(xù)油管的橢圓度測(cè)量（4 4電感式滾柱直徑分選裝置電感式滾柱直徑分選裝置5 5無(wú)損探傷無(wú)損探傷目錄目錄本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容掌握自感式傳感器的工作原理，了解其掌握自感式傳感器的工作原理，了解其分類分類掌握自感式傳感器的等效電路和測(cè)量電掌握自感式傳感器的等效電路和測(cè)量電路路熟悉差動(dòng)變壓器的工作原理熟悉差動(dòng)變壓器的工作原理了解差動(dòng)變壓器的測(cè)量電路了解差動(dòng)變壓器的測(cè)

3、量電路了解電渦流式傳感器的工作原理了解電渦流式傳感器的工作原理熟悉電感式傳感器的主要應(yīng)用熟悉電感式傳感器的主要應(yīng)用4.1 4.1 自感式傳感器自感式傳感器 有氣隙型和螺管型兩種結(jié)構(gòu)。有氣隙型和螺管型兩種結(jié)構(gòu)。4.1.14.1.1氣隙型自感傳感器氣隙型自感傳感器1 1、工作原理、工作原理組成：線圈組成：線圈1 1，銜鐵，銜鐵3 3和鐵芯和鐵芯2 2等。等。圖中點(diǎn)劃線表示磁路，磁路中空氣隙總長(zhǎng)度為圖中點(diǎn)劃線表示磁路，磁路中空氣隙總長(zhǎng)度為l l 。0.5l123x(a)氣隙式 (b)變截面式變化曲線示意圖N：線圈匝數(shù)；Rm：磁路總磁阻(鐵芯與銜鐵磁阻和空氣隙磁阻)氣隙式自感傳感器，因?yàn)闅庀遁^小(l為

4、0.11mm)，所以，認(rèn)為氣隙磁場(chǎng)是均勻的，若忽略磁路鐵損，則磁路總磁阻為 l1：鐵芯磁路總長(zhǎng)；l2：銜鐵的磁路長(zhǎng)；S：隙磁通截面積； S1：鐵芯橫截面積；S2：銜鐵橫截面積；1：鐵芯磁導(dǎo)率；2：銜鐵磁導(dǎo)率；0：真空磁導(dǎo)率，0=410-7Hm； l：空氣隙總長(zhǎng)。mRNL2SlSlSlRm0222111由磁路基本知識(shí)知，線圈自感為SlSlSlNRNLm022211122lSNL02簡(jiǎn)化得：2 2、特性分析、特性分析主要特性主要特性: :靈敏度和線性度。靈敏度和線性度。若忽略高次項(xiàng)，則自感變化靈敏度為： rLlllLlLK11lLL1L2 L0l0結(jié)論：當(dāng)氣隙l發(fā)生變化時(shí)，自感的變化與氣隙變化均呈

5、非線性關(guān)系，其非線性程度隨氣隙相對(duì)變化l/l的增大而增加；氣隙減少l所引起的自感變化L1與氣隙增加同樣l所引起的自感變化L2并不相等，即L1L2，其差值隨l/l的增加而增大。差動(dòng)變隙式電感傳感器差動(dòng)變隙式電感傳感器 4020002112LLLL當(dāng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí)，兩個(gè)線圈的電感變化量L1、L2 對(duì)上式進(jìn)行線性處理，即忽略高次項(xiàng)得 002LL靈敏度k0為 0002/LLk結(jié)論：結(jié)論：（1 1差動(dòng)變間隙式自感傳感器的靈敏度是單線圈式傳感器的兩倍。差動(dòng)變間隙式自感傳感器的靈敏度是單線圈式傳感器的兩倍。 （2 2單線圈是忽略單線圈是忽略 以上高次項(xiàng)，差動(dòng)式是忽略以上高次項(xiàng)，差動(dòng)式是忽略 以上高次項(xiàng)，以上

