傳感器技術(shù)應(yīng)用-4

2023年2月2日第四章

電感式傳感器

本章的主要內(nèi)容有：1.自感式電感傳感器的結(jié)構(gòu)原理；2.互感式電感傳感器的結(jié)構(gòu)原理；3.電感傳感器的典型測(cè)量電路；4.電感傳感器的主要應(yīng)用；2023年2月2日

電感式傳感器是利用被測(cè)量的變化引起線圈自感或互感系數(shù)的變化，導(dǎo)致線圈電感量改變來實(shí)現(xiàn)測(cè)量的。分類:電感式傳感器自感型互感型變面積型電傳感器螺線管型電傳感器變間隙型電傳感器2023年2月2日4.1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。

4.1.1原理分析

4.1.1.1變間隙型電感傳感器它的結(jié)構(gòu)示意圖如右圖所示。工作時(shí)銜鐵與被測(cè)物體連接，被測(cè)物體的位移將引起空氣隙的變化，導(dǎo)致了線圈電感量的變化。線圈的電感可用下式表示：2023年2月2日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：2023年2月2日鐵心與銜鐵之間相對(duì)覆蓋面積隨被測(cè)量的變化面改變，導(dǎo)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δ是非線性的，但與A成正比，特性曲線參見圖4.1.3?？勺儗?dǎo)磁面積型4.1.1.2變面積型電感傳感器2023年2月2日2023年2月2日下圖為其結(jié)構(gòu)原理圖，銜鐵隨被測(cè)物移動(dòng)，引起磁阻發(fā)生變化，導(dǎo)致電感量改變。線圈電感量與銜鐵進(jìn)入線圈的長(zhǎng)度可表示為

4.1.1.3螺管型電感式傳感器通過以上分析可得結(jié)論:I.

變間隙型靈敏度較高,但非線性誤差較大；II.

變面積型靈敏度較小,但線性較好,量程較大；III.

螺管型靈敏度較低,但量程大且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。2023年2月2日

用兩個(gè)相同的傳感線圈共用一個(gè)銜鐵,構(gòu)成差動(dòng)式電感傳感器,這樣可以提高傳感器的靈敏度,減小測(cè)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(dòng)結(jié)構(gòu)。

4.1.1.4差動(dòng)式電感傳感器2023年2月2日2023年2月2日4.1.2測(cè)量電路

差動(dòng)式結(jié)構(gòu)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。

2023年2月2日當(dāng)ωL＞＞R’時(shí)，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(duì)變化量成正比。電阻平衡臂電橋如上圖a所示，工作時(shí)，Z1=Z+△Z和Z2=Z—△Z，當(dāng)ZL→∞時(shí)，電橋的輸出電壓為

4.1.2.1電阻平衡臂電橋2023年2月2日由于Z1=Z-△Z，Z2=Z+△Z，故：

同理，當(dāng)銜鐵上移時(shí)，則有：變壓器式電橋如前圖b，當(dāng)負(fù)載阻抗無窮大時(shí)輸出電壓為：4.1.2.2變壓器式電橋可見，輸出電壓反映了傳感器線圈阻抗的變化，還需辯向。2023年2月2日

該電橋如前圖c所示。它以差動(dòng)電感傳感器的兩個(gè)線圈作電橋工作臂，而緊耦合的兩個(gè)電感作為固定臂組成電橋電路。采用這種測(cè)量電路可以消除與電感臂并聯(lián)的分布電容對(duì)輸出信號(hào)的影響，使電橋平衡穩(wěn)定，另外簡(jiǎn)化了接地和屏蔽的問題。

4.1.2.3緊耦合電感臂電橋2023年2月2日電感式接近開關(guān)（金屬）2023年2月2日4.2差動(dòng)變壓器

1.工作原理:互感現(xiàn)象EwEoutWW1W2Esx-x2023年2月2日2.差動(dòng)變壓器式傳感器構(gòu)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(dòng)而變化，即繞組間的互感隨被測(cè)位移改變而變化。由于在使用時(shí)采用兩個(gè)二次繞組反向串接，以差動(dòng)方式輸出，所以把這種傳感器稱為差動(dòng)變壓器式電感傳感器，通常簡(jiǎn)稱差動(dòng)變壓器。2023年2月2日3.等效電路

L21．．E2．～～L22E22E21U1．～R22R21R1M1M2等效電路如上圖所示，輸出采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)，隨著被測(cè)物的變化而改變。2023年2月2日

（3）當(dāng)銜鐵向二次繞組L22一邊移動(dòng)時(shí)輸出也不為零，但由于移動(dòng)方向改變，所以輸出電動(dòng)勢(shì)反相。因此通過差動(dòng)變壓器輸出電動(dòng)勢(shì)的大小和相位可以知道銜鐵位移量的大小和方向。

（1）當(dāng)銜鐵處于中間位置時(shí)，兩個(gè)二次繞組互感相同，所以差動(dòng)輸出電動(dòng)勢(shì)為零。（2）當(dāng)銜鐵移向二次繞組一邊時(shí)，輸出不為零，在量程內(nèi)移越大，輸出就越大。2023年2月2日

4.差動(dòng)變壓器的輸出特性曲線如左圖所示，其中E2的實(shí)線表示理想的輸出特性，而虛線部分表示實(shí)際的輸出特性。E0為零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)。零點(diǎn)殘余使得傳感器的輸出特性在零點(diǎn)附近不靈敏，給測(cè)量帶來誤差，它的大小是衡量差動(dòng)變壓器性能好壞的重要指標(biāo)。2023年2月2日減小零點(diǎn)殘余的方法：

I.

