傳感器與檢測技術(shù)第二章

傳感器與檢測技術(shù)課件第二章第一頁，共五十八頁，2022年，8月28日四、電感式位移傳感器示例第二頁，共五十八頁，2022年，8月28日四、電感式位移傳感器電感式位移傳感器是將被測物理量的位移轉(zhuǎn)化為自感L，互感M的變化，并通過測量電感量的變化確定位移量。電感式位移傳感器的主要類型有：自感式、互感式、渦流式和壓磁式等第三頁，共五十八頁，2022年，8月28日存在交流零位信號，頻率響應(yīng)低，不宜于高頻動態(tài)測量。①結(jié)構(gòu)簡單、可靠，輸出功率大、輸出阻抗小、抗干擾能力強、對工作環(huán)境要求不高、分辨力較高（如在測量長度時一般可達(dá)0.1μm）、示值誤差一般為示值范圍的0.1%~0.5%、穩(wěn)定性好。

四、電感式位移傳感器特點：缺點第四頁，共五十八頁，2022年，8月28日（一）自感式電感位移傳感器1.工作原理與結(jié)構(gòu)自感式位移傳感器由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料制成。自感式傳感器是把被測量變化轉(zhuǎn)換成自感L的變化，通過一定的轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓或電流輸出。在纏繞在鐵心上的線圈中通以交變電流i，產(chǎn)生磁通Φm,形成磁通回路。第五頁，共五十八頁，2022年，8月28日（一）自感式電感位移傳感器1.工作原理與結(jié)構(gòu)磁通與電流之間的關(guān)系第六頁，共五十八頁，2022年，8月28日（一）自感式電感位移傳感器1.工作原理與結(jié)構(gòu)磁阻Rm在本例中包括三部分，鐵芯、銜鐵和氣隙中的磁阻。式（2-21）式（2-22）第七頁，共五十八頁，2022年，8月28日（一）自感式電感位移傳感器1.工作原理與結(jié)構(gòu)式（2-21）式（2-22）代入第八頁，共五十八頁，2022年，8月28日（一）自感式電感位移傳感器1.工作原理與結(jié)構(gòu)考慮到鐵心與銜鐵磁路由若干部分組成：當(dāng)鐵芯的結(jié)構(gòu)和材料確定后，式中分母第一項為常數(shù)，此時自感L是氣隙厚度δ和氣隙磁通截面積S0的函數(shù)。自感式位移傳感器可分為變氣隙型、變面積型和螺管型。第九頁，共五十八頁，2022年，8月28日變氣隙型自感傳感器——如果S0保持不變，則L為δ的單值函數(shù)，可構(gòu)成變氣隙型自感傳感器（一）自感式電感位移傳感器1.工作原理與結(jié)構(gòu)第十頁，共五十八頁，2022年，8月28日變面積型自感傳感器——如果保持δ不變，使S0隨位移而變，則可構(gòu)成變面積型自感傳感器；（一）自感式電感位移傳感器1.工作原理與結(jié)構(gòu)第十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日螺線管型自感傳感器——如果在線圈中放入圓柱形銜鐵，當(dāng)銜鐵上下移動時，自感量將相應(yīng)變化，就構(gòu)成了螺線管型自感傳感器。（一）自感式電感位移傳感器1.工作原理與結(jié)構(gòu)第十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日輸出特性：L與δ之間是非線性關(guān)系，特性曲線如下圖變氣隙式電壓傳感器的L-δ特性變氣隙型自感傳感器第十三頁，共五十八頁，2022年，8月28日分析：當(dāng)銜鐵處于初始位置時，初始電感量為當(dāng)銜鐵上移Δδ時，傳感器氣隙減小Δδ，即δ=δ0－Δδ，則此時輸出電感為變氣隙型自感傳感器第十四頁，共五十八頁，2022年，8月28日當(dāng)Δδ/δ0<<1時：可求得電感增量ΔL和相對增量ΔL/L0的表達(dá)式，即變氣隙型自感傳感器第十五頁，共五十八頁，2022年，8月28日對上式作線性處理，即忽略高次項后，可得靈敏度為可見：變間隙式電感傳感器的線性度差，示值范圍窄（測量范圍），自由行程小，但在小位移下靈敏度高，因此變隙式電感式傳感器適用于測量微小位移的場合。為了減小非線形誤差，實際中廣泛采用差動變隙式電感傳感器第十六頁，共五十八頁，2022年，8月28日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，兩個線圈的電感變化量ΔL1、ΔL2

