檢測與傳感技術(shù)：第03章 電感式傳感器

1、 電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，它是把被測量轉(zhuǎn)化為電感量（自感或互感）的一種裝置。 可用來測位移、壓力、振動等多種非電量，既可用于靜態(tài)測量，又可用于動態(tài)測量。分類:電感式傳感器自感型可變磁阻型渦流式互感型第三章 電感式傳感器3.1 自感式傳感器3.2 變壓器式傳感器3.3 電感式傳感器的應(yīng)用3.4 電渦流式傳感器第3章 電感傳感器a) 可變導(dǎo)磁面積型b）差動型c）單螺管線圈型d）雙螺管線圈差動第三章 電感式傳感器3-1 自感式傳感器a) 氣隙型 b) 截面型 c) 螺管型原理結(jié)構(gòu)形式變間隙式、變面積式和螺管式。第三章 電感式傳感器 三種類型一、自感式傳感器的工作原理第三章 電感式傳感器螺管式

2、電感傳感器建立在磁路磁阻隨著銜鐵進(jìn)入深度不同而變化的基礎(chǔ)上。變氣隙型傳感器變截面型傳感器 第三章 電感式傳感器 鐵心的結(jié)構(gòu)和材料確定后，自感是氣隙厚度和氣隙截面積的函數(shù)。第三章 電感式傳感器1. 變氣隙式自感傳感器 氣隙的磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻 L與之間是非線性關(guān)系 磁路總的磁阻為 線圈的電感為 第三章 電感式傳感器變間隙式電感傳感器L-特性第三章 電感式傳感器第三章 電感式傳感器 （1）當(dāng)銜鐵上移時(shí), 傳感器氣隙減小, 即=0, 則此時(shí)輸出電感為L = L0+L, 當(dāng)/0 1時(shí), 可將上式用泰勒級數(shù)展開第三章 電感式傳感器 （2）當(dāng)銜鐵下移時(shí), 傳感器氣隙增大, 即=0, 則此時(shí)輸出電感

3、為L = L0L。第三章 電感式傳感器 差動變隙式電感傳感器 1-鐵芯；2-線圈；3-銜鐵當(dāng)銜鐵向上移動時(shí)，兩個(gè)線圈的電感變化量L1、L2 第三章 電感式傳感器第三章 電感式傳感器結(jié)論：差動式為簡單式電感傳感器靈敏度的2倍；非線性減小。簡單式電感傳感器非線性誤差克服溫度等外界共模信號干擾。，差動電感傳感器非線性誤差為 ；第三章 電感式傳感器2. 變面積式自感傳感器 靈敏度輸入與輸出呈線性關(guān)系，得到較大的線性范圍。特點(diǎn)第三章 電感式傳感器第三章 電感式傳感器3. 螺線管式自感傳感器1-螺線管線圈；2-螺線管線圈；3-骨架；4-活動鐵芯 L10，L20分別為線圈、的初始電感值差動螺線管式電感傳感器

4、結(jié)構(gòu)原理圖第三章 電感式傳感器第三章 電感式傳感器當(dāng)鐵芯右移后，使右邊電感值增加，左邊電感值減小 每只線圈的靈敏度為兩只線圈的靈敏度大小相等，符號相反，具有差動特征。 第三章 電感式傳感器第三章 電感式傳感器二、自感線圈的等效電路 自感線圈不是一個(gè)純電感，除了電感量L之外，還存在線圈的銅耗、鐵心的渦流及磁滯損耗。ReRhCLIoRc自感線圈等效電路Rc 銅損電阻；Re 鐵心渦流損耗；Rh 鐵心的磁滯損耗；C 分布等效電容（線圈 繞組間）。第三章 電感式傳感器三、自感傳感器特點(diǎn)總結(jié)1、閉磁路電感傳感器特點(diǎn)(氣隙和截面型)（1）靈敏度高。目前可測0.1m的直線位移，輸出信號比 較大，信噪比較好。（