盡可能保證傳感器幾何尺寸、線圈電氣參數(shù)玫磁路的對(duì)稱。磁性材料要經(jīng)過處理，消除內(nèi)部的殘余應(yīng)力，使其性能均勻穩(wěn)定。

II.

選用合適的測(cè)量電路，如采用相敏整流電路。既可判別銜鐵移動(dòng)方向雙可改善輸出特性，減小零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)。Ⅲ.采用補(bǔ)償線路減小零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)在差動(dòng)變壓器二次側(cè)串、并聯(lián)適當(dāng)數(shù)值的電阻電容元件，當(dāng)調(diào)整這些元件時(shí)，可使零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)減小。

2023年2月2日4.2.2常用測(cè)量電路

2023年2月2日ABCDEFV1V2V3V4

在輸入信號(hào)的正半周，V1、V3導(dǎo)通，V2、V4截止，F(xiàn)點(diǎn)電位等于A點(diǎn)電位UF=UA。若銜鐵位于中央，則UA=UD=UE=UF，電表指零；若銜鐵上移，則UA>UD，UE<UF，電表正偏；若銜鐵下移，則UA<UD，UE>UF，電表反偏。在輸入信號(hào)的負(fù)半周，V1、V3截止，V2、V4導(dǎo)通，F(xiàn)點(diǎn)電位等于D點(diǎn)電位UF=UD。若銜鐵位于中央，則UA=UD=UE=UF，電表指零；若銜鐵上移，則UA<UD，UE<UF，電表正偏；若銜鐵下移，則UA>UD，UE>UF，電表反偏。2023年2月2日

差動(dòng)整流電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一般不需要調(diào)整相位，不考慮零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)的影響，適于遠(yuǎn)距離傳輸。4.2.2.1差動(dòng)相敏檢波電路

相敏檢波電路要求比較電壓與差動(dòng)變壓器二次側(cè)輸出電壓的頻率相同，相位相同或相反。另外還要求比較電壓的幅值盡可能大，一般情況下，其幅值應(yīng)為信號(hào)電壓的3~5倍。4.2.2.2差動(dòng)整流電路2023年2月2日4.2.3差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用1.測(cè)量位移2023年2月2日例：板厚的測(cè)量

~2023年2月2日2.測(cè)量力或壓力例：張力測(cè)量2023年2月2日4.3電渦流式傳感器

它能實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，如位移、振動(dòng)、厚度、轉(zhuǎn)速、應(yīng)力、硬度等參數(shù)。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(yīng)原理上的傳感器。2023年2月2日4.3.1結(jié)構(gòu)原理與特性

如下圖，當(dāng)通過金屬體的磁通變化時(shí)，就會(huì)在導(dǎo)體中產(chǎn)生感生電流，這種電流在導(dǎo)體中是自行閉合的，這就是所謂電渦流。電渦流的產(chǎn)生必然要消耗一部分能量，從而使產(chǎn)生磁場(chǎng)的線圈阻抗發(fā)生變化，這一物理現(xiàn)象稱為渦流效應(yīng)。線圈的阻抗變化與導(dǎo)體的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、幾何形狀，線圈的幾何參數(shù)，激勵(lì)電流頻率以及線圈到被測(cè)導(dǎo)體間的距離等因素有關(guān)。2023年2月2日·MR1R2L2L1U1I1·I2·線圈與金屬導(dǎo)體系統(tǒng)的阻抗、電感都是該系統(tǒng)互感平方的函數(shù)。而互感是隨線圈與金屬導(dǎo)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(rèn)為是一匝短路線圈，其電阻為R2、電感為L(zhǎng)2。線圈與導(dǎo)體間存在一個(gè)互感M，它隨線圈與導(dǎo)體間距的減小而增大。2023年2月2日4.3.1.1高頻反射式電渦流傳傳感器

1、結(jié)構(gòu)：由一個(gè)固定在框架上的扁平線圈組成。2023年2月2日

為了充分有效地利用電渦流效應(yīng)，對(duì)于平板型的被測(cè)體則要求被測(cè)體的半徑應(yīng)大于線圈半徑的1.8倍，否則靈敏度要降低。當(dāng)被測(cè)物體是圓柱體時(shí)，被測(cè)導(dǎo)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(cè)金屬導(dǎo)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(jìn)行測(cè)量的。因此，被測(cè)物體的物理性質(zhì)，以及它的尺寸和開關(guān)都與總的測(cè)量裝置特性有關(guān)。一般來說，被測(cè)物的電導(dǎo)率越高，傳感器的靈敏度也越高。2023年2月2日1.結(jié)構(gòu)

