電感式傳感器及應(yīng)用課件

1、第4章 電感式傳感器及應(yīng)用2015/10/121主講人： 李靜2 根據(jù)法拉第電磁定律，當穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化時，就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，這種現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng)。利用這種現(xiàn)象可以構(gòu)成各種各樣的傳感器。 電感式傳感器是利用線圈自感或互感的變化來實現(xiàn)測量的一種裝置. 引 言電感式傳感器3 原 理 定 義 利用線圈自感和互感的變化實現(xiàn)非電量電測的裝置。 感測量 位移、振動、壓力、應(yīng)變、流量、比重等。 分 類 根據(jù)轉(zhuǎn)換原理：自感式（変磁阻式）、互感式（差動變壓器式）、 電渦流式。 根據(jù)結(jié)構(gòu)形式：氣隙型、面積型和螺管型。 電磁 感應(yīng) 被測非電量自感系數(shù)L互感系數(shù)M 測量電路U、I、f4 優(yōu) 點 結(jié)構(gòu)簡單

2、、可靠 分辨率高 機械位移0.1m，甚至更??；角位移0.1角秒。 輸出信號強，電壓靈敏度可達數(shù)百mV/mm 。 重復(fù)性好，線性度優(yōu)良 在幾十m到數(shù)百mm的位移范圍內(nèi)，輸出特性的線性度較好，且比較穩(wěn)定。 能實現(xiàn)遠距離傳輸、記錄、顯示和控制 不 足 存在交流零位信號，不宜高頻動態(tài)測量。 主要章節(jié)內(nèi)容4.1 自感式傳感器 4.2 差動變壓器式傳感器 4.3 電渦流傳感器 54.1 自感式傳感器 自感式傳感器是利用自感量隨氣隙變化而改變的原理制成的，主要用來測量位移。自感式傳感器主要有閉磁路變隙式和開磁路螺線管式，它們又都可以分為單線圈式與差動式兩種結(jié)構(gòu)形式。6內(nèi) 容4.1.1 結(jié)構(gòu)和工作原理 4.1

3、.2 自感式傳感器的測量電路 4.1.3 自感式傳感器應(yīng)用舉例 7自感式傳感器的基本工作原理演示8F銜鐵移動磁路中氣隙磁阻變化線圈的電感值變化4.1.1 基本工作原理 9線圈鐵芯銜鐵由于可得：磁路的總磁阻可表示為：近似計算出線圈的電感量為：10結(jié) 論電感式傳感器從原理上可分為變氣隙長度式和變氣隙截面式兩種類型，前者常用于測量直線位移，后者常用于測量角位移。如果在線圈中放入圓柱形銜鐵，當銜鐵上下移動時，自感量將相應(yīng)變化，就構(gòu)成了螺線管型自感傳感器。4.1.1 常見結(jié)構(gòu)形式111線圈 2鐵芯 3銜鐵 4測桿 5導(dǎo)軌 6工件 7轉(zhuǎn)軸由電感式 可知，變氣隙長度式傳感器的線性度差、示值范圍窄、自由行程小

4、，但在小位移下靈敏度很高，常用于小位移的測量。 1變氣隙式（閉磁路式）自感傳感器 121線圈 2鐵芯 3銜鐵131變氣隙式（閉磁路式）自感傳感器 由電感式 同樣可知，變截面式傳感器具有良好的線性度、自由行程大、示值范圍寬，但靈敏度較低，常用來測量較大位移量。為擴大示值范圍和減小非線性誤差，可采用差動結(jié)構(gòu)。2螺線管式（開磁路式）自感式傳感器 螺線管式自感式傳感器常采用差動式。14 1測桿 2銜鐵 3線圈 差動式電感傳感器對外界影響，如溫度的變化、電源頻率的變化等基本上可以互相抵消，銜鐵承受的電磁吸力也較小，從而減小了測量誤差。特性15 1、2L1、L2的特性 3差動特性 4.1.2 自感式傳感器

5、的測量電路測量電路有交流分壓式、交流電橋式和諧振式等多種，常用的差動式傳感器大多采用交流電橋式 。交流電橋的種類很多，差動形式工作時其電橋電路常采用雙臂工作方式。161變壓器交流電橋 電橋有兩臂為傳感器的差動線圈的阻抗，所以該電路又稱為差動交流電橋 17變壓器式交流電橋電路圖 分析設(shè)O點為電位參考點，根據(jù)電路的基本分析方法，可得到電橋輸出電壓為當傳感器的活動鐵芯處于初始平衡位置時，兩線圈的電感相等，阻抗也相等。電橋輸出電壓，電橋處于平衡狀態(tài)。 18變化時當鐵芯向一邊移動時，則一個線圈的阻抗增加 ，19變化后的電壓當傳感器線圈為高Q值時，則線圈的電阻遠小于其感抗 當活動鐵芯向另一邊（反方向）移動