5、2）全量程范圍小，只適于測量較小位移。（3）存在非線性。（4）消耗功率大（有較大的電磁吸力的緣故）。（5）工藝要求不高，加工容易。2、開磁路電感傳感器特點(diǎn)（螺線管中間插入可動鐵心）（1）靈敏度比閉磁路電感傳感器低，易受干擾。（2）全量程范圍較大，達(dá)200300mm。（3）線性差，低于1%，必須做成差動形式。第三章 電感式傳感器第三章 電感式傳感器四、自感傳感器配用電路被測量xL(M)轉(zhuǎn)換電路及信號調(diào)節(jié)電量傳感器轉(zhuǎn)換電路類型：*調(diào)幅式：xA， 用的較多 調(diào)頻式： xf（） 調(diào)相式： x(1) 變壓器電路輸出空載電壓 銜鐵偏離中間零點(diǎn)時(shí) u0z2z1u/2u/2初始平衡狀態(tài)，Z1=Z2=Z, u0

6、=0圖 變壓器電橋1、調(diào)幅電路第三章 電感式傳感器傳感器銜鐵移動方向相反時(shí) 空載輸出電壓 只能確定銜鐵位移的大小，不能判斷位移的方向。為了判斷位移的方向，要在后續(xù)電路中配置相敏檢波器。 第三章 電感式傳感器(2) 相敏檢波電路電路作用：辨別銜鐵位移方向。 U0的大小反映位移的大小，U0的極性反映位移的方向。消除零點(diǎn)殘余電壓。使x=0時(shí)，U0=0。圖 相敏檢波電路ABCD第三章 電感式傳感器（3）諧振式調(diào)幅電路電路的靈敏度很高，但是線性差，適用于線性要求不高的場合。圖 諧振式調(diào)幅電路第三章 電感式傳感器諧振點(diǎn)的自感值傳感器自感變化將引起輸出電壓頻率的變化。 GCLf圖 調(diào)頻電路Lf02. 調(diào)頻電

7、路第三章 電感式傳感器 f 較大時(shí)有較高的精度。傳感器電感變化將引起輸出電壓相位變化 3.調(diào)相電路圖 調(diào)相電路第三章 電感式傳感器第三章 電感式傳感器自感傳感器的靈敏度：（傳感器測頭+轉(zhuǎn)換電路）總靈敏度傳感器結(jié)構(gòu)（測頭）靈敏度：轉(zhuǎn)換電路靈敏度：總靈敏度：傳感器靈敏度單位：mV/（m V）五、傳感器的靈敏度當(dāng)電源電壓為1V，銜鐵偏移1 m 時(shí)，輸出電壓為多少mV。在調(diào)幅式電路中，當(dāng)u0=0時(shí)，應(yīng)有Z1=Z2=Z，而Z包含兩部分R和L，只有兩部分分別相等時(shí)（即R1=R2，L1=L2），才能保證u0=0。但在實(shí)際中很難達(dá)到，實(shí)際的u0 x曲線如圖，x=0時(shí)， u0=e0，稱為零點(diǎn)殘余電壓。第三章 電

8、感式傳感器六、零點(diǎn)殘余電壓u0z2z1u/2u/2減小的措施：設(shè)計(jì)上：使上、下磁路對稱，盡量減小銅損電阻Rc，增大鐵心的渦流損Re及磁滯損Rh以提高線圈的品質(zhì)因數(shù)；制造上：使上、下磁性材料一致。零部件配套挑選，線圈排列均勻、一致。調(diào)整方法：串（并）接電阻、并聯(lián)電容方法。電路上：利用相敏檢波可以減小零殘。第三章 電感式傳感器RcuLuRuZReh電感的等效電路零殘電壓過大帶來的影響：靈敏度下降、非線性誤差增大測量有用的信號被淹沒，不再反映被測量變化，造成放大電路后級飽和，儀器不能正常工作。重要指標(biāo)，不能過大Rc是銅損電阻，Reh是Re與Rh并聯(lián)的等效值，分別為鐵芯渦流損耗和磁滯損耗。C為線圈自身

