傳感器原理及應(yīng)用-電感式傳感器

1、電磁感應(yīng) 被測(cè)非電量自感系數(shù)L互感系數(shù)M測(cè)量電路U、I、f 第4章 電感式傳感器 電感式傳感器的定義 一種利用線圈自感和互感的變化實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的裝置。電感式傳感器的感測(cè)量 位移、振動(dòng)、壓力、應(yīng)變、流量、比重等。電感式傳感器的種類 根據(jù)轉(zhuǎn)換原理：自感式（変磁阻式）、互感式（差動(dòng)變壓器式）、電渦流式三種； 根據(jù)結(jié)構(gòu)形式：氣隙型、面積型和螺管型。 第4章 電感式傳感器 電感式傳感器的優(yōu)點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠 分辨率高 機(jī)械位移0.1m，甚至更??；角位移0.1角秒。 輸出信號(hào)強(qiáng)，電壓靈敏度可達(dá)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

2、實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸、記錄、顯示和控制電感式傳感器的不足 存在交流零位信號(hào)，不宜高頻動(dòng)態(tài)測(cè)量。 第4章 電感式傳感器 4.1 變磁阻式電感傳感器4.2 差動(dòng)變壓器式電感傳感器4.3 電渦流式傳感器4.4 電感式傳感器的應(yīng)用一、變磁阻式傳感器工作原理二、變磁阻式傳感器基本類型三、變截面式自感傳感器輸出特性四、變間隙式自感傳感器輸出特性五、差動(dòng)式自感傳感器六、自感式傳感器的等效電路七、自感式傳感器的測(cè)量電路4.1 變磁阻式電感傳感器變磁阻式傳感器即自感式電感傳感器：利用線圈自感量的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量的。傳感器結(jié)構(gòu)：線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。一、變磁阻式傳感器工作原理4.1 變磁阻式電感傳感器線圈中電感量：

3、線圈鐵芯銜鐵工作原理：鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料如硅鋼片或坡莫合金制成，在鐵芯和銜鐵之間有氣隙，氣隙厚度為，傳感器的運(yùn)動(dòng)部分與銜鐵相連。當(dāng)被測(cè)量變化時(shí)，使銜鐵產(chǎn)生位移，引起磁路中磁阻變化，從而導(dǎo)致電感線圈的電感量變化。因此只要能測(cè)出這種電感量的變化，就能確定銜鐵位移量的大小和方向?？偞抛杈€圈匝數(shù)一、變磁阻式傳感器工作原理4.1 變磁阻式電感傳感器磁導(dǎo)率H/m氣隙截面積A保持不變，則L為的單值函數(shù)，構(gòu)成變氣隙厚度式自感傳感器。保持氣隙間距不變，A隨被測(cè)量（如位移）變化，構(gòu)成變氣隙面積式自感傳感器。 線圈鐵芯銜鐵l1l2一、變磁阻式傳感器工作原理二、變磁阻式傳感器基本類型三、變截面式自感傳感器輸出特性四

4、、變間隙式自感傳感器輸出特性五、差動(dòng)式自感傳感器六、自感式傳感器的等效電路七、自感式傳感器的測(cè)量電路4.1 變磁阻式電感傳感器變磁阻式傳感器即自感式電感傳感器的基本類型：二、變磁阻式傳感器基本類型4.1 變磁阻式電感傳感器線圈鐵芯銜鐵（1）變氣隙厚度式（2）變氣隙面積式變截面式和螺管式變氣隙厚度式螺管式線圈鐵芯銜鐵銜鐵移動(dòng)方向變氣隙截面式一、變磁阻式傳感器工作原理二、變磁阻式傳感器基本類型三、變截面式自感傳感器輸出特性四、變間隙式自感傳感器輸出特性五、差動(dòng)式自感傳感器六、自感式傳感器的等效電路七、自感式傳感器的測(cè)量電路4.1 變磁阻式電感傳感器三、變截面式自感傳感器輸出特性4.1 變磁阻式電感

5、傳感器氣隙截面面積A0時(shí)自感系數(shù)當(dāng)傳感器截面增加A時(shí)，則輸出電感為線圈鐵芯銜鐵銜鐵移動(dòng)方向因此，輸出電感的變化與截面面積的變化成線性關(guān)系。三、變截面式自感傳感器輸出特性4.1 變磁阻式電感傳感器當(dāng)傳感器截面減小A時(shí)，同理有線圈鐵芯銜鐵銜鐵移動(dòng)方向輸出電感靈敏度與初始截面面積的成反比關(guān)系。因此既可確定銜鐵位移量的大小又可確定方向。輸出電感靈敏度三、變截面式自感傳感器的輸出特性4.1 變磁阻式電感傳感器一、變磁阻式傳感器工作原理二、變磁阻式傳感器基本類型三、變截面式自感傳感器輸出特性四、變間隙式自感傳感器輸出特性五、差動(dòng)式自感傳感器六、自感式傳感器的等效電路七、自感式傳感器的測(cè)量電路4.1 變磁阻