6、時 差動式自感傳感器采用變壓器交流電橋為測量電路時，電橋輸出電壓既能反映被測體位移量的大小，又能反映位移量的方向，且輸出電壓與電感變化量呈線性關(guān)系。 202帶相敏整流的交流電橋 上述變壓器式交流電橋中，由于采用交流電源，則不論活動鐵芯向線圈的哪個方向移動，電橋輸出電壓總是交流的，即無法判別位移的方向。常采用帶相敏整流的交流電橋。21結(jié)構(gòu)22帶相敏整流的交流電橋電路 （1）初始平衡位置時23鐵芯處于初始平衡位置時的等效電路 （2）活動鐵芯向一邊移動時 24鐵芯向線圈一個方向移動時的等效電路 結(jié)果25在Ui的正半周 在Ui的負半周 只要活動鐵芯向一方向移動，無論在交流電源的正半周還是負半周，電橋輸

7、出電壓均為正值。 26（3）活動鐵芯向相反方向移動時當活動鐵芯向線圈的另一個方向移動時，用上述分析方法同樣可以證明，無論在的正半周還是負半周，電橋輸出電壓均為負值。 27應(yīng)用281理想特性曲線 2實際特性曲線4.1.3自感式傳感器應(yīng)用舉例用于測量位移，還可以用于測量振動、應(yīng)變、厚度、壓力、流量、液位等非電量。 291自感式測厚儀 301可動鐵芯 2測桿 3被測物體2位移測量 311引線 2線圈 3銜鐵 4測力彈簧 5導(dǎo)桿 6密封罩 7測頭其他電感測微頭324.2 差動變壓器式傳感器把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感變化的傳感器稱為互感式傳感器。因這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且其二次

8、繞組都用差動形式連接，所以又叫差動變壓器式傳感器，簡稱差動變壓器。 有變隙式、變面積式和螺線管式等 在非電量測量中，應(yīng)用最多的是螺線管式的差動變壓器，它可以測量1100mm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。 334.2.1 基本工作原理 34螺線管式差動變壓器結(jié)構(gòu)示意圖 1 一次繞組 2二次繞組 3銜鐵 4測桿 螺線管式差動變壓器原理圖 輸出特性35零點殘余電動勢 零點電勢零點殘余電動勢使得傳感器在零點附近的輸出特性不靈敏，為測量帶來誤差。為了減小零點殘余電動勢，可采用以下方法。（1）盡可能保證傳感器尺寸、線圈電氣參數(shù)和磁路對稱。（2）選用合適的測量電路。

9、（3）采用補償線路減小零點殘余電動勢。364.2.2 測 量 電 路 差動變壓器輸出的是交流電壓，若用交流電壓表測量，只能反映銜鐵位移的大小，而不能反映移動方向。另外，其測量值中將包含零點殘余電壓。為了達到能辨別移動方向及消除零點殘余電動勢目的，實際測量時，常常采用差動整流電路和相敏檢波電路。 371差動整流電路 384.2.3 差動變壓器式傳感器的應(yīng)用 差動變壓器不僅可以直接用于位移測量，而且還可以測量與位移有關(guān)的任何機械量，如振動、加速度、應(yīng)變、壓力、張力、比重和厚度等。3940 L1、L2傳感器作兩個橋臂；C1、C2為另外兩個橋臂；D1-D4組成相敏整流器;磁飽和變壓器T提供橋壓。差動變

10、壓器式測厚儀1振動和加速度的測量41 振動傳感器及其測量電路1彈性支撐 2差動變壓器2力和壓力的測量42 差動變壓器式力傳感器 1上部 2銜鐵 3線圈 4變形部 5下部 微壓力傳感器43 1差動變壓器 2銜鐵 3罩殼 4插頭 5通孔 6底座 7膜盒 8接頭 9線路板 電感式微壓力傳感器 課堂小結(jié)441、電感式傳感器工作原理，能測量哪些物理量？2、三種自感式傳感器的工作原理、特點、應(yīng)用范圍；3、帶相敏整流交流電橋是怎樣判斷銜鐵移動方向的？4、零點殘余電壓是如何產(chǎn)生的，對傳感器性能會產(chǎn)生何種影響，如何消除它？45課后作業(yè)：4.1、4.44.3電渦流傳感器根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，塊狀金屬導(dǎo)體置于變化

