傳感器與檢測技術(第2版)-第五章課件

1、第五章 電感式傳感器 本章的主要內容有：1.自感式電感傳感器的結構原理；2.差分變壓器式傳感器；3. 電渦流式傳感器；4. 電感傳感器的主要應用；第五章 電感式傳感器 本章的主要內容有：1.什么是電感？電感（電感線圈）是用絕緣導線（例如漆包線、紗包線等）繞制而成的電磁感應元件，也是電子電路中常用的元器件之一。電感是用漆包線、紗包線或塑皮線等在絕緣骨架或磁心、鐵心上繞制成的一組串聯的同軸線匝，它在電路中用字母“L”表示，主要作用是對交流信號進行隔離、濾波或與電容器、電阻器等組成諧振電路。2. 基本概念電感（inductance of an ideal inductor）是閉合回路的一種屬性。當線

2、圈通過電流后，在線圈中形成磁場感應，感應磁場又會產生感應電流來抵制通過線圈中的電流。這種電流與線圈的相互作用關系稱為電的感抗，也就是電感，單位是“亨利（H）”1.什么是電感？電感的主要特點： 電感是衡量線圈產生電磁感應能力的物理量。當線圈通入非穩(wěn)態(tài)電流時，周圍就會產生變化的磁場。通入線圈的功率越大，激勵出來的磁場強度越高，反之則?。ù鸥袘獜姸冗_到飽和之前）。 電感是閉合回路的一種屬性，即當通過閉合回路的電流改變時，電感會出現電動勢來抵抗電流的改變。這種電感稱為自感（self-inductance），是閉合回路自己本身的屬性。假設一個閉合回路的電流改變，由于感應作用而產生電動勢于另外一個閉合回路

3、，這種電感稱為互感（mutual inductance）電感的主要特點：自感當線圈中有電流通過時，線圈的周圍就會產生磁場。當線圈中電流發(fā)生變化時，其周圍的磁場也產生相應的變化，此變化的磁場可使線圈自身產生感應電動勢（感生電動勢）（電動勢用以表示有源元件理想電源的端電壓），這就是自感?；ジ袃蓚€電感線圈相互靠近時，一個電感線圈的磁場變化將影響另一個電感線圈，這種影響就是互感?；ジ械拇笮∪Q于電感線圈的自感與兩個電感線圈耦合的程度，利用此原理制成的元件叫做互感器。自感 電感式傳感器是利用被測量的變化引起線圈自感或互感系數的變化，導致線圈電感量改變來實現測量的。分類:電感式傳感器自感型互感型變面積型電

4、傳感器螺線管型電傳感器變間隙型電傳感器 電感式傳感器是利用被測量的變化引起線圈自感或互感自感式傳感器基本工作原理演示自感式傳感器基本工作原理演示傳感器與檢測技術(第2版)-第五章課件傳感器與檢測技術(第2版)-第五章課件5.1 自感式電感傳感器 自感式電感傳感器有變間隙型、變面積型和螺管型三種。 5.1.1 原理分析 5.1.1.1 變間隙型電感傳感器 它的結構示意圖如右圖所示。工作時銜鐵與被測物體連接，被測物體的位移將引起空氣隙的變化，導致了線圈電感量的變化。線圈的電感可用下式表示：5.1 自感式電感傳感器 自感式電感傳感器有變間傳感器與檢測技術(第2版)-第五章課件變間隙式傳感器的測量范圍

5、與靈敏度及線性度相矛盾，因此變間隙式電感式傳感器適用于測量微小位移的場合。變間隙式傳感器的測量范圍與靈敏度及線性度相矛盾，因此變間隙式線圈的電感值可近似地表示為 因此，其靈敏度隨氣隙的增大而減小。忽略磁路鐵損，則磁路總磁阻為 因此：線圈的電感值可近似地表示為 鐵心與銜鐵之間相對覆蓋面積隨被測量的變化面改變，導致線圈的電感量發(fā)生變化，這種形式稱之為變面積型電感傳感器，見圖4.1.2。L與是非線性的，但與A成正比，特性曲線參見圖4.1.3?？勺儗Т琶娣e型5.1.1.2 變截面積型電感傳感器 鐵心與銜鐵之間相對覆蓋面積隨被測量的變化面改變，導致傳感器與檢測技術(第2版)-第五章課件變截面積式自感傳感