傳感器包括發(fā)射和接收線圈，并分別位于被測(cè)材料上、下方。4.3.1.2低頻透射式電渦流傳感器這種傳感器采用低頻激勵(lì)，因而有較大的貫穿深度，適合于測(cè)量金屬材料的厚度。2.原理由振蕩器產(chǎn)生的e1加到發(fā)射線圈L1兩端。2023年2月2日

若兩線圈間無金屬導(dǎo)體，則L2的磁力能較多穿過L2，在L2上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓e2最大。

如果在兩個(gè)線圈之間設(shè)置一金屬板，由于在金屬板內(nèi)產(chǎn)生電渦流，該電渦流消耗了部分能量，使到達(dá)線圈L2的磁力線減小，從而引起e2的下降。

線圈L2的感應(yīng)電壓與被測(cè)厚度的增大按負(fù)冪指數(shù)的規(guī)律減小，為了較好地進(jìn)行厚度測(cè)量，激勵(lì)頻率應(yīng)選得較低。頻率太高，貫穿深度小于被測(cè)厚度，不利進(jìn)行厚度測(cè)量，通常選1kHz左右。2023年2月2日

一般地，測(cè)薄金屬板時(shí)，頻率應(yīng)略高些，測(cè)厚金屬板時(shí)，頻率應(yīng)低些。如下圖在測(cè)量ρ較小的材料時(shí)，應(yīng)選較低的頻率（如500Hz），測(cè)量ρ較大的材料，則應(yīng)選用較高的頻率（如2kHz），從而保證在測(cè)量不同材料時(shí)能得到較好的線性和靈敏度。2023年2月2日4.3.2測(cè)量電路

4.3.2.1電橋電路在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由于傳感器線圈的阻抗發(fā)生變化，使電橋失去平衡，將電橋不平衡造成的輸出信號(hào)進(jìn)行放大并檢波，就可得到與被測(cè)量成正比的輸出。4.3.2.2諧振法。諧振法主要有調(diào)幅式電路和調(diào)頻式電路兩種基本形式。調(diào)幅式由于采用了石英晶體振蕩器，因此穩(wěn)定性較高，而調(diào)頻式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于遙測(cè)和數(shù)字顯示。2023年2月2日4.4電感式傳感器的典型應(yīng)用

可用于測(cè)量壓力、力、壓差、加速度、振動(dòng)、應(yīng)變、流量、厚度、液位等物理量。

4.4.1位移測(cè)量

2023年2月2日2023年2月2日案例：連續(xù)油管的橢圓度測(cè)量CoiledTubeEddySensor

ReferenceCircle2023年2月2日案例：無損探傷原理裂紋檢測(cè)，缺陷造成渦流變化。2023年2月2日4.4.2振動(dòng)檢測(cè)

4.4.2.1RS9300低頻振動(dòng)速度傳感器其外形如右圖，它是利用磁電感應(yīng)原理把振動(dòng)信號(hào)變換成電信號(hào)。主要由磁路系統(tǒng)、慣性質(zhì)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(zhì)量（線圈組件）用彈簧元件懸掛于殼體上。工作時(shí)，將傳感器安裝在機(jī)器上，在機(jī)器振動(dòng)時(shí)，線圈與磁鐵相對(duì)運(yùn)動(dòng)、切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電壓，該信號(hào)正比于被測(cè)物體的振動(dòng)速度值，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行積分放大處理即可得到位移信號(hào)。

2023年2月2日

1）特點(diǎn)：I.

傳感器有很低的使用頻率，可以適用于低轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)器。II.

相對(duì)于其它類型的振動(dòng)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(duì)輸出插頭和傳輸電纜也無特殊要求，使用方便。III.

傳感器設(shè)計(jì)中取消了有摩擦的活動(dòng)元件，因此使用壽命相對(duì)很長(zhǎng)。傳感器有一定抗橫向振動(dòng)能力（不大于10g）。

2023年2月2日2）技術(shù)指標(biāo)I.

頻響范圍：0.5Hz～200Hz(-3dB)II.

靈敏度：8mV/μm±5%、5mV/μm±5%、4mV/μm±5%(或根據(jù)用戶要求調(diào)整)III.

量程：±1mm（±2mm、±3mm等）IV.

線性度：<2%V.

最大輸出電壓：8V（單峰）VI.

使用溫度范圍，-30℃~-80℃VII.

工作方向：H

水平型

V

垂直型VIII.

工作電源：±12VDCⅨ.安裝方式：

在Φ56的圓周角上用2個(gè)M5螺釘固定。

2023年2月2日3）型號(hào)說明A

B

C

D

ERS—93□□□□-□