第5章 電感式傳感器 -

第5章電感式傳感器Δ非電量Δ電感量電磁感應(yīng)原理電感自感L互感M分類自感式互感式電渦流式第一節(jié)自感式傳感器氣隙型螺線管型一、氣隙型電感傳感器l2S線圈鐵芯銜鐵δUsrδ

------空氣隙長度；S-----空氣隙有效截面積。

L----線圈的自感量（H）；N----線圈的匝數(shù)；Φ----通過每匝線圈的磁通量（Wb）；I-----線圈中的電流（A）。

磁路的歐姆定律——磁動(dòng)勢，即由此而產(chǎn)生磁通；——磁阻，磁路對磁通具有阻礙作用。Rg-----空氣隙磁阻（H－1

）；RF-----鐵芯及銜鐵磁阻（H－1

）（Rg〉〉RF）磁阻的計(jì)算公式：l-----磁路的平均長度（m）；S-----磁路的截面積（m2）；----磁性物質(zhì)的磁導(dǎo)率?？諝庀洞抛瑁?----空氣隙的長度（m）；S-----空氣隙的截面積（m2）；0----空氣的磁導(dǎo)率，0=4107（H/m）

L=f(,S)變氣隙長度δ變氣隙面積S特性曲線圖1、變氣隙長度δ的電感傳感器：

初始?xì)庀鼎?，初始自感量L0。銜鐵上移Δδ

，則δ=δ0－Δδ（當(dāng)時(shí)）忽略高次項(xiàng)靈敏度——適用：測量微小位移。差動(dòng)式初始?xì)庀稙棣?

，L1：δ0－ｘ，L２：δ0＋ｘ當(dāng)銜鐵向上移動(dòng)x，則當(dāng)時(shí)忽略高次項(xiàng)靈敏度為差動(dòng)式與單線圈相比：靈敏度提高一倍線性失真小

二、螺線管電感傳感器空心螺線管圓柱形鐵芯

螺線管的自感量L=L1+L2L1-----螺線管空心部分的自感量；

L2----螺線管含鐵芯部分的自感量。組成N、I空心部分的自感量

N1------螺線管空心部分的線圈匝數(shù)；Φ1-----螺線管空心部分的磁通（Wb）。ra----螺線管線圈的平均半徑（m）。計(jì)算磁路的基本公式：H-----螺線管內(nèi)的磁場強(qiáng)度（mA/）；N-----螺線管線圈的總匝數(shù)；I------螺線管的電流；l----螺線管的長度（m）。同理——通過鐵芯與線圈間的空氣隙的磁通。

——通過鐵芯的磁通；——螺線管含有鐵芯部分的匝數(shù)：——含鐵芯部分螺線管的磁通。μr------鐵芯的相對磁導(dǎo)率（H/m）；------鐵芯的截面積（m2），------鐵芯與線圈間空氣隙的截面積（m2

）；

當(dāng)x增加x

時(shí)，提高靈敏度：①增加線圈的匝數(shù)；②增大鐵芯的直徑

差動(dòng)螺線管電感傳感器——自感傳感器——

變氣隙長度型靈敏度較高,但非線性誤差較大,且制作裝配比較困難。變氣隙面積型靈敏度較前者小,但線性較好,量程較大,使用比較廣泛。

螺線管型靈敏度較低,但量程大且結(jié)構(gòu)簡單易于制作和批量生產(chǎn),是使用最廣泛的一種自感式傳感器。應(yīng)用：1、自感式傳感器測液位2、軸承滾柱直徑分選裝置電感式滾柱直徑分選裝置測微儀圓柱滾子電感式滾柱直徑分選裝置（外形）

滑道分選倉位軸承滾子外形電感式滾柱直徑分選裝置外形落料振動(dòng)臺(tái)滑道11個(gè)分選倉位廢料倉3、手持式表面粗糙度儀金剛石測頭粗糙度測量結(jié)果打印第二節(jié)互感式傳感器螺線管式差動(dòng)變壓器LP、RP-----初級線圈的電感與有效電阻；M1、M2-----初級線圈與兩個(gè)次級線圈間互感；LS1、LS2