6、高次項(xiàng)， 因此差動(dòng)式自感式傳感器線性度得到明顯改善。因此差動(dòng)式自感式傳感器線性度得到明顯改善。 20 30 4.1.24.1.2 螺管型自感傳感器螺管型自感傳感器有單線圈和差動(dòng)式兩種結(jié)構(gòu)形式。有單線圈和差動(dòng)式兩種結(jié)構(gòu)形式。單線圈螺管型傳感器的主要元件為一只螺管線圈和一根圓柱形鐵芯。傳感器工單線圈螺管型傳感器的主要元件為一只螺管線圈和一根圓柱形鐵芯。傳感器工作時(shí)，因鐵芯在線圈中伸入長(zhǎng)度的變化，引起螺管線圈自感值的變化。當(dāng)用恒作時(shí)，因鐵芯在線圈中伸入長(zhǎng)度的變化，引起螺管線圈自感值的變化。當(dāng)用恒流源激勵(lì)時(shí)，則線圈的輸出電壓與鐵芯的位移量有關(guān)。流源激勵(lì)時(shí)，則線圈的輸出電壓與鐵芯的位移量有關(guān)。螺管線圈內(nèi)

7、磁場(chǎng)分布曲線rxl1.00.80.60.40.20.2 0.4 0.60.81.0H（ ）INlxl）結(jié)論：結(jié)論：1. 在線圈中段才有可能獲得較高的靈敏度，并且有較好的線性特性。在線圈中段才有可能獲得較高的靈敏度，并且有較好的線性特性。 單線圈螺管型傳感器為了提高靈敏度與線性度,常采用差動(dòng)螺管式自感傳感器。2lclc2l線圈線圈r0.80.60.40.20.20.40.60.8-0.80.80.41.2-1.2-0.4xH（ ）INl差動(dòng)螺旋管式自感傳感器(b)磁場(chǎng)分布曲線x(l)(a)(a)結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)論：1.為了得到較好的線性,鐵芯長(zhǎng)度取0.6l時(shí),則鐵芯工作在H曲線的拐彎處,此時(shí)H變化小

8、。特點(diǎn)：這種差動(dòng)螺管式自感傳感器的測(cè)量范圍為(550)mm,非線性誤差在0.5左右。 4.1.3 4.1.3 自感線圈的等效電路自感線圈的等效電路 假設(shè)自感線圈為一理想純電感，但實(shí)際傳感器中包括：線圈的銅損電阻Rc）、鐵芯的渦流損耗電阻Re和線圈的寄生電容C）。CLRcRe自感傳感器的等效電路4. 1.4 測(cè)量電路測(cè)量電路1、交流電橋、交流電橋交流電橋是自感傳感器的主要測(cè)量電路，為了提高靈敏度，改善交流電橋是自感傳感器的主要測(cè)量電路，為了提高靈敏度，改善線性度，自感線圈一般接成差動(dòng)形式，如圖。線性度，自感線圈一般接成差動(dòng)形式，如圖。Z1、Z2為工作臂，為工作臂，即線圈阻抗，即線圈阻抗，R1、R

9、2為電橋的平衡臂為電橋的平衡臂 電橋平衡條件：設(shè)Z1=Z2=Z=RS+jL；R1=R2=R RS1=RS2=RS； L1=L2=LE為橋路電源，ZL是負(fù)載阻抗。工作時(shí)，Z1=Z+Z和Z2=Z-ZZLR1R2Z2Z1L1L2R S1R S2交流電橋原理圖USCE2121RRZZZRZZZZEULLSC2Z1Z2U SCE/2E/2E變壓器電橋原理圖I2 2、變壓器電橋、變壓器電橋平衡臂為變壓器的兩個(gè)副邊，當(dāng)負(fù)載阻抗為無(wú)窮大時(shí)，流入工平衡臂為變壓器的兩個(gè)副邊，當(dāng)負(fù)載阻抗為無(wú)窮大時(shí)，流入工作臂的電流為作臂的電流為 21ZZEI212122122ZZZZEEZZZEUSC變壓器電橋的輸出電壓幅值ELR