6、器的特點：測量范圍大，非線性誤差小，但靈敏度低5.1.1.3 螺管型電感式傳感器下圖為其結構原理圖，銜鐵隨被測物移動，引起磁阻發(fā)生變化，導致電感量改變。變截面積式自感傳感器的特點：5.1.1.3 螺管型電感式傳線圈電感量與銜鐵進入線圈的長度可表示為 通過以上分析可得結論: I. 變間隙型靈敏度較高,但非線性誤差較大，且制作裝配比較困難； II. 變面積型靈敏度較小,但線性較好,量程較大，使用比較廣泛；III.螺管型靈敏度較低,但量程大且結構簡單，易于制作和批量生產，常用于測量精度不高的場合。線圈電感量與銜鐵進入線圈的長度可表示為 通過以上分析可得結論 用兩個相同的傳感線圈共用一個銜鐵,構成差動

7、式電感傳感器,這樣可以提高傳感器的靈敏度,減小測量誤差。下圖是變間隙型、變面積型及螺管型三種類型的差動結構。 5. 1.4 差動式（差分式）電感傳感器 用兩個相同的傳感線圈共用一個銜鐵,構成差動式電感傳感傳感器與檢測技術(第2版)-第五章課件差分式電感傳感器的結構要求兩個導磁體的幾何尺寸和材料完全相同，兩個線圈的電氣參數和幾何尺寸完全相同。差分式結構除了可以改善線性、提高靈敏度外，對溫度變化、電源頻率變化等影響也可以進行補償，從而減少了外界影響造成的誤差。差分式電感傳感器的結構要求兩個導磁體的幾何尺寸和材料完全相同5.1.5 測量轉換電路 電感式傳感器的主要策略電路是交流電橋，其作用是將線圈電

8、感的變化轉化為電橋電路的電壓或電流輸出。 差動式結構可以提高靈敏度，改善線性，所以交流電橋大多采用雙臂工作形式。下圖是交流電橋的幾種常用形式。 5.1.5 測量轉換電路 電感式傳感器的主要策略電路當LR時，上式可近似為： 可見交流電橋的輸出電壓與傳感器線圈電感的相對變化量成正比。 電阻平衡臂電橋如上圖a所示，工作時，Z1=Z+Z和Z2=ZZ，當ZL時，電橋的輸出電壓為 5.1.5.1 電阻平衡臂電橋當LR時，上式可近似為： 電阻平衡臂電橋如上圖由于Z1=Z-Z，Z2=Z+Z，故： 同理，當銜鐵上移時，則有：變壓器式電橋如前圖b，當負載阻抗無窮大時輸出電壓為：5.1.2.2 變壓器式電橋可見，輸

9、出電壓反映了傳感器線圈阻抗的變化，還需辯向。 由于Z1=Z-Z，Z2=Z+Z，故： 變壓器式 該電橋如前圖c所示。它以差動電感傳感器的兩個線圈作電橋工作臂，而緊耦合的兩個電感作為固定臂組成電橋電路。采用這種測量電路可以消除與電感臂并聯的分布電容對輸出信號的影響，使電橋平衡穩(wěn)定，另外簡化了接地和屏蔽的問題。 5.1.2.3 緊耦合電感臂電橋 該電橋如前圖c所示。它以差動電感傳感器的兩個線圈作電電感式接近開關（金屬）電感式接近開關（金屬）傳感器與檢測技術(第2版)-第五章課件5.2 差動變壓器 1.工作原理:互感現象EwEoutWW1W2Esx-x差分變壓式傳感器又稱互感式電感傳感器。5.2 差動