、RS1、RS2-----2個(gè)次級線圈的電感與有效電阻；EP、IP------初級線圈激勵(lì)電壓與電流；ES1、ES2-----兩個(gè)次級線圈感應(yīng)電壓。一、差動(dòng)變壓器的等效電路.........輸出電壓：輸出電壓的有效值：輸出電壓：輸出電壓：輸出電壓：輸出電壓：輸出電壓的有效值：輸出電壓：輸出電壓的有效值：輸出電壓：(1)鐵芯處于中心平衡位置時(shí)，互感M1＝M2＝M，則ES＝0；分三種情況進(jìn)行討論：(2)鐵芯上升時(shí)，M1＝M＋M，M2＝M－M，則與同相；(3)鐵芯下降時(shí)，M1＝M－M，M2＝M＋M，則與同相。差動(dòng)變壓器的輸出特性曲線——E0——零點(diǎn)殘余電壓

1——基波正交電壓2——基波同相電壓3——二次諧波電壓4——三次諧波電壓差動(dòng)變壓器本身制作工藝上的問題(材料、工藝差異)；導(dǎo)磁體安裝；鐵芯長度；激磁頻率的高低等。E0產(chǎn)生的原因：減小零點(diǎn)殘余電壓方法：

(1)從設(shè)計(jì)和工藝上盡量保證結(jié)構(gòu)對稱性；

(2)選用合適的測量線路；

(3)采用補(bǔ)償電路。差動(dòng)變壓器零點(diǎn)殘余電壓補(bǔ)償電路——

1、加串聯(lián)電阻(0.5~5)消除基波同相成分；2、并聯(lián)電容C(100~500pF)，改變某一次級繞組相位，消除高次諧波分量；3、加反饋繞組和反饋電容補(bǔ)償基波及高次諧波分量；4、加并聯(lián)電阻(0.1~1)×102k消除基波中正交成分。二、差動(dòng)變壓器的靈敏度

——差動(dòng)變壓器在單位電壓激磁下、鐵芯移動(dòng)單位距離時(shí)所產(chǎn)生的輸出電壓的變化，其單位為ｍV/(mmV)

。提高差動(dòng)變壓器的靈敏度的方法：(1)增大差動(dòng)變壓器尺寸(2)選擇適當(dāng)?shù)脑褦?shù)(3)選擇較高的激勵(lì)電壓頻率(4)增大鐵芯直徑(5)適當(dāng)提高電源電壓三、差動(dòng)變壓器的應(yīng)用

測量液位第三節(jié)電渦流式傳感器

成塊的金屬導(dǎo)體置于變化著的磁場中時(shí)，金屬導(dǎo)體內(nèi)就要產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流的流線在金屬導(dǎo)體內(nèi)自動(dòng)閉合。電渦流——當(dāng)有一導(dǎo)磁性金屬面放置于回路線圈上方時(shí)，此時(shí)金屬面就會(huì)感應(yīng)電流（即渦流），渦流使鍋具鐵原子高速無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，原子互相碰撞、摩擦而產(chǎn)生熱能。電磁爐

線圈通入交變電流I，在線圈的周圍產(chǎn)生交變的磁場H1位于該磁場中的金屬導(dǎo)體上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢并形成渦流渦流也產(chǎn)生相應(yīng)的磁場H2，H2與H1方向相反H2的作用引起線圈等效阻抗（等效電感）等發(fā)生相應(yīng)的變化ρ——金屬導(dǎo)體的電阻率μ——金屬導(dǎo)體的導(dǎo)磁率r——線圈半徑等幾何尺寸I——線圈電流f——線圈電流的頻率x——金屬導(dǎo)體到線圈的距離1、電渦流的形成2、電渦流式傳感器的應(yīng)用距離和輸出電壓的關(guān)系曲線經(jīng)驗(yàn)表明，這種傳感器在線圈外徑時(shí)可以獲得較好的線性度。（1）測量運(yùn)動(dòng)器官的位移量，如測定心臟搏動(dòng)時(shí)心壁位移量，也可以記錄呼吸時(shí)胸廓的位移量。（2）體內(nèi)金屬異物探測（3）金屬探測儀電渦流式通道安全檢查門（2）計(jì)數(shù)（1）轉(zhuǎn)速測量（3）測厚度（4）探傷[例]電渦流傳感器測量轉(zhuǎn)速。如下圖所示，在一個(gè)旋轉(zhuǎn)金屬體上加一個(gè)有N個(gè)齒的齒輪。旁邊安裝電渦流傳感器。3、電渦流的特性（1）電渦流的形成范圍直流的情況：電流在導(dǎo)線截面上均勻分布流動(dòng)。交流的情況：電流有集中在外部周圍流動(dòng)、而在中心部位不怎么流動(dòng)的傾向，這種現(xiàn)象叫趨膚效應(yīng)。趨膚效應(yīng)——