10、LUSSC2222優(yōu)點(diǎn)：與電阻平衡電橋相比，元件少，輸出阻抗小，橋路開路時(shí)電路呈線性；優(yōu)點(diǎn)：與電阻平衡電橋相比，元件少，輸出阻抗小，橋路開路時(shí)電路呈線性；缺陷：變壓器副邊不接地，易引起來(lái)自原邊的靜電感應(yīng)電壓，使高增益放大缺陷：變壓器副邊不接地，易引起來(lái)自原邊的靜電感應(yīng)電壓，使高增益放大器不能工作。器不能工作。 1 傳感器引線 2 鐵心套筒 3 磁芯 4 電 感 線 圈 5 彈 簧 6 防轉(zhuǎn)件 7 滾 珠 導(dǎo) 軌 8 測(cè)桿 9 密封件 10瑪瑙測(cè)端 4.1.5 自感式傳感器的應(yīng)用自感式傳感器的應(yīng)用2.2.自感式壓力傳感器自感式壓力傳感器 變隙式自感壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖 變隙差動(dòng)式電感壓力傳感器 4.

11、1.5 自感式傳感器的應(yīng)用自感式傳感器的應(yīng)用4.2 4.2 差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器4.2.1 4.2.1 結(jié)構(gòu)原理與等效電路結(jié)構(gòu)原理與等效電路分氣隙型和差動(dòng)變壓器兩種。目前多采用螺管型差動(dòng)變壓器。分氣隙型和差動(dòng)變壓器兩種。目前多采用螺管型差動(dòng)變壓器。1 初級(jí)線圈;2.3次級(jí)線圈;4銜鐵1243123(a)氣隙型(b)螺管型基本元件有銜鐵、初級(jí)線圈、次級(jí)線圈和線圈框架等。e2R21R22e21e22e1R1M1M2L21L22L1 e1初級(jí)線圈激勵(lì)電壓L1,R1初級(jí)線圈電感和電阻M1,M1分別為初級(jí)與次級(jí)線圈1,2間的互感L21,L22兩個(gè)次級(jí)線圈的電感R21,R22兩個(gè)次級(jí)線圈的電阻I1根據(jù)原理

12、圖可得：在次級(jí)線圈中感應(yīng)出電壓e21和e22，其值分別為12221121IMjeIMje11212121mRNNINM21212222mRNNINM空載輸出電壓1111122212LjReMMjeee21211212LReMMe22212221LLjRRZ幅值輸出阻抗副0e2e2e21e22x副原線圈差動(dòng)變壓器輸出電勢(shì)e2與銜鐵位移x的關(guān)系。其中x表示銜鐵偏離中心位置的距離。 4.2.24.2.2 誤差因素分析誤差因素分析1 1、激勵(lì)電壓幅值與頻率的影響、激勵(lì)電壓幅值與頻率的影響激勵(lì)電源電壓幅值的波動(dòng)，會(huì)使線圈激勵(lì)磁場(chǎng)的磁通發(fā)生變化，直接影響輸激勵(lì)電源電壓幅值的波動(dòng)，會(huì)使線圈激勵(lì)磁場(chǎng)的磁通發(fā)生