11、的磁場中或在磁場中作切割磁力線運動時，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應(yīng)電流，此電流叫電渦流，這種現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。 根據(jù)電渦流效應(yīng)制成的傳感器稱為電渦流式傳感器。按照電渦流在導(dǎo)體內(nèi)的貫穿情況， 此傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩類，但從基本工作原理上來說仍是相似的。電渦流式傳感器最大的特點是能對位移、厚度、表面溫度、速度、應(yīng)力、材料損傷等進行非接觸式連續(xù)測量，另外還具有體積小、靈敏度高、頻率響應(yīng)寬等特點，應(yīng)用極其廣泛。 464.3.1 電渦流傳感器的工作原理 線圈阻抗的變化完全取決于被測金屬導(dǎo)體的電渦流效應(yīng)。而電渦流效應(yīng)既與被測體的電阻率、磁導(dǎo)率以及幾何形狀有關(guān)，又與線圈幾何參數(shù)、線圈中激磁電

12、流頻率有關(guān)，還與線圈與導(dǎo)體間的距離x有關(guān)。因此，傳感器線圈受電渦流影響時的等效阻抗Z的函數(shù)關(guān)系式為Z=F（，R，x） 47電渦流傳感器原理圖 如果保持上式中其他參數(shù)不變，而只改變其中一個參數(shù)，傳感器線圈阻抗Z就僅僅是這個參數(shù)的單值函數(shù)。通過與傳感器配用的測量電路測出阻抗Z的變化量，即可實現(xiàn)對該參數(shù)的測量。484.3.2 電渦流傳感器基本結(jié)構(gòu)和類型 1電渦流傳感器基本結(jié)構(gòu) 2電渦流傳感器基本類型 491電渦流傳感器基本結(jié)構(gòu)電渦流式傳感器的基本結(jié)構(gòu)主要由線圈和框架組成。根據(jù)線圈在框架上的安置方法，傳感器的結(jié)構(gòu)可分為兩種形式：一種是單獨繞成一只無框架的扁平圓形線圈，由膠水將此線圈粘接于框架的頂部 5

13、0 圖4-26 CZF3型電渦流式傳感器 1殼體 2框架 3線圈 4保護套 5填料 6螺母 7電纜 另一種是在框架的接近端面處開一條細槽，用導(dǎo)線在槽中繞成一只線圈，如圖4-27所示的CZF1型電渦流式傳感器。 51 圖4-27 CZF1型電渦流式傳感器1電渦流線圈 2前端殼體 3位置調(diào)節(jié)螺4信號處理電路 5夾持螺母 6電源指示燈閾值指示燈 8輸出屏蔽電纜線 9電纜插頭 2電渦流傳感器基本類型電渦流在金屬導(dǎo)體內(nèi)的滲透深度與傳感器線圈的激勵信號頻率有關(guān)，故電渦流式傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩類。目前高頻反射式電渦流傳感器應(yīng)用較廣泛。52（1）高頻反射式高頻（1MHz）激勵電流產(chǎn)生的高頻磁場

14、作用于金屬板的表面，由于集膚效應(yīng)，在金屬板表面將形成渦電流。與此同時，該渦流產(chǎn)生的交變磁場又反作用于線圈，引起線圈自感L或阻抗ZL的變化。線圈自感L或阻抗ZL的變化與金屬板距離h、金屬板的電阻率、磁導(dǎo)率、激勵電流i及角頻率等有關(guān)，若只改變距離h而保持其他參數(shù)不變，則可將位移的變化轉(zhuǎn)換為線圈自感的變化，通過測量電路轉(zhuǎn)換為電壓輸出。高頻反射式渦流傳感器多用于位移測量。 53高頻反射式電渦流傳感器 （2）低頻透射式54 低頻透射式電渦流傳感器 4.3.3 測量電路 1電橋電路 2調(diào)幅式（AM）電路 3調(diào)頻（FM）式電路（100kHz1MHz） 551電橋電路靜態(tài)時，電橋平衡，橋路輸出UAB0。工作時