10、變壓器 1.工作原理:互感現象EwEoutW2. 差動變壓器式傳感器構成 該類型的傳感器主要包括有銜鐵、一次繞組和二次繞組等。 一、二次繞組間的耦合能隨銜鐵的移動而變化，即繞組間的互感隨被測位移改變而變化。由于在使用時采用兩個二次繞組反向串接，以差動方式輸出，所以把這種傳感器稱為差動變壓器式電感傳感器，通常簡稱差動變壓器。2. 差動變壓器式傳感器構成 該類型的傳感器主傳感器與檢測技術(第2版)-第五章課件對于差分變壓器而言，當銜鐵處于中間位置時，兩個二次繞組的互感相同。因而由一次激勵引起的感應電動勢相同。由于兩個二次繞組反向串接，因而差分輸出電壓為零。在傳感器的量程內，銜鐵移動量越大，差分輸出

11、電壓越大。同理，當銜鐵向二次繞組一邊移動時，則其輸出電壓反相。因此，通過輸出就可以知道銜鐵位移的大小和方向，并由此判斷被測物體的移動方向和位移量大小。對于差分變壓器而言，當銜鐵處于中間位置時，兩個二次繞組的互感3. 等效電路 L21E2L22E22E21U1R22R21R1M1M2等效電路如上圖所示，輸出采用差動結構，隨著被測物的變化而改變。3. 等效電路 L21E2L22E22E21U1 （3） 當銜鐵向二次繞組L22一邊移動時輸出也不為零，但由于移動方向改變，所以輸出電動勢反相。因此通過差動變壓器輸出電動勢的大小和相位可以知道銜鐵位移量的大小和方向。 （1）當銜鐵處于中間位置時，兩個二次繞

12、組互感相同，所以差動輸出電動勢為零。（2）當銜鐵移向二次繞組一邊時，輸出不為零，在量程內移越大，輸出就越大。 （3） 當銜鐵向二次繞組L22一邊移動時輸出也不為零，但 4. 差動變壓器的輸出特性曲線如左圖所示，其中E2的實線表示理想的輸出特性，而虛線部分表示實際的輸出特性。E0為零點殘余電動勢。 零點殘余使得傳感器的輸出特性在零點附近不靈敏，給測量帶來誤差，它的大小是衡量差動變壓器性能好壞的重要指標。 4. 差動變壓器的輸出特性曲線如左圖所示，其中E2的實線表減小零點殘余的方法： I. 盡可能保證傳感器幾何尺寸、線圈電氣參數玫磁路的對稱。磁性材料要經過處理，消除內部的殘余應力，使其性能均勻穩(wěn)定

13、。 II.選用合適的測量電路，如采用相敏整流電路。既可判別銜鐵移動方向雙可改善輸出特性，減小零點殘余電動勢。 . 采用補償線路減小零點殘余電動勢在差動變壓器二次側串、并聯適當數值的電阻電容元件，當調整這些元件時，可使零點殘余電動勢減小。 減小零點殘余的方法：5.2.2 常用測量電路 5.2.2 常用測量電路 差分變壓器隨銜鐵的位移可輸出一個調幅波，用電壓表來測量存在以下問題：（1）總有零位電壓輸出，因而零位附近的小位移量的測量比較困難。（2）交流電壓表無法判斷銜鐵的移動方向因此，需采用必要的測量電路加以解決。目前常用的測量電路有相敏檢波電路、差分整流電路和直流差分變壓器電路。差分變壓器隨銜鐵的

14、位移可輸出一個調幅波，用電壓表來測量存在以傳感器與檢測技術(第2版)-第五章課件 差動整流電路結構簡單，是常用的電路形式，它對兩個二次繞組的感應電動勢分別整流，然后再把兩個整流后的電壓或電流合成輸出。一般不需要調整相位，不考慮零點殘余電動勢的影響，適于遠距離傳輸。5.2.2.1 差動相敏檢波電路 相敏檢波電路要求比較電壓與差動變壓器二次側輸出電壓的頻率相同，相位相同或相反。為了保證這一點，通常在電路中接入移相電路。另外，由于比較電壓在檢波電路中起開關作用，還要求比較電壓的幅值盡可能大，一般情況下，其幅值應為信號電壓的35倍。5.2.2.2 差動整流電路 差動整流電路結構簡單，是常用的電路形式，