13、變化，直接影響輸出電勢(shì)。而頻率的波動(dòng)，只要適當(dāng)?shù)剡x擇頻率，其影響不大。出電勢(shì)。而頻率的波動(dòng)，只要適當(dāng)?shù)剡x擇頻率，其影響不大。2 2、溫度變化的影響、溫度變化的影響周圍環(huán)境溫度的變化，引起線圈及導(dǎo)磁體磁導(dǎo)率的變化，從而使線圈磁場(chǎng)發(fā)周圍環(huán)境溫度的變化，引起線圈及導(dǎo)磁體磁導(dǎo)率的變化，從而使線圈磁場(chǎng)發(fā)生變化產(chǎn)生溫度漂移。當(dāng)線圈品質(zhì)因數(shù)較低時(shí)，影響更為嚴(yán)重，因此，采用生變化產(chǎn)生溫度漂移。當(dāng)線圈品質(zhì)因數(shù)較低時(shí)，影響更為嚴(yán)重，因此，采用恒流源激勵(lì)比恒壓源激勵(lì)有利。適當(dāng)提高線圈品質(zhì)因數(shù)并采用差動(dòng)電橋可以恒流源激勵(lì)比恒壓源激勵(lì)有利。適當(dāng)提高線圈品質(zhì)因數(shù)并采用差動(dòng)電橋可以減少溫度的影響。減少溫度的影響。 3 3、

14、零點(diǎn)殘余電壓、零點(diǎn)殘余電壓 當(dāng)差動(dòng)變壓器的銜鐵處于中間位置時(shí)，理想條件下其輸出電壓為零。但當(dāng)差動(dòng)變壓器的銜鐵處于中間位置時(shí)，理想條件下其輸出電壓為零。但實(shí)際上，當(dāng)使用橋式電路時(shí)，在零點(diǎn)仍有一個(gè)微小的電壓值實(shí)際上，當(dāng)使用橋式電路時(shí)，在零點(diǎn)仍有一個(gè)微小的電壓值( (從零點(diǎn)幾從零點(diǎn)幾mVmV到數(shù)到數(shù)十十mV)mV)存在，稱為零點(diǎn)殘余電壓。如圖是擴(kuò)大了的零點(diǎn)殘余電壓的輸出特性。存在，稱為零點(diǎn)殘余電壓。如圖是擴(kuò)大了的零點(diǎn)殘余電壓的輸出特性。零點(diǎn)殘余電壓的存在造成零點(diǎn)附近的不靈敏區(qū)；零點(diǎn)殘余電壓輸入放大器內(nèi)零點(diǎn)殘余電壓的存在造成零點(diǎn)附近的不靈敏區(qū)；零點(diǎn)殘余電壓輸入放大器內(nèi)會(huì)使放大器末級(jí)趨向飽和，影響電路正

15、常工作等。會(huì)使放大器末級(jí)趨向飽和，影響電路正常工作等。 1 基波正交分量 2 基波同相分量 3 二次諧波 4 三次諧波 5 電磁干擾ee1e20e2012345(a)殘余電壓的波形 (b)波形分析tt圖中e1為差動(dòng)變壓器初級(jí)的激勵(lì)電壓，e20包含基波同相成分、基波正交成分，二次及三次諧波和幅值較小的電磁干擾等。 0e2x-xe204.2.3 4.2.3 測(cè)量電路測(cè)量電路用交流電壓表不能測(cè)得方向，因此常采用差動(dòng)用交流電壓表不能測(cè)得方向，因此常采用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路進(jìn)行測(cè)量，取得銜鐵整流電路和相敏檢波電路進(jìn)行測(cè)量，取得銜鐵位移的大小和移動(dòng)的方向。位移的大小和移動(dòng)的方向。（1 1差動(dòng)整流電路

16、差動(dòng)整流電路當(dāng)當(dāng)f f點(diǎn)為點(diǎn)為“”，e e點(diǎn)為點(diǎn)為“”，則電流路徑是，則電流路徑是fgdchefgdche）。）。當(dāng)當(dāng)f f點(diǎn)為點(diǎn)為“”，e e點(diǎn)為點(diǎn)為“”，則電流路徑是，則電流路徑是ehdcgfehdcgf。e1RRcabhfdeU SC銜鐵在零位以下e abttteabttte abte cdtU SCte cdUSCUSCe cd銜鐵在零位以上銜鐵在零位（2 2相敏檢波電路相敏檢波電路容易做到輸出平衡，便于阻抗匹配。圖中調(diào)制電壓容易做到輸出平衡，便于阻抗匹配。圖中調(diào)制電壓er er和和e e同頻，經(jīng)過(guò)移相器使同頻，經(jīng)過(guò)移相器使er er和和e e保持同相或反相，且滿足保持同相或反相，且滿

