電感式傳感器

關(guān)于電感式傳感器18.05.20231第1頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月18.05.20232電感式傳感器概念和類型

電感式傳感器是以電和磁為媒介，利用磁場的變化引起線圈的電感量或互感量的變化，把非電量轉(zhuǎn)化為電量的裝置（基于電磁感應(yīng)原理）。按照轉(zhuǎn)換方式的不同可分為自感式（包括可變磁阻式與渦流式）和互感式（差動變壓器式）兩種。第2頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月18.05.20233§5-1自感式傳感器

自感式傳感器是利用線圈自身電感的改變來實現(xiàn)非電量與電量的轉(zhuǎn)換。主要有變氣隙型、變面積型、螺管插鐵型。一、變磁路氣隙式電感傳感器組成：線圈、鐵芯和銜鐵組成。在鐵芯與銜鐵之間存在氣隙δ。第3頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月18.05.20234根據(jù)磁路理論，磁通為：原理分析：根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當線圈中通以電流I時，產(chǎn)生磁通，其大小與電流成正比，線圈的自感量L為第4頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月18.05.20235線圈自感可用下式計算：磁路的磁阻主要是氣隙δ產(chǎn)生的氣隙磁阻，聯(lián)立式（5－1）、（5－2）、（5－4），線圈的電感量為第5頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月18.05.20236線圈電感變化量（氣隙減?。?/p>

非線性誤差靈敏度和線性度之間存在矛盾；一般變氣隙式電感傳感器只能在較小的氣隙范圍內(nèi)變化微小的位移。因此只適用于微小位移量的檢測，一般約為0.001～1mm。上式說明：當活動銜鐵的位移很小時，線圈的電感變化量與位移量成線性關(guān)系。

其靈敏度為第6頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月18.05.20237

原理1.靈敏度是一常數(shù)；2.在一定范圍內(nèi)不存在非線性；3.當正反方向變化相同的x時，其電感變化量具有對稱性。但當x>a時就不再存在直線關(guān)系，其線性范圍是有限的。結(jié)論二、變磁路截面積式自感傳感器傳感器的靈敏度第7頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月18.05.20238三、螺管插鐵型電感傳感器式中：L—單個線圈的電感量；

L0—空心螺管線圈的電感量，

W－單個線圈的匝數(shù)；

r－線圈的平均半徑；

rc－柱形銜鐵的半徑；

l

－單個螺管線圈長度；

lc－柱形銜鐵插入到單個螺管內(nèi)的長度；－鐵芯的有效磁導(dǎo)率。原理：單個線圈電感量與銜鐵插入長度關(guān)系為第8頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月18.05.20239傳感器的靈敏度：螺管線圈電感變化量總結(jié)：結(jié)構(gòu)簡單、易制造，靈敏度低，適于較大位移（數(shù)毫米）測量。第9頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月18.05.202310四、差動電感傳感器

自感式傳感器是單線圈工作，存在的問題：沒有信號輸入時，仍有輸出；外界干擾時輸出產(chǎn)生誤差；靈敏度低等。差動自感式傳感器可以克服這些缺點。由兩個結(jié)構(gòu)、材料和電氣參數(shù)相同自感傳感器構(gòu)成。第10頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月18.05.202311

對差動式傳感器，當共用銜鐵位移時，兩線圈的間隙按0、0+變化，即一個線圈自感增加，另一個減小。當/<<1時：1.

工作原理第11頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月18.05.202312靈敏度，為原來的兩倍。非線性誤差降低了一個數(shù)量級。

第12頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月18.05.2023132.交流電橋初始條件電橋處于平衡狀態(tài)，輸出USC=0。當銜鐵偏移時，，則第13頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月18.05.202314所以上式為，將代入后上式表明輸出電壓與銜鐵的位移成正比，其相位與運動方向有關(guān)，如圖所示，其優(yōu)點為：＊從理論上消除了零位輸出誤差；＊靈敏度提高一倍；＊線性度得到改善；＊差動形式可以提高外界的干擾。第14頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月18.05.2023153.變壓器交流電橋電橋的工作臂是Z1、Z2，另外兩個臂是變壓器的次級線圈，輸出取自A、B兩點，B點為線圈的中心，并接地。初始時，當銜鐵偏離時，第15頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月18.05.202316同理，當銜鐵偏移時，可推導(dǎo)出綜合上兩式有結(jié)論：a）以上交流電橋，變壓器電橋其輸出正比于L/L0。b）輸出為交流信號，其方向、大小需通過整流、濾波后才能獲得相應(yīng)直流信號。4、相敏整流第16頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月18.05.202317§5-2互感式傳感器

互感式傳感器又稱變壓器式傳感器，是把非電量的變化轉(zhuǎn)換成線圈相互的互感量的變化，然后再經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成為電信號輸出。結(jié)構(gòu)形式主要有三種：螺管型差動變壓器、型差動變壓器及旋轉(zhuǎn)變壓器。但目前常用的是螺管型差動變壓器。一、螺管型差動變壓器

螺管型差動變壓器按繞組排列形式可分為二段式、三段式、四段式、五段式等。1.原理第17頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月18.05.202318

如上圖左是三段繞組螺管型差動變壓器，上圖右是其等效電路。由等效電路可得

主要由線圈繞組（初級繞組和次級繞組）、可移動銜鐵、導(dǎo)磁外殼三大部分組成。第18頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月18.05.202319所以有當銜鐵處于中間位置時M1=M2，E2=0當銜鐵偏離中間位置時，設(shè)M1＝M+△M1，M2＝M－△M