15、它對兩個5.2.3 差動變壓器式傳感器的應用 1. 測量位移5.2.3 差動變壓器式傳感器的應用 1. 測量位移例：板厚的測量 例：板厚的測量 2. 測量力或壓力例：張力測量2. 測量力或壓力例：張力測量經相敏檢波和差分整流輸出的信號，還需要經過低通濾波電路，把調制的高頻載波濾除，檢出與銜鐵位移相對應的有用信號。3. 直流差分變壓器電路直流差分變壓器的工作原理和一般差分變壓器相同，差別僅在于儀器所用的電流是直流電源（如干電池、蓄電池等）直流差分變壓器由直流電源、多謝振蕩器、差分整流電路和濾波器組成。多謝振蕩器提供高頻激勵電源，它可以產生正弦波、三角波或方波等電路。直流差分變壓器一般用于差分變壓

16、器與控制室相距較遠（大于100米）、設備之間不產生干擾、便于攜帶測量的場合。經相敏檢波和差分整流輸出的信號，還需要經過低通濾波電路，把調5.3 電渦流式傳感器 它能實現非接觸測量，如位移、振動、厚度、轉速、應力、硬度等參數。這種傳感器還可用于無損探傷。原理如下圖示。 這是一種建立在渦流效應原理上的傳感器。5.3 電渦流式傳感器 它能實現非接觸測電渦流式傳感器結構簡單、頻率響應寬、靈敏度高、測量范圍大、抗干擾能力強，特別是有非接觸的優(yōu)點，因此在工業(yè)生產和科學技術的各個領域得到了廣泛應用。渦流效應渦流效應指的是法拉第電磁感應定律，當塊狀導體置于交變磁場或在固定磁場中運動時，導體內產生感應電流，此電

17、流在導體內閉合。電磁爐采用了磁場感應渦流加熱原理，它利用交變電流通過線圈產生交變磁場，當磁場內的磁感線傳到含鐵質鍋的底部時，即會產生無數強大的小渦流，使鍋本身自行迅速發(fā)熱，然后再加熱鍋內的食物。電渦流式傳感器結構簡單、頻率響應寬、靈敏度高、測量范圍大、抗在一根導體外面繞上線圈，并讓線圈通入交變電流，那么線圈就產生交變磁場。由于線圈中間的導體在圓周方向是可以等效成一圈圈的閉合電路，閉合電路中的磁通量在不斷發(fā)生改變，所以在導體的圓周方向會產生感應電動勢和感應電流，電流的方向沿導體的圓周方向轉圈，就像一圈圈的漩渦，所以這種在整塊導體內部發(fā)生電磁感應而產生感應電流的現象稱為渦流現象。導體的外周長越長，

18、交變磁場的頻率越高，渦流就越大。渦流效應導體內部的渦流也會產生熱量，如果導體的電阻率小，則產生的渦流很強，產生的熱量就很大。在一根導體外面繞上線圈，并讓線圈通入交變電流，那么線圈就產生無損探傷 探測金屬材料或部件內部的裂紋或缺陷。常用的探傷方法有:X光射線探傷、超聲波探傷、磁粉探傷、滲透探傷、渦流探傷、射線探傷等方法。物理探傷就是不產生化學變化的情況下進行無損探傷。 無損探傷檢測是利用物質的聲、光、磁和電等特性，在不損害或不影響被檢測對象使用性能的前提下，檢測被檢對象中是否存在缺陷或不均勻性，給出缺陷大小，位置，性質和數量等信息。無損探傷 它與破壞性檢測相比，無損檢測有以下特點。第一是具有非破