17、足ereere。調(diào)節(jié)電位器。調(diào)節(jié)電位器R R可調(diào)平衡，圖中電阻可調(diào)平衡，圖中電阻R1=R2=R0R1=R2=R0，電容，電容C1=C2=C0C1=C2=C0，輸出電壓為，輸出電壓為UCDUCD。當(dāng)鐵芯在中間時(shí)當(dāng)鐵芯在中間時(shí),e=0,e=0,只有只有er er起作用，輸出電壓起作用，輸出電壓UCDUCD0 0。若鐵芯上移，。若鐵芯上移，e0e0，設(shè)，設(shè)e e和和er er同相位，由于同相位，由于ereere，故，故er er正半周時(shí)正半周時(shí)D1D1、D2D2仍導(dǎo)通，但仍導(dǎo)通，但D1D1回路內(nèi)總電勢(shì)為回路內(nèi)總電勢(shì)為er ere e，而，而D2D2回路內(nèi)總電勢(shì)為回路內(nèi)總電勢(shì)為er ere e，故回路

18、電流，故回路電流i1 i1i2 i2輸出電壓輸出電壓UCD=R0UCD=R0i1i2i1i2）00。當(dāng)。當(dāng)er er負(fù)半周時(shí)，負(fù)半周時(shí)，Ri1e1R1R2e 21e22C2C1er移相器D1D4D3D2CDABi3i2 i4eUCD=R0(i4-i3)0，因此鐵芯上移時(shí)輸出電壓UCD0。當(dāng)鐵芯下移時(shí)，e和er相位相反。同理可得UCD0。由此可見(jiàn)，該電路能判別鐵芯移動(dòng)的方向。 4.2.4 4.2.4 運(yùn)用運(yùn)用可用于測(cè)量振動(dòng)、厚度、應(yīng)變、壓力、加速度等各種物理量?？捎糜跍y(cè)量振動(dòng)、厚度、應(yīng)變、壓力、加速度等各種物理量。1. 1. 差動(dòng)變壓器式加速度傳感器差動(dòng)變壓器式加速度傳感器用于測(cè)定振動(dòng)物體的頻率

19、和振幅時(shí)其激磁頻率必須是振動(dòng)頻率的十倍以上，用于測(cè)定振動(dòng)物體的頻率和振幅時(shí)其激磁頻率必須是振動(dòng)頻率的十倍以上，才能得到精確的測(cè)量結(jié)果?？蓽y(cè)量的振幅為才能得到精確的測(cè)量結(jié)果?？蓽y(cè)量的振幅為(0.1(0.15)mm5)mm，振動(dòng)頻率為，振動(dòng)頻率為(0(0150)Hz150)Hz。 穩(wěn)壓電源振蕩器檢波器濾波器(b)(a)220V加速度a方向a輸出1211 彈性支承 2 差動(dòng)變壓器2. 2. 微壓力變送器微壓力變送器將差動(dòng)變壓器和彈性敏感元件膜片、膜盒和彈簧管等相結(jié)合，可以組成將差動(dòng)變壓器和彈性敏感元件膜片、膜盒和彈簧管等相結(jié)合，可以組成各種形式的壓力傳感器。各種形式的壓力傳感器。220V1接頭 2