9、電容第三章 電感式傳感器R1：調(diào)整，使得零點(diǎn)殘余基波信號消失；R2：消除二次諧波和三次諧波，并聯(lián)R2，使高次諧波減到最?。籆：兩個(gè)二次電壓不同相，引起零點(diǎn)殘余誤差，調(diào)整C，使零點(diǎn)誤差最小。第三章 電感式傳感器3-2 變壓器式傳感器一、工作原理 變壓器式傳感器是將非電量轉(zhuǎn)換為線圈間互感M的磁電機(jī)構(gòu)，很象變壓器的工作原理，稱為變壓器式傳感器，多采用差動結(jié)構(gòu)。第三章 電感式傳感器abABCW2aW2bW1aW1b A、B為兩個(gè)山字形固定鐵心，在其窗中各繞有兩個(gè)線圈，W1a及W1b為1次繞組，W2a及W2b為2次繞組，C為銜鐵。 當(dāng)沒有非電量輸入時(shí)， ，繞組W1a和W2a間的互感Ma與繞組W1b和W2

10、b間的互感Mb相等。 當(dāng)銜鐵位置改變 時(shí) ，則 ，此互感的差值即可反映被測量的大小。第三章 電感式傳感器 為反映差值互感，將兩個(gè)一次繞組的同名端順向串聯(lián)，并施加交流電壓Ua，而兩個(gè)二次繞組的同名端反向串聯(lián)，同時(shí)測量串聯(lián)后的合成電勢E2。*W1a*W1bW2aW2bUaE2 E2值的大小決定于被測位移的大小，E2的方向決定于位移的方向。 二次繞組W2a的互感電勢； 二次繞組W2b的互感電勢。二、結(jié)論1、供電電源必須是穩(wěn)幅和穩(wěn)頻的；2、N1/N2比值越大，靈敏度越高；3、0初始空氣隙不宜過大，否則靈敏度會下降；4、電源幅值應(yīng)適當(dāng)提高，但應(yīng)以鐵心不飽和為限。第三章 電感式傳感器第三章 電感式傳感器電

11、感式傳感器一般用于接觸測量，它主要用于位移測量，也可以用于振動、壓力、流量、液位等參數(shù)測量。3-3 電感式傳感器的應(yīng)用厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,壓縮,垂直度;壓力,流量,液位;張力,重力,負(fù)荷量;扭矩,應(yīng)力,動力;氣壓,溫度;振動,速度,加速度;等.可測量的物理量包括第三章 電感式傳感器 板的厚度測量 張力測量第三章 電感式傳感器測頭測桿電感線圈磁芯旁向式差動電感式傳感器總行程： 1.5mm 測量力：0.40.7N示值變動性：0.2m軸向式差動電感式傳感器總行程： 3mm 測量力：0.450.65N示值變動性：0.03m總行程：1.5mm 測量力：0.120.18N示值變動性：0.05m第

12、三章 電感式傳感器軸向式差動變壓器式傳感器總行程： 100mm 線性度：0.15% 總行程： 2 7mm 測量力：0.91.2N示值變動性：0.5m第三章 電感式傳感器特點(diǎn)：可單傳感器測量，也可兩個(gè)傳感器進(jìn)行和差演算測量 檔 位測量范圍分辨率示值誤差第一檔100.010.05第二檔1000.10.5第三檔1000110指標(biāo)電感測微儀電感測微儀是一種能夠測量微小尺寸變化的精密測量儀器，它由主體和測頭兩部分組成，配上相應(yīng)的測量裝置（例如測量臺架等），能夠完成各種精密測量。例如，檢查工件的厚度、內(nèi)徑、外徑、橢圓度、平行度、直線度、徑向跳動等，被廣泛應(yīng)用于精密機(jī)械制造業(yè)、晶體管和集成電路制造業(yè)以及國防