6、式電感傳感器四、變間隙式自感傳感器輸出特性4.1 變磁阻式電感傳感器線圈鐵芯銜鐵氣隙厚度0時(shí)自感系數(shù)當(dāng)銜鐵上移時(shí)，傳感器氣隙減小，即=0-， 則輸出電感為四、變間隙式自感傳感器輸出特性4.1 變磁阻式電感傳感器線圈鐵芯銜鐵當(dāng)/0R，則有Z1+Z2j(L1+L2)電感式傳感器的測(cè)量電路：交流電橋、變壓器式交流電橋以及諧振式等。 1、交流電橋式測(cè)量電路電橋輸出電壓為七、自感式傳感器的測(cè)量電路4.1 變磁阻式電感傳感器線性處理后電橋輸出電壓為1、交流電橋式測(cè)量電路差動(dòng)式傳感器的電感靈敏度K0為 變間隙差動(dòng)式電感傳感器的靈敏度是單線圈式的兩倍。 差動(dòng)式的線性度明顯改善。 輸出電壓與成正比。曲線1、2為

7、兩線圈各自電感特性；曲線3為兩線圈差接時(shí)的電感特性；曲線4為差接后電橋輸出電壓與銜鐵位移的特性曲線。七、自感式傳感器的測(cè)量電路4.1 變磁阻式電感傳感器1、交流電橋式測(cè)量電路U0L/mH/mmL043211234-電橋輸出特性：電橋輸出電壓大小與銜鐵位移量有關(guān)，相位與銜鐵移動(dòng)方向有關(guān)。若設(shè)銜鐵向上移動(dòng)為負(fù)，則U0為負(fù)；銜鐵向下移動(dòng)為正，則U0為正，相位差180。變壓器式交流電橋測(cè)量電路，電橋兩橋臂分別為傳感器兩線圈的阻抗，另外兩橋臂分別為電源變壓器的兩次級(jí)線圈，其阻抗為次級(jí)線圈總阻抗的一半。七、自感式傳感器的測(cè)量電路4.1 變磁阻式電感傳感器2、變壓器式交流電橋測(cè)量時(shí)被測(cè)件與傳感器銜鐵相連，當(dāng)

8、銜鐵處于中間位置，即Z1=Z2=Z時(shí)電橋輸出電壓為零，電橋平衡。 Z1Z2IABCD當(dāng)負(fù)載阻抗為無(wú)窮大時(shí)，橋路輸出電壓為 當(dāng)傳感器銜鐵上移時(shí)，Z1=Z+Z，Z2=Z-Z，若線圈的Q值很高，損耗電阻可忽略，則橋路輸出電壓為 七、自感式傳感器的測(cè)量電路4.1 變磁阻式電感傳感器2、變壓器式交流電橋當(dāng)銜鐵上下移動(dòng)相同距離時(shí)，電橋輸出電壓大小相等而相位相反。要判斷銜鐵方向需要經(jīng)過(guò)相敏檢波電路的處理。 Z1Z2IABCD當(dāng)傳感器銜鐵下移時(shí)，Z1=Z-Z，Z2=Z+Z，橋路輸出電壓為 七、自感式傳感器的測(cè)量電路4.1 變磁阻式電感傳感器2、變壓器式交流電橋 銜鐵中間位置七、自感式傳感器的測(cè)量電路4.1 變

9、磁阻式電感傳感器3、相敏檢波測(cè)量電路 銜鐵上移L1增大，自感電動(dòng)勢(shì)增加；L2減小，自感電動(dòng)勢(shì)減少。 正半周E點(diǎn)電勢(shì)高，F(xiàn)點(diǎn)低通路EJGF，UG降低通路EKHF，UH升高負(fù)半周F點(diǎn)電勢(shì)高，E點(diǎn)低通路EJHF，UG降低通路EKGF，UH升高結(jié)論：無(wú)論是正半周還是負(fù)半周，銜鐵上移時(shí)UGUH。銜鐵下移時(shí)，UGUH;銜鐵上移時(shí)，UGU68，U20；銜鐵下移時(shí)，U24U68，U20 。U2的正負(fù)表示銜鐵位移方向;U2的大小表示銜鐵位移大小。 差動(dòng)整流電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 不需要考慮相位調(diào)整和零點(diǎn)殘余電壓的影響, 分布電容影響小和便于遠(yuǎn)距離傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，因而獲得廣泛應(yīng)用。一、螺線管式差動(dòng)變壓器二、變隙式差動(dòng)變壓