2，△M1＝△M2＝△M，有

位移量與△M有近似線性關(guān)系。第19頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月18.05.2023202.主要特性（1）輸出特性差動變壓器輸出電壓可用下式計算：E2為差動變壓器輸出電壓有效值；x銜鐵的位移量；k1與變壓器結(jié)構(gòu)尺寸和電參數(shù)有關(guān)的系數(shù)；k2與變壓器結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)。（2）線性度

在輸出特性公式中，通常k2x2<<1，也就是說k2通常很小，理想的輸出特性為

E’2=k1x第20頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月18.05.202321（3）靈敏度

則最大偏差為非線性誤差為

當忽略k2x2時，差動變壓器的靈敏度為k1。當差動變壓器的結(jié)構(gòu)確定后，激勵信號頻率是影響靈敏度的主要因素。靈敏度為(0.1～5)V/mm。第21頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月18.05.202322（4）激勵頻率差動電源的激勵頻率對其靈敏度和線性度均有較大的影響。實際應(yīng)用中電源的激勵頻率常為400Hz～10kHz，并且高于銜鐵運動頻率的十倍。（5）零位輸出電壓零位電壓常為幾毫伏至幾十毫伏。零位電壓的危害：①零點附近靈敏度減??；②后接高增益放大器時，易使放大器出現(xiàn)飽和而堵塞有用信號通過。③如用來控制執(zhí)行元件，易產(chǎn)生誤動作。第22頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月18.05.2023233.測量電路（1）相敏檢波電路

＊比較器＊放大電路＊檢波器＊濾波器第23頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月18.05.202324第24頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月18.05.202325VinVoVinVo第25頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月18.05.202326VsVinVbVoVoutVs和Vin同相時第26頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月18.05.202327Vs和Vin反相時VsVinVbVoVout第27頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月18.05.202328（2）差動整流電路單相半波差動整流（電壓、電流型），單相全波橋式差動整流電路（電壓、電流型）

。（3）單片LVDT信號處理電路LVDT（Linearvariabledifferentialtransformer）的單片集成信號處理IC有AD598、AD698第28頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月18.05.202329

金屬板置于一只線圈的附近，它們之間相互的間距為x，當線圈輸入一交變電流I1時，便產(chǎn)生交變磁通量Φ，金屬板在此交變磁場中會產(chǎn)生感應(yīng)電流i2，這種電流在金屬體內(nèi)是閉合的，所以稱之為“渦電流”或“渦流”。

§5-3電渦流式傳感器一、工作原理渦流的大小與金屬板的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ、厚度h，金屬板與線圈的距離x，激勵電流角頻率ω等參數(shù)有關(guān)。若改變其中某一參數(shù)，而固定其他參數(shù)不變，就可根據(jù)渦流的變化測量該參數(shù)。第29頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月18.05.202330

高頻(>lMHz)激勵電流，產(chǎn)生的高頻磁場作用于金屬板的表面，由于集膚效應(yīng)，在金屬板表面將形成渦電流。與此同時，該渦流產(chǎn)生的交變磁場又反作用于線圈，引起線圈自感L或阻抗ZL的變化，其變化與距離該金屬板的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ、激勵電流i，及角頻率ω等有關(guān)，若只改變距離δ而保持其他系數(shù)不變，則可將位移的變化轉(zhuǎn)換為線圈自感的變化，通過測量電路轉(zhuǎn)換為電壓輸出。高頻反射式渦流傳感器多用于位移測量。

渦流式傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式。

二、渦流傳感器類型1.高頻反射式第30頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月18.05.202331

低頻透射式渦流傳感器的工作原理如圖所示，發(fā)射線圈ω1和接收線圈ω2分別置于被測金屬板材料G的上、下方。2、低頻透射式

由于低頻磁場集膚效應(yīng)小，滲透深，當?shù)皖l（音頻范圍)電壓e1加到線圈ω1的兩端后，所產(chǎn)生磁力線的一部分透過金屬板材料G,使線圈ω2產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e2。但由于渦流消耗部分磁場能量，使感應(yīng)電動勢e2減少，當金屬板材料G越厚時，損耗的能量越大，輸出電動勢e2越小。因此，e2的大小與G的厚度及材料的性質(zhì)有關(guān)，試驗表明，e2隨材料厚度h的增加按負指數(shù)規(guī)律減少,如圖所示，因此，若金屬板材料的性質(zhì)一定，則利用e2的變化即可測量其厚度。第31頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月18.05.202332三、特性分析（1）輸出特性：一定距離范圍內(nèi)呈線性（2）靈敏度靈敏度正比于線圈直徑，反比于線圈厚度；被測測物體半徑大于線圈外徑1.8倍，要有一定厚度；正比于電導(dǎo)率，反比于磁導(dǎo)率；正比于工作頻率。四、測量電路1.調(diào)幅式測量電路第32頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月18.05.2023332.調(diào)頻式測量電路第33頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月18.05.202334第34頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月18.05.2023353.電橋測量電路第35頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月18.05.202336§5-4電感式傳感器應(yīng)用一、電感式傳感器應(yīng)用1.電感式位移式傳感器2.差動變壓器測速3.差動變壓器測慣性加速度4.磨加工連續(xù)表面主動測量儀5.三維電感測頭二、電渦流傳感器應(yīng)用1.渦流式傳感器測位移第36頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月18.05.202337第37頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月18.05.202338第38頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月18.05.202339第39頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月18.05.202340第40頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月18.05.2023412.渦流膜厚檢測3.電渦流式轉(zhuǎn)速表4.電渦流式接近開關(guān)第41頁，課件共44頁，創(chuàng)作