差動式電感傳感器的結(jié)構(gòu)要求是：兩個導(dǎo)磁體的幾何尺寸完全相同，材料性能完全相同；兩個線圈的電氣參數(shù)（如電感、匝數(shù)、直流電阻、分布電容等）和幾何尺寸也完全相同。第十七頁，共五十八頁，2022年，8月28日差動變隙式電感傳感器

當(dāng)銜鐵隨被測量移動而偏離中間位置時，兩個線圈的電感量一個增加，一個減小，形成差動形式。假設(shè)銜鐵上移，則總的電感變化量為：第十八頁，共五十八頁，2022年，8月28日差動變隙式電感傳感器

為非差動式電感傳感器的兩倍第十九頁，共五十八頁，2022年，8月28日圖3-4差動自感傳感器的輸出特性示意圖差動自感傳感器的輸出特性示意圖如圖所示。第二十頁，共五十八頁，2022年，8月28日差動式與單線圈相比優(yōu)點：①線性度好；②靈敏度提高一倍，即銜鐵位移相同時，輸出信號大一倍；③溫度變化、電源波動、外界干擾等對傳感器精度的影響，由于能互相抵消而減??；④電磁吸力對測力變化的影響也由于能相互抵消而減小。第二十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日氣隙長度不變，鐵心與銜鐵之間相對覆蓋面積隨被測量的變化面而改變，從而導(dǎo)致線圈的電感量發(fā)生變化。靈敏度低，線性較好，量程較大，使用比較廣泛。變面積型電感傳感器第二十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日螺管型電感傳感器銜鐵隨被測對象移動，線圈磁力線路徑上的磁阻發(fā)生變化，線圈電感量也因此而變化。線圈電感量的大小與銜鐵插入線圈的深度有關(guān)。靈敏度較低，量程大，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電感式傳感器。第二十三頁，共五十八頁，2022年，8月28日（1）損耗問題2.在改善電感位移傳感器性能要考慮的因素電感線圈、銜鐵系統(tǒng)在高頻電流激勵下工作必然存在功率損耗。主要損耗有：一是線圈，除具有電感L外，還存在著電阻Rc和分布電容C，會引起銅損和無功功率；二是鐵心，由于交變磁場，使鐵心中產(chǎn)生渦流，可等效為一個電阻Re的損耗。另外鐵心中還存在磁滯現(xiàn)象，也可等效為一個電阻Rh造成的損耗，它是頻率f的函數(shù)。第二十四頁，共五十八頁，2022年，8月28日（2）氣隙邊緣效應(yīng)的影響2.在改善電感位移傳感器性能要考慮的因素由于一些自感位移傳感器中有工作氣隙，而使磁路磁通在此處周圍有散失和彎曲，使導(dǎo)磁有效面積下降，輸出特性有所變化，需要加以修正。（3）溫度誤差工作溫度的變化同樣會引起傳感器的機械參數(shù)和電參數(shù)的變化，從而形成溫度誤差，也需加以補償。第二十五頁，共五十八頁，2022年，8月28日（4）差動式電感位移傳感器的零點剩余電壓問題2.在改善電感位移傳感器性能要考慮的因素由于制造中的各種因素，如繞組尺寸、所選材料和安裝等，使銜鐵處于中央初始位置時，兩路感生電壓的幅值或相位不等，輸出電壓不為零；或是在調(diào)整時，對工作電流的基頻可調(diào)到平衡，但對高次諧波難以調(diào)到平衡，這些都會造成零位輸出誤差。所以對于差動電感位移傳感器，要求在制造中無論實在機械上，還是電氣上，都應(yīng)兩路對稱，在使用時后續(xù)電路上需采取補償措施。第二十六頁，共五十八頁，2022年，8月28日課堂練習(xí)第二十七頁，共五十八頁，2022年，8月28日1、自感式位移傳感器可分為變氣隙型、變面積型和（）。螺線管型2、改善電感式位移傳感器的性能時需要考慮哪些因素？（1）損耗問題電感線圈、銜鐵系統(tǒng)在高頻電流激勵下工作必然存在功率損耗。主要損耗有線圈和鐵心。（2）氣隙邊緣效應(yīng)的影響（3）溫度誤差（4）差動式電感位移傳感器的零點剩余電壓問題第二十八頁，共五十八頁，2022年，8月28日