19、壞性，因為它在做檢測時不會損害被檢測對象的使用性能;第二具有全面性，由于檢測是非破壞性，因此必要時可對被檢測對象進行100%的全面檢測，這是破壞性檢測辦不到的;第三具有全程性，破壞性檢測一般只適用于對原材料進行檢測，如機械工程中普遍采用的拉伸、壓縮、彎曲等，破壞性檢驗都是針對制造用原材料進行的，對于成品和在用品，除非不準備讓其繼續(xù)服役，否則是不能進行破壞性檢測的，而無損檢測因不損壞被檢測對象的使用性能。所以，它不僅可對制造用原材料，各中間工藝環(huán)節(jié)、直至最終產成品進行全程檢測，也可對服役中的設備進行檢測。 它與破壞性檢測相比，無損檢測有以下特點。第主要應用范圍：1、焊縫表面缺陷檢查。檢查焊縫表面

20、裂紋、未焊透及焊漏等焊接質量。2、內腔檢查。檢查表面裂紋、起皮、拉線、劃痕、凹坑、凸起、斑點、腐蝕等缺陷。3、狀態(tài)檢查。當某些產品(如蝸輪泵、發(fā)動機等)工作后，按技術要求規(guī)定的項目進行內窺檢測。4、裝配檢查。當有要求和需要時，使用亞泰光電工業(yè)視頻內窺鏡對裝配質量進行檢查;裝配或某一工序完成后，檢查各零部組件裝配位置是否符合圖樣或技術條件的要求;是否存在裝配缺陷。5、多余物檢查。檢查產品內腔殘余內屑，外來物等多余物。主要應用范圍：5.3.1 結構原理與特性 如下圖，當通過金屬體的磁通變化時，就會在導體中產生感生電流，這種電流在導體中是自行閉合的，這就是所謂電渦流。電渦流的產生必然要消耗一部分能量

21、，從而使產生磁場的線圈阻抗發(fā)生變化，這一物理現象稱為渦流效應。 線圈的阻抗變化與導體的電導率、磁導率、幾何形狀，線圈的幾何參數，激勵電流頻率以及線圈到被測導體間的距離等因素有關。5.3.1 結構原理與特性 如下圖，當MR1R2L2L1U1I1I2 線圈與金屬導體系統(tǒng)的阻抗、電感都是該系統(tǒng)互感平方的函數。而互感是隨線圈與金屬導體間距離的變化而改變的。 其等效電路如上圖所示，R1、L1為傳感器線圈的電阻和電感。短路環(huán)可以認為是一匝短路線圈，其電阻為R2、電感為L2。線圈與導體間存在一個互感M，它隨線圈與導體間距的減小而增大。MR1R2L2L1U1I1I2 線圈與金屬導體系5.3.1.1 高頻反射式

22、電渦流傳傳感器 1、結構：由一個固定在框架上的扁平線圈組成。5.3.1.1 高頻反射式電渦流傳傳感器 1、結構： 為了充分有效地利用電渦流效應，對于平板型的被測體則要求被測體的半徑應大于線圈半徑的1.8倍，否則靈敏度要降低。當被測物體是圓柱體時，被測導體直徑必須為線圈直徑的3.5倍以上，靈敏度才不受影響。2、原理 電渦流傳感器的線圈與被測金屬導體間是磁性耦合，電渦流傳感器是利用這種耦合程度的變化來進行測量的。因此，被測物體的物理性質，以及它的尺寸和開關都與總的測量裝置特性有關。一般來說，被測物的電導率越高，傳感器的靈敏度也越高。 為了充分有效地利用電渦流效應，對于平板型的被測體1. 結構 傳感