20、膜盒 3 底座 4 線路板 5 差動(dòng)變壓器 6 銜鐵 7 罩殼V振蕩器穩(wěn)壓電源差動(dòng)變壓器相敏檢波電路1234567這種變送器可分檔測(cè)量(51056105)N/m2壓力，輸出信號(hào)電壓為(050)mV，精度為1.5級(jí)。 4.3 4.3 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 當(dāng)導(dǎo)體置于交變磁場(chǎng)或在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體上引起感生電當(dāng)導(dǎo)體置于交變磁場(chǎng)或在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體上引起感生電流流ieie，此電流在導(dǎo)體內(nèi)閉合，稱為渦流。渦流大小與導(dǎo)體電阻率，此電流在導(dǎo)體內(nèi)閉合，稱為渦流。渦流大小與導(dǎo)體電阻率、磁導(dǎo)率、磁導(dǎo)率以及產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的線圈與被測(cè)體之間距離以及產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的線圈與被測(cè)體之間距離x x，線，線圈激勵(lì)電流的

21、頻率圈激勵(lì)電流的頻率f f有關(guān)。顯然磁場(chǎng)變化頻率愈高，渦流的集膚有關(guān)。顯然磁場(chǎng)變化頻率愈高，渦流的集膚效應(yīng)愈顯著。即渦流穿透深度愈小，其穿透深度效應(yīng)愈顯著。即渦流穿透深度愈小，其穿透深度h h可表示可表示 導(dǎo)體電阻率導(dǎo)體電阻率(cm)(cm)；rr導(dǎo)體相對(duì)磁導(dǎo)率；導(dǎo)體相對(duì)磁導(dǎo)率； ff交變磁場(chǎng)頻率交變磁場(chǎng)頻率(Hz)(Hz)?？梢?jiàn)，渦流穿透深度可見(jiàn)，渦流穿透深度h h和激勵(lì)電流頻率和激勵(lì)電流頻率f f有關(guān)，所以渦流傳感器根有關(guān)，所以渦流傳感器根據(jù)激勵(lì)頻率：高頻反射式或低頻透射式兩類。據(jù)激勵(lì)頻率：高頻反射式或低頻透射式兩類。 目前高頻反射式電渦流傳感器應(yīng)用廣泛。目前高頻反射式電渦流傳感器應(yīng)用廣泛

22、。 fhr5030（一）（一） 結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理主要由一個(gè)安置在框架上的扁平圓形線圈構(gòu)成。此線圈可以粘貼于框架上，主要由一個(gè)安置在框架上的扁平圓形線圈構(gòu)成。此線圈可以粘貼于框架上，或在框架上開一條槽溝，將導(dǎo)線繞在槽內(nèi)。下圖為或在框架上開一條槽溝，將導(dǎo)線繞在槽內(nèi)。下圖為CZF1型渦流傳感器的結(jié)構(gòu)型渦流傳感器的結(jié)構(gòu)原理，它采取將導(dǎo)線繞在聚四氟乙烯框架窄槽內(nèi)，形成線圈的結(jié)構(gòu)方式。原理，它采取將導(dǎo)線繞在聚四氟乙烯框架窄槽內(nèi)，形成線圈的結(jié)構(gòu)方式。 1234561 線圈 2 框架 3 襯套4 支架 5 電纜 6 插頭iedM電渦流傳感器原理圖當(dāng)被測(cè)體與傳感器間的距離d改變時(shí)，傳感器的Q值和等效阻抗Z、電感L均發(fā)生變化，于是把位移量轉(zhuǎn)換成電量。低頻投射式和高頻反射式動(dòng)畫4.4 電感式傳感器的典型應(yīng)用電感式傳感器的典型應(yīng)用 4.4.1 位移測(cè)量位移測(cè)量 induNCDT系列位移傳感器系列位移傳感器 如圖是如圖是induNCDT系列位移傳感器的外形圖，它主要用于位移，振動(dòng)，系列位移傳感器的外形圖，它主要用于位移，振動(dòng)，轉(zhuǎn)速測(cè)量。傳感器的前置放大器被集成安裝在傳感器殼