13、、科研、計(jì)量部門的精密長度測量。目前，國內(nèi)常用的電感測微儀有指針式和數(shù)字式兩種 。第三章 電感式傳感器輪廓儀輪廓儀：測量工件表面輪廓狀況的儀器 按起伏節(jié)距的大小分為：微觀不平度、波度、宏觀幾何形狀誤差微觀不平度：表面粗糙度，其粗高與粗距都很小。波 度：是一種周期性的起伏，其波距比波高大得多。宏觀形狀誤差： 如直線度、平面度、圓度誤差 等，它的波距很大，在一個(gè)表面上只有幾個(gè)起伏，甚至不呈周期性變化。 第三章 電感式傳感器第三章 電感式傳感器 典型電動輪廓儀組成框圖第三章 電感式傳感器第三章 電感式傳感器3-4 電渦流式傳感器 電渦流傳感器可以測量位移、厚度、轉(zhuǎn)速、振動、硬度等參數(shù)，還可以進(jìn)行無損

14、探傷，是一種應(yīng)用廣泛且有發(fā)展前途的傳感器。 電渦流傳感器是利用電渦流效應(yīng)原理，將位移等非電量轉(zhuǎn)換為阻抗的變化（或電感的變化，或Q值的變化），從而進(jìn)行非電量電測的。電渦流效應(yīng)：金屬導(dǎo)體置于變化的磁場中，導(dǎo)體內(nèi)會產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流像水中漩渦那樣在導(dǎo)體內(nèi)轉(zhuǎn)圈，稱之為電渦流或渦流下圖所示為高頻反射式渦流傳感器工作原理。金屬板置于一只線圈的附近，它們之間相互的間距為，當(dāng)線圈輸入一交變電流i時(shí)，便產(chǎn)生交變磁通量,金屬板在此交變磁場中會產(chǎn)生感應(yīng)電流i1，這種電流在金屬體內(nèi)是閉合的，所以稱之為渦電流或渦流。渦流的大小與金屬板的電阻率、磁導(dǎo)率、厚度h，金屬板與線圈的距離，激勵電流角頻率等參數(shù)有關(guān)。若改變其中

15、某二參數(shù)，而固定其他參數(shù)不變，就可根據(jù)渦流的變化測量該參數(shù)。第三章 電感式傳感器 低頻透射式渦流傳感器的工作原理如右圖所示，發(fā)射線圈1和接收線圈2分別置于被測金屬板材料G的上、下方。由于低頻磁場集膚效應(yīng)小，滲透深，當(dāng)?shù)皖l(音頻范圍)電壓e1加到線圈1的兩端后，所產(chǎn)生磁力線的一部分透過金屬板材料G,使線圈2產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e2。但由于渦流消耗部分磁場能量，使感應(yīng)電動勢e2減少，當(dāng)金屬板材料G越厚時(shí)，損耗的能量越大，輸出電動勢e2越小。因此，e2的大小與G的厚度及材料的性質(zhì)有關(guān)，試驗(yàn)表明，e2隨材料厚度h的增加按負(fù)指數(shù)規(guī)律減少,如圖所示，因此，若金屬板材料的性質(zhì)一定，則利用e2的變化即可測量其厚度。

16、第三章 電感式傳感器第三章 電感式傳感器一、工作原理H1H2 一個(gè)通有交變電流 的線圈，由于電流的變化，在線圈周圍就產(chǎn)生一個(gè)交變磁場H1，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H2， H2與H1方向相反，因而抵消部分原磁場，從而導(dǎo)致線圈的電感量、阻抗和品質(zhì)因數(shù)發(fā)生改變。 線圈等效外半徑第三章 電感式傳感器 一般地說，傳感器線圈的阻抗、電感和品質(zhì)因數(shù)的變化與導(dǎo)體的幾何形狀、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率有關(guān)，也與線圈的幾何參數(shù)、電流的頻率以及線圈到被測導(dǎo)體間距離有關(guān)。如果控制上述參數(shù)中一個(gè)變化，其余皆不變化，就可以構(gòu)成測位移、測溫度、測硬度等各種傳感器。 下面分析一下電