23、器包括發(fā)射和接收線圈，并分別位于被測材料上、下方。5.3.1.2 低頻透射式電渦流傳感器 這種傳感器采用低頻激勵，因而有較大的貫穿深度，適合于測量金屬材料的厚度。2. 原理 由振蕩器產生的e1加到發(fā)射線圈L1兩端。1. 結構5.3.1.2 低頻透射式電渦流傳感器 這 若兩線圈間無金屬導體，則L2的磁力能較多穿過L2，在L2上產生的感應電壓e2最大。 如果在兩個線圈之間設置一金屬板，由于在金屬板內產生電渦流，該電渦流消耗了部分能量，使到達線圈L2的磁力線減小，從而引起e2的下降。 線圈L2的感應電壓與被測厚度的增大按負冪指數的規(guī)律減小， 為了較好地進行厚度測量，激勵頻率應選得較低。頻率太高，貫穿

24、深度小于被測厚度，不利進行厚度測量，通常選1kHz左右。 若兩線圈間無金屬導體，則L2的磁力能較多穿過L2， 一般地，測薄金屬板時，頻率應略高些，測厚金屬板時，頻率應低些。如下圖在測量較小的材料時，應選較低的頻率（如500Hz），測量較大的材料，則應選用較高的頻率（如2kHz），從而保證在測量不同材料時能得到較好的線性和靈敏度。 一般地，測薄金屬板時，頻率應略高些，測厚金屬板時，頻5.3.2 測量電路 5.3.2.1 電橋電路 電橋法是將傳感器線圈的阻抗變化轉化為電壓或電流的變化。傳感器線圈的阻抗作為電橋的橋臂，起始狀態(tài)，使電橋平衡。在進行測量時，由于傳感器線圈的阻抗發(fā)生變化，使電橋失去平衡，

25、將電橋不平衡造成的輸出信號進行放大并檢波，就可得到與被測量成正比的輸出。電橋法主要用于兩個電渦流線圈組成的差動式傳感器。5.3.2 測量電路 5.3.2.1 電橋電路5.3.2.2 諧振法。 諧振法是將傳感器線圈的等效電感的變化轉化為電壓或電流的變化，傳感器線圈與電容并聯組成LC并聯諧振回路。 諧振法主要有調幅式電路和調頻式電路兩種基本形式。調幅式由于采用了石英晶體振蕩器，因此穩(wěn)定性較高，而調頻式結構簡單，便于遙測和數字顯示。5.3.2.2 諧振法。傳感器與檢測技術(第2版)-第五章課件傳感器與檢測技術(第2版)-第五章課件傳感器與檢測技術(第2版)-第五章課件傳感器與檢測技術(第2版)-第五

26、章課件5.4 電感式傳感器的典型應用 可用于測量壓力、力、壓差、加速度、振動、應變、流量、厚度、液位等物理量。 5.4.1 位移測量 5.4 電感式傳感器的典型應用 可用于測量壓力傳感器與檢測技術(第2版)-第五章課件案例：連續(xù)油管的橢圓度測量Coiled TubeEddy Sensor Reference Circle案例：連續(xù)油管的橢圓度測量Coiled TubeEddy S案例：無損探傷原理裂紋檢測，缺陷造成渦流變化。案例：無損探傷原理傳感器與檢測技術(第2版)-第五章課件5.4.2 振動檢測 5.4.2.1 RS9300低頻振動速度傳感器 其外形如右圖，它是利用磁電感應原理把振動信號變換成電信號。主要由磁路系統(tǒng)、慣性質量、彈簧阻尼等部分組成。在傳感器殼體中剛性地固定著磁鐵，慣性質量（線圈組件）用彈簧元件懸掛于殼體上。 工作時，將傳感器安裝在機器上，在機器振動時，線圈與磁鐵相對運動、切割磁力線，產生感應電壓，該信號正比于被測物體的振動速度值，對該信號進行積分放大處理即可得到位移信號。 5.4.2 振動檢測 5.4.2.1 RS9300低 1）特點： I.傳感器有很低的使用頻率，可以適用于低轉速的轉動機器。 II.相對于其它類型的振動傳感器而言，RS9300傳感器有較低的輸出阻抗，較好的信噪比。它同一般通用交流電壓表或示波器配合就能工作。對輸出插頭和傳輸電纜也無特殊要求，使