10、器三、差動(dòng)變壓器式傳感器測(cè)量電路4.2 差動(dòng)變壓器式電感傳感器 第4章 電感式傳感器 4.1 變磁阻式電感傳感器4.2 差動(dòng)變壓器式電感傳感器4.3 電渦流式傳感器4.4 電感式傳感器的應(yīng)用一、電渦流式傳感器基本原理二、電渦流式傳感器輸出特性三、電渦流式傳感器基本類型四、電渦流式傳感器測(cè)量電路4.3 電渦流式傳感器 一、電渦流式傳感器基本原理渦流式傳感器的基本原理：利用金屬導(dǎo)體在交流磁場(chǎng)中的電渦流效應(yīng)。電渦流：若一金屬板置于一只線圈的附近，當(dāng)線圈輸入一交變電流 時(shí)，便產(chǎn)生交變磁通量，金屬板在此交變磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流在金屬體內(nèi)是閉合的，稱之為電渦流或渦流。若固定某些參數(shù)，就可根據(jù)渦流

11、的變化測(cè)量另一個(gè)參數(shù)。4.3 電渦流式傳感器 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(lì)電流角頻率等參數(shù)有關(guān)。激勵(lì)線圈金屬導(dǎo)體一、電渦流式傳感器基本原理二、電渦流式傳感器輸出特性三、電渦流式傳感器基本類型四、電渦流式傳感器測(cè)量電路4.3 電渦流式傳感器 二、電渦流式傳感器輸出特性被測(cè)導(dǎo)體上形成的電渦流等效成一個(gè)短路環(huán)中的電流，短路環(huán)可認(rèn)為是一匝短路線圈，電阻為R2、電感為L(zhǎng)2。線圈與被測(cè)導(dǎo)體等效為兩個(gè)相互耦合的線圈。線圈與導(dǎo)體間存在一個(gè)互感M，隨線圈與導(dǎo)體間距的減小而增大。電渦流式傳感器等效電路4.3 電渦流式傳感器 根據(jù)基爾霍夫第二定律，有1、等效電路二、電渦流式傳

12、感器輸出特性解方程得等效阻抗的表達(dá)式為線圈受電渦流影響后的等效電感 4.3 電渦流式傳感器 線圈受電渦流影響后的等效電阻 2、等效阻抗與品質(zhì)因數(shù)線圈等效品質(zhì)因數(shù) 特性參數(shù)影響因素： Q： L2, R2, L1, R1, , MReq、Leq、Q是M2的函數(shù)一、電渦流式傳感器基本原理二、電渦流式傳感器輸出特性三、電渦流式傳感器基本類型四、電渦流式傳感器測(cè)量電路4.3 電渦流式傳感器 三、電渦流式傳感器的基本類型電渦流式傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩類。4.3 電渦流式傳感器 高頻信號(hào)激勵(lì)傳感器線圈產(chǎn)生高頻交變磁場(chǎng)，當(dāng)被測(cè)導(dǎo)體靠近線圈時(shí)，產(chǎn)生電渦流，而電渦流又產(chǎn)生一交變磁場(chǎng)阻礙外磁場(chǎng)的變化。

13、1、高頻反射式從能量角度分析，被測(cè)導(dǎo)體內(nèi)存在著電渦流損耗，使傳感器的Q值和等效阻抗Z降低。當(dāng)被測(cè)體與傳感器間距離改變時(shí)，傳感器的Q和Z、電感L均發(fā)生變化，位移量轉(zhuǎn)換成電量。三、電渦流式傳感器基本類型4.3 電渦流式傳感器 發(fā)射線圈和接收線圈置于被測(cè)金屬板上下方。當(dāng)?shù)皖l電壓加到線圈1的兩端后，產(chǎn)生磁場(chǎng)線的一部分透過(guò)金屬板，使線圈2產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。但渦流消耗部分磁場(chǎng)能量，使感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)減少，當(dāng)金屬板越厚時(shí)，損耗的能量越大，輸出電動(dòng)勢(shì)越小。2、低頻透射式電動(dòng)勢(shì)的大小與金屬板的厚度及材料的性質(zhì)有關(guān)。電動(dòng)勢(shì)隨材料厚度的增加按負(fù)指數(shù)規(guī)律減少。若金屬板材料的性質(zhì)一定，即可測(cè)厚度。一、電渦流式傳感器基本原理二、