互感式位移傳感器是利用電磁原理，將被測位移量的變化轉(zhuǎn)換為線圈互感系數(shù)的變化，這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，故又稱變壓器式位移傳感器。（二）互感式位移傳感器——差動變壓器第二十九頁，共五十八頁，2022年，8月28日感應(yīng)電動勢：

式中M——互感系數(shù)（H)——M的大小與兩線圈之間相對位置以及周圍介質(zhì)的導(dǎo)磁能力等因素有關(guān)。

表明：兩線圈之間的耦合程度；工作原理線圈1為一次側(cè)線圈，線圈2為二次側(cè)線圈，當(dāng)一次側(cè)通過交流電流時，在二次側(cè)上將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。當(dāng)兩者間的互感量變化時，感應(yīng)電動勢也相應(yīng)變化。（二）互感式位移傳感器——差動變壓器第三十頁，共五十八頁，2022年，8月28日互感位移傳感器常采用差動形式，即兩個二次線圈采用差動接法，故又稱為差動變壓器式位移傳感器。差動變壓器式位移傳感器差動變壓器式位移傳感器有變隙式、變面積式和螺管式等。非電量測量中，應(yīng)用最多的是螺管式差動變壓器，它可以測量范圍內(nèi)的機械位移，并具有測量精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠等優(yōu)點（二）互感式位移傳感器——差動變壓器第三十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日(e)、(f)變截面式差動變壓器(a)、(b)變間隙式差動變壓器(c)、(d)螺線管式差動變壓器第三十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日螺管式差動變壓器位移傳感器E1E2E0（二）互感式位移傳感器——差動變壓器第三十三頁，共五十八頁，2022年，8月28日——傳感器主要由線圈、鐵芯和活動銜鐵三部分組成?！€圈包括一個初級線圈1和2個次級線圈2,3組成，兩個次級線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)完全相同，兩個次級線圈2,3反極性串接?！€圈中心插入導(dǎo)磁性極好的圓形鐵心4.1.結(jié)構(gòu)（二）互感式位移傳感器——差動變壓器螺管式差動變壓器位移傳感器第三十四頁，共五十八頁，2022年，8月28日當(dāng)初級線圈輸入交流激勵電壓時，兩個二次側(cè)線圈將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢E1和E2由于兩個次級線圈反接，因此傳感器的輸出電壓為兩者之差。2.工作原理螺管式差動變壓器位移傳感器第三十五頁，共五十八頁，2022年，8月28日當(dāng)鐵心處于零位時，即中間對稱位置時（鐵心的原始平衡位置）當(dāng)鐵心偏離零位向上移動時由于磁阻的影響，上面線圈中的磁通將大于下面線圈中的磁通，所以2.工作原理螺管式差動變壓器位移傳感器第三十六頁，共五十八頁，2022年，8月28日

當(dāng)鐵心偏離零位向下移動時2.工作原理螺管式差動變壓器位移傳感器第三十七頁，共五十八頁，2022年，8月28日

差動變壓器式傳感器輸出需要接相敏檢波電路——當(dāng)鐵心偏離零位上下移動時，移動的距離和方向的信息，可以反映在二次側(cè)線圈輸出電動勢E0的幅值和相位中。——差動變壓器式傳感器輸出的電壓是交流電壓量，如用交流電壓表測量，則輸出值只能反映鐵心位移的大小，而不能反映移動的方向，因此需要將E0進(jìn)行放大和相敏檢波才能得到被測位移x的大小和方向。2.工作原理螺管式差動變壓器位移傳感器第三十八頁，共五十八頁，2022年，8月28日