17、渦流對電路參數(shù)的影響。第三章 電感式傳感器R2R1L1L2M 首先把被測導(dǎo)體上形成的電渦流等效為一個(gè)短路環(huán)，這樣可使得分析問題更簡便。這個(gè)簡化模型可用下面的等效電路圖來表示。 假定傳感器線圈原有電阻R1，電感L1，則其復(fù)阻抗 Z1=R1+jL1 當(dāng)有被測導(dǎo)體靠近傳感器線圈時(shí)，則成為一個(gè)耦合電感，線圈與導(dǎo)體之間存在一個(gè)互感系數(shù)M，互感系數(shù)隨線圈與導(dǎo)體之間距離的減小而增大。短路環(huán)可看作一匝短路線圈，電阻為R2，電感為L2。 根據(jù)基爾霍夫定律，列出電路方程組：第三章 電感式傳感器解方程組，可知傳感器工作時(shí)復(fù)阻抗為： 電感為：電阻為：品質(zhì)因數(shù)：被測參數(shù)的變化，可以引起L，R和Q的變化第三章 電感式傳感

18、器渦流傳感器所用的轉(zhuǎn)換電路可以選用Z, L和Q中的任一參數(shù)，并將其轉(zhuǎn)換成電量，即可達(dá)到測量的目的。這樣，金屬導(dǎo)體的電阻率p，磁導(dǎo)率u、線圈與金屬導(dǎo)體的距離x，以及線圈激勵電流的角頻率w等參數(shù)，都將通過渦流效應(yīng)和磁效應(yīng)與線圈阻抗發(fā)生聯(lián)系。Z=f（p，u，x，w），若能控制其中大部分參數(shù)恒定不變，只改變其中一個(gè)參數(shù)，這樣阻抗就能成為這個(gè)參數(shù)的單值函數(shù)。因此，測量電路的任務(wù)是把這些參數(shù)的變化變換成電壓、頻率的變化?？梢杂靡韵氯N類型的測量電路：電橋電路、諧振電路、正反饋電路。通過補(bǔ)償可以在一定程度上擴(kuò)大距離的測量范圍。第三章 電感式傳感器二、電渦流式傳感器特性1、電渦流強(qiáng)度與距離的關(guān)系不考慮電渦流分

19、布的不均勻性，可以得到導(dǎo)體中電渦流強(qiáng)度為： I1 線圈激勵電流； x 線圈到被測體的距離； I2 導(dǎo)體中產(chǎn)生的電渦流。x/ras00.5112345I2/I1 I2隨x增加而急劇減小。為能得到較強(qiáng)的渦流效應(yīng)，應(yīng)使 x/ ras 1。可見線圈外徑ras與被測位移量 x 有密切關(guān)系。 用渦流傳感器測量位移時(shí)，只在很小的測量范圍內(nèi)能得到較好的線性和較高的靈敏度。 第三章 電感式傳感器2、被測導(dǎo)體對傳感器靈敏度的影響（1）被測導(dǎo)體的電阻率P和相對磁導(dǎo)率越小，傳感器的靈敏度愈高。 （2）由于渦流式位移傳感器是高頻反射式渦流傳感器，因此，被測導(dǎo)體必須達(dá)到一定的厚度，才不會產(chǎn)生電渦流的透射損耗，使傳感器具有較高的靈敏度。一般要求被測導(dǎo)體的厚度大于兩倍的渦流穿透深度。 D/d012340.51.0傳感器靈敏度K（3）只有在 D/d 大于3.5時(shí)，傳感器靈敏度才有穩(wěn)態(tài)值。 dD三、電渦流傳感器的測量電路 根據(jù)傳感器線圈與被測導(dǎo)體間的距離 x 的變化可以轉(zhuǎn)換為品質(zhì)因數(shù)Q、阻抗Z、線圈電感L三個(gè)參數(shù)的變化。 1、調(diào)幅式電路 L、C0組成諧振電路，諧振頻率 第三章 電感式傳感器源極跟蹤器交流放大器檢波濾波器xVDC振蕩器RC0L第三章 電感式傳感器當(dāng)被測導(dǎo)體距傳感器線圈相當(dāng)遠(yuǎn)時(shí)，傳