15、，傳感器接近被測體，電渦流效應(yīng)等效電感L發(fā)生變化，測量電橋失去平衡，即UAB0，經(jīng)線性放大后送檢波器檢波后輸出直流電壓U。 562調(diào)幅式（AM）電路石英振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)頻、穩(wěn)幅高頻振蕩電壓（100kHz1MHz）用于激勵電渦流線圈。金屬材料在高頻磁場中產(chǎn)生電渦流，引起電渦流線圈端電壓的衰減，再經(jīng)高放、檢波、低放電路，最終輸出的直流電壓Uo反映了金屬體對電渦流線圈的影響）。573調(diào)頻（FM）式電路（100kHz1MHz）當電渦流線圈與被測體的距離x 改變時，電渦流線圈的電感量L也隨之改變，引起LC振蕩器的輸出頻率變化，此頻率可直接用計算機測量。如果要用模擬儀表進行顯示或記錄時，必須使用鑒頻器，將f轉(zhuǎn)

16、換為電壓Uo。 584.3.4 電渦流傳感器的應(yīng)用 渦流式傳感器的特點是結(jié)構(gòu)簡單，易于進行非接觸的連續(xù)測量，靈敏度較高，適用性強 利用位移x作為變換量，可以做成測量位移、厚度、振幅、振擺、轉(zhuǎn)速等傳感器，也可做成接近開關(guān)、計數(shù)器等； 利用材料電阻率作為變換量，可以做成測量溫度，材質(zhì)判別等傳感器； 利用導(dǎo)磁率作為變換量，可以做成測量應(yīng)力，硬度等傳感器； 利用變換量x、等的綜臺影響，可以做成探傷裝置。 591測量轉(zhuǎn)速 在軟磁材料制成的輸入軸上加工一鍵槽（或裝上一個齒輪狀的零件），在距輸入表面d0處設(shè)置電渦流傳感器，輸入軸與被測旋轉(zhuǎn)軸相連。 60實物圖 原理當旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動時，輸出軸的距離發(fā)生d0+d的變

17、化。由于電渦流效應(yīng)，這種變化將導(dǎo)致振蕩諧振回路的品質(zhì)因數(shù)變化，使傳感器線圈電感隨d的變化也發(fā)生變化，它們將直接影響振蕩器的電壓幅值和振蕩頻率。因此，隨著輸入軸的旋轉(zhuǎn)，從振蕩器輸出的信號中包含有與轉(zhuǎn)數(shù)成正比的脈沖頻率信號。該信號由檢波器檢出電壓幅值的變化量，然后經(jīng)整形電路輸出脈沖頻率信號f，該信號經(jīng)電路處理便可得到被測轉(zhuǎn)速。 612測位移 接通電源后，在電渦流探頭的有效面（感應(yīng)工作面）將產(chǎn)生一個交變磁場。當金屬物體接近此感應(yīng)面時，金屬表面將吸取電渦流探頭中的高頻振蕩能量，使振蕩器的輸出幅度線性地衰減，根據(jù)衰減量的變化，可計算出與被檢物體的距離、振動等參數(shù)。這種位移傳感器屬于非接觸測量，工作時不受

18、灰塵等非金屬因素的影響，壽命較長，可在各種惡劣條件下使用。 623電渦流接近開關(guān) 接近開關(guān)又稱無觸點行程開關(guān)。常用的接近開關(guān)有電渦流式（俗稱電感接近開關(guān)）、電容式、磁性干簧開關(guān)、霍爾式、光電式、微波式、超聲波式等 它能在一定的距離（幾毫米至幾十毫米）內(nèi)檢測有無物體靠近。當物體與其接近到設(shè)定距離時，就可以發(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。 63實物64 接近開關(guān)外形圖原理電渦流式接近開關(guān)屬于一種開關(guān)量輸出的位置傳感器。原理圖如圖4-36所示，它由LC高頻振蕩器和放大處理電路組成，利用金屬物體在接近這個能產(chǎn)生交變電磁場的振蕩感辨頭時，使物體內(nèi)部產(chǎn)生渦流。這個渦流反作用于接近開關(guān)，使接近開關(guān)振蕩能力衰減，內(nèi)部電路的參數(shù)發(fā)生變化，由此識別出有無金屬物體接近，進而控制開關(guān)的通或斷。這種接近開關(guān)所能檢測的物體必須是導(dǎo)電性能良好的金屬物體。65接近開關(guān)原理圖 66轉(zhuǎn)速測量67接近開關(guān)外形接近開關(guān)外形68偏心和振動檢測69電渦流表面探傷70掌上型電渦流探傷儀4金屬探測器71金屬探測器適用于金屬管道的尋找定位、海濱游泳場沙灘金屬垃圾的清除及其他工業(yè)和民用場所。本章小結(jié)變磁阻式傳感器是利用被測量的變化使線圈電感量發(fā)生改變來實現(xiàn)測量