由于趨膚效應(yīng)，電渦流只能在金屬導(dǎo)體的表面薄層內(nèi)形成，同時(shí)在半徑方向上也只能在有限的范圍內(nèi)形成電渦流。

電渦流密度的徑向分布曲線

ros------線圈外半徑

r-------電渦流環(huán)半徑j(luò)r------電渦流密度在r=0處，jr=0；在r<0.4ros處，基本上沒有電渦流；在r=ros處，jr最大(即jo)；

在r=1.8ros處，jr將衰減到j(luò)o的5％。即電渦流的形成范圍大約在r=0.4~1.8ros倍范圍內(nèi)。

（2）電渦流的趨膚深度（即軸向貫穿深度）由于趨膚效應(yīng)，電渦流密度在金屬導(dǎo)體中軸向分布是按指數(shù)規(guī)律衰減的：jx-----金屬導(dǎo)體內(nèi)離表面距離為x處的電渦流密度；

jo-----最大電渦流密度；x------金屬導(dǎo)體內(nèi)某點(diǎn)離表面的距離；------趨膚深度（即軸向貫穿深度）。r-----導(dǎo)體的相對磁導(dǎo)率；

0-----真空的磁導(dǎo)率，0=410-7H/m

；

------電導(dǎo)率；f-----激勵(lì)電源頻率；ρ-----電阻率；μ-----導(dǎo)體的磁導(dǎo)率。xx趨膚深度與激勵(lì)電源頻率關(guān)系曲線：高頻反射式分類低頻透射式電渦流傳感器：發(fā)射線圈ω1和接收線圈ω2分別放在被測材料G的上下低頻(音頻范圍)電壓e1加到線圈ω1的兩端后,在周圍空間產(chǎn)生一交變磁場,并在被測材料G中產(chǎn)生渦流,此渦流損耗了部分能量,使貫穿ω2的磁力線減少,從而使ω2產(chǎn)生的感應(yīng)電勢e2減小。e2的大小與G的厚度及材料性質(zhì)有關(guān),實(shí)驗(yàn)與理論證明,e2隨材料厚度h增加按指數(shù)規(guī)律減小。4、電渦流式傳感器的基本結(jié)構(gòu)第四節(jié)測量電路一、自感式傳感器的測量電路（1）單氣隙型電感傳感器的測量電路通常：則δ≈0時(shí)，RF不能忽略，所以有一定的起始電流。δ↑↑，r不能忽略，存在Im不適于精密測量系統(tǒng)，可用于繼電裝置IδImInI0δ0（2）氣隙型差動(dòng)電感傳感器的測量線路等效電路差動(dòng)電感傳感器電感圖像若忽略高次項(xiàng)后，可得

令則若Q很大品質(zhì)因數(shù)二、差動(dòng)變壓器的測量電路1、變壓器式交流電橋鐵芯上下移動(dòng)相同距離時(shí)，輸出電壓相位相反，大小隨銜鐵的位移而變化。由于是交流電壓，輸出指示無法判斷位移方向，必須配合相敏檢波電路來解決。

當(dāng)傳感器鐵芯下移時(shí)，Z1=Z-ΔZ，Z2=Z+ΔZ時(shí)，當(dāng)傳感器鐵芯上移時(shí)，Z1=Z+ΔZ，Z2=Z-ΔZ時(shí)，當(dāng)傳感器的鐵芯處于中間位置，即Z1=Z2=Z，此時(shí)電橋平衡。2、差動(dòng)相敏檢波電路當(dāng)沒有信號輸入時(shí)，鐵芯處于中間位置，調(diào)節(jié)電阻R，使零點(diǎn)殘余電壓減小；當(dāng)有信號輸入時(shí)，鐵芯移上或移下，其輸出電壓經(jīng)交流放大、相敏檢波、濾波后得到直流輸出。由表頭指示輸入位移量的大小和方向。(a)半波電壓輸出；(b)半波電流輸出；(c)全波電壓輸出；(d)全波電流輸出3、差動(dòng)整流電路把差動(dòng)變壓器兩個(gè)次級電壓分別整流后，以它們的差作為輸出。振蕩器f0放大檢波濾波LRCUSC三、電渦流式傳感器的測量電路1、調(diào)幅式測量電路

在一定范圍內(nèi)，輸出電壓幅值與導(dǎo)體、線圈間隙