14、電渦流式傳感器輸出特性三、電渦流式傳感器基本類型四、電渦流式傳感器測(cè)量電路4.3 電渦流式傳感器 三、電渦流式傳感器測(cè)量電路1、調(diào)頻式電路 電渦流傳感器的測(cè)量電路主要有調(diào)頻式、 調(diào)幅式電路和交流電橋等。 傳感器線圈接入振蕩回路，當(dāng)傳感器與被測(cè)導(dǎo)體距離改變時(shí)，在渦流影響下，傳感器的電感變化，導(dǎo)致振蕩頻率的變化。4.3 電渦流式傳感器 頻率變化是距離的函數(shù)，頻率可由數(shù)字頻率計(jì)直接測(cè)量，或通過(guò)頻率電壓變換，用電壓表測(cè)量對(duì)應(yīng)的電壓。 三、電渦流式傳感器測(cè)量電路2、調(diào)幅式電路 傳感器線圈L、電容器C和石英晶體組成石英晶體振蕩電路。當(dāng)金屬導(dǎo)體遠(yuǎn)離傳感器線圈時(shí)，諧振回路諧振頻率fo，回路呈現(xiàn)的阻抗最大，諧振

15、回路上的輸出電壓也最大；當(dāng)金屬導(dǎo)體靠近時(shí)，線圈的等效電感L發(fā)生變化，導(dǎo)致回路失諧，輸出電壓降低，L的數(shù)值隨距離的變化而變化。因此，輸出電壓也隨而變化。4.3 電渦流式傳感器 石英晶體振蕩器起恒流源的作用，給諧振回路提供一個(gè)頻率f0穩(wěn)定的激勵(lì)電流io，LC回路的阻抗為Z時(shí)輸出電壓一、電渦流式傳感器基本原理二、電渦流式傳感器輸出特性三、電渦流式傳感器基本類型四、電渦流式傳感器測(cè)量電路4.3 電渦流式傳感器 第4章 電感式傳感器 4.1 變磁阻式電感傳感器4.2 差動(dòng)變壓器式電感傳感器4.3 電渦流式傳感器4.4 電感式傳感器的應(yīng)用載有交變電流的線圈產(chǎn)生交變磁場(chǎng)Hp，金屬物平面感應(yīng)出電渦流，產(chǎn)生交變

16、渦流磁場(chǎng)Hs ，均在檢測(cè)線圈（反向差動(dòng)線圈）中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。一、電渦流式傳感器應(yīng)用4.4 電感式傳感器的應(yīng)用1、無(wú)損金屬材料探傷 被測(cè)金屬物上無(wú)缺陷穿過(guò)檢測(cè)線圈的兩個(gè)線圈的磁通量相等，感應(yīng)電勢(shì)相互抵消，輸出為零。一、電渦流式傳感器應(yīng)用4.4 電感式傳感器的應(yīng)用1、無(wú)損金屬材料探傷 被測(cè)金屬物上有缺陷穿過(guò)兩個(gè)檢測(cè)線圈的磁通量不相等，檢測(cè)線圈輸出感應(yīng)電勢(shì)不為零。幅值甄別電路信號(hào)處理后幅值甄別電路信號(hào)量 程：0 30mm分辨率：0.1%一、電渦流式傳感器應(yīng)用4.4 電感式傳感器的應(yīng)用2、測(cè)量位移液位監(jiān)控系統(tǒng)3、測(cè)量位移汽輪機(jī)主軸的軸向竄動(dòng)薄膜厚度：d=X0-X等效電感：L=L0-L一、電渦流式傳感器應(yīng)用4.4 電感式傳感器的應(yīng)用4、測(cè)量轉(zhuǎn)速5、測(cè)量薄膜厚度齒輪齒數(shù)一、電渦流式傳感器應(yīng)用4.4 電感式傳感器的應(yīng)用6、測(cè)量板材厚度一、電渦流式傳感器應(yīng)用4.4 電感式傳感器的應(yīng)用7、生產(chǎn)工件計(jì)數(shù)一、電渦流式傳感器應(yīng)用4.4 電感式傳感器的應(yīng)用8、接近傳感器一、電渦流式傳感器應(yīng)用4.4 電感式傳感器的應(yīng)用8、接近傳感器接近開(kāi)關(guān)專用集成電路SC205動(dòng)態(tài)測(cè)