——交流電壓輸出存在一定的零點殘余電壓。——交流電壓輸出存在一定的零點殘余電壓。鐵心處于零位時，很難做到E1與E2在幅值、相位、諧波成分上完全相等，實際上E0≠0，此時輸出電壓E’0稱為零點殘余電壓。零點殘余電壓可能造成誤差，使后級放大電路飽和。因此應(yīng)設(shè)法消除和減小零點殘余電壓E’0——產(chǎn)生零點殘余電壓的原因是由于兩個次級線圈的結(jié)構(gòu)不對稱，以及初級線圈銅損電阻的存在、鐵磁材質(zhì)不均勻、線圈間分布電容等因素形成的，因此后接電路采用相敏檢波電路。這樣既能反應(yīng)鐵心位移極性，又能補償零點殘余電壓的差動直流輸出電路螺管式差動變壓器位移傳感器第三十九頁，共五十八頁，2022年，8月28日差動變壓器相敏檢波電路（見P22，圖2-18）～移相器RP當(dāng)鐵心處于中間位置時，調(diào)節(jié)電阻Rp可以使零點殘余電壓減小。第四十頁，共五十八頁，2022年，8月28日差動變壓器式電感位移傳感器的優(yōu)點：差動變壓器式電感位移傳感器測量精度高，分辨力可達(dá)0.1μm,線性范圍大，有的能達(dá)到250mm,穩(wěn)定性好，使用方便。這種傳感器廣泛用于直線位移、角位移以及可轉(zhuǎn)換成位移的其他機械量，如壓力、重量、膨脹等。第四十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日總結(jié)傳感元件或傳感器原始輸入量變換原理物理現(xiàn)象能量關(guān)系輸出量差動變壓器式位移電磁感應(yīng)結(jié)構(gòu)型控制型互感系數(shù)第四十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日課堂練習(xí)第四十三頁，共五十八頁，2022年，8月28日1、利用差動變壓器式位移傳感器進(jìn)行位移測量時，為辨別物體的移動方向，處理電路中必須有的環(huán)節(jié)是（測一）A.濾波B.放大C.整流D.相敏檢波2、簡述互感式位移傳感器的優(yōu)點。（模擬一）第四十四頁，共五十八頁，2022年，8月28日電渦流式傳感器的工作原理塊狀金屬置于變化的磁場中或在磁場中運動時，金屬體內(nèi)都要產(chǎn)生感應(yīng)電流，在金屬體內(nèi)自己閉合，所以稱之為電渦流或渦流，這種現(xiàn)象稱為渦流效應(yīng)。渦流式位移傳感器是利用電渦流效應(yīng)，將被測量的變化轉(zhuǎn)換為傳感器線圈阻抗Z的變化的一種裝置。（三）渦流式位移傳感器第四十五頁，共五十八頁，2022年，8月28日渦流成塊的金屬物體置于變化著的磁場中，或者在磁場中運動時，在金屬導(dǎo)體中會感應(yīng)出一圈圈自相閉合的電流，這就是渦流。

高頻反射式渦流傳感器—自感型低頻透射式渦流傳感器—互感型根據(jù)激勵頻率不同分為第四十六頁，共五十八頁，2022年，8月28日渦流的大小與金屬體的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ、厚度t以及線圈與金屬體的距離x、線圈的激勵電流強度i,角頻率ω等有關(guān)。如果固定其中某些參數(shù)，就能由電渦流的大小測量出另外一些參數(shù)。渦流位移傳感器在金屬體上產(chǎn)生的渦流，其滲透深度與傳感器線圈的激勵電流的頻率有關(guān)，所以渦流位移傳感器主要分為高頻反射和低頻透射兩類，前者應(yīng)用較廣泛。（三）渦流式位移傳感器通常把渦流密度減少到離開表面1/e處（e=2.172）的深度叫做標(biāo)準(zhǔn)滲透深度。它大約是電渦流密度減少到36.8%處的深度，用δ來表示。第四十七頁，共五十八頁，2022年，8月28日Z=F(x)

渦流式位移傳感器就是根據(jù)上述原理制成的當(dāng)電源頻率f、線圈激勵電流強度I、線圈尺寸參數(shù)、金屬導(dǎo)體的電阻率ρ等參數(shù)一定時，Z是位移x的單值函數(shù)。（三）渦流式位移傳感器第四十八頁，共五十八頁，2022年，8月28日一、高頻反射式渦流傳感器線圈上通交變高頻電流線圈產(chǎn)生高頻交變磁場產(chǎn)生高頻交變渦流渦流產(chǎn)生反磁場阻礙線圈電流交換作用L的等效阻抗的改變第四十九頁，共五十八頁，2022年，8月28日一、高頻反射式渦流傳感器線圈上通交變高頻電流線圈產(chǎn)生高頻交變磁場產(chǎn)生高頻交變渦流渦流產(chǎn)生反磁場阻礙線圈電流交換作用L的等效阻抗的改變第五十頁，共五十八頁，2022年，8月28日——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?！獋鞲衅靼òl(fā)射線圈和接收線圈，并分別位于被測材料上、下方。由振蕩器產(chǎn)生的低頻電壓u1加到發(fā)射線圈L1兩端，于是在接收線圈L2兩端將產(chǎn)生感應(yīng)電壓