傳感器與檢測(cè)技術(shù)-第三章

第3章電感式傳感器2024/5/181精選課件ppt電感式傳感器電感式傳感器可用來(lái)測(cè)量位移、壓力、流量、振動(dòng)等非電量，其主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、靈敏度高；測(cè)量精度高、輸出功率較大；可實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸、記錄、顯示和控制，在工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。但其靈敏度、線性度和測(cè)量范圍相互制約；傳感器自身頻率響應(yīng)低，不適用于快速動(dòng)態(tài)測(cè)量。電感式傳感器是建立在電磁感應(yīng)的基礎(chǔ)上，利用線圈自感或互感來(lái)實(shí)現(xiàn)非電量的檢測(cè)。本章主要介紹：自感式傳感器（利用自感原理）；差動(dòng)變壓器式傳感器（利用互感原理）；電渦流式傳感器（利用渦流原理）。2024/5/182精選課件ppt3.1自感式傳感器

自感式傳感器由線圈、鐵心和銜鐵三部分組成。鐵心和銜鐵由導(dǎo)磁材料制成。自感式傳感器是把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成自感L的變化，通過(guò)一定的轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓或電流輸出。按磁路幾何參數(shù)變化形式的不同，自感式傳感器可分為變氣隙式、變截面積式和螺線管式三種2024/5/183精選課件ppt內(nèi)容3.1.1基本工作原理3.1.2自感式傳感器的測(cè)量電路3.1.3自感式傳感器應(yīng)用2024/5/184精選課件ppt電感傳感器的基本工作原理演示氣隙變小，電感變大，電流變小F2024/5/185精選課件ppt3.1.1基本工作原理線圈的自感量等于線圈中通入單位電流所產(chǎn)生的磁鏈數(shù)，即線圈的自感系數(shù)為磁鏈，為磁通（Wb），I為流過(guò)線圈的電流（A），N為線圈匝數(shù)。根據(jù)磁路歐姆定律：，為磁導(dǎo)率，S為磁路截面積，為磁路總長(zhǎng)度。2024/5/186精選課件ppt線圈的電感量

為磁路的磁阻

變磁阻式傳感器2024/5/187精選課件ppt結(jié)論只要被測(cè)非電量能夠引起空氣隙長(zhǎng)度或等效截面積發(fā)生變化，線圈的電感量就會(huì)隨之變化。電感式傳感器從原理上可分為變氣隙長(zhǎng)度式和變氣隙截面式兩種類型，前者常用于測(cè)量直線位移，后者常用于測(cè)量角位移。2024/5/188精選課件ppt自感式傳感器2024/5/189精選課件ppt1．變氣隙式（閉磁路式）自感傳感器

由電感式可知，變氣隙長(zhǎng)度式傳感器的線性度差、示值范圍窄、自由行程小，但在小位移下靈敏度很高，常用于小位移的測(cè)量。1—線圈2—鐵芯3—銜鐵2024/5/1810精選課件ppt2．螺線管式（開(kāi)磁路式）自感式傳感器螺線管式自感式傳感器常采用差動(dòng)式。它是在螺線管中插入圓柱形鐵芯而構(gòu)成的。其磁路是開(kāi)放的，氣隙磁路占很長(zhǎng)的部分。有限長(zhǎng)螺線管內(nèi)部磁場(chǎng)沿軸線非均勻分布，中間強(qiáng)，兩端弱。插入鐵芯的長(zhǎng)度不宜過(guò)短也不宜過(guò)長(zhǎng)，一般以鐵芯與線圈長(zhǎng)度比為0.5、半徑比趨于1為宜。鐵磁材料的選取決定于供橋電源的頻率，500Hz以下多用硅鋼片，500Hz以上多用薄膜合金，更高頻率則選用鐵氧體。從線性度考慮，匝數(shù)和鐵芯長(zhǎng)度有一最佳數(shù)值，應(yīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)選定。2024/5/1811精選課件ppt結(jié)構(gòu)差動(dòng)式電感傳感器對(duì)外界影響，如溫度的變化、電源頻率的變化等基本上可以互相抵消，銜鐵承受的電磁吸力也較小，從而減小了測(cè)量誤差。1—測(cè)桿2—銜鐵3—線圈2024/5/1812精選課件ppt特性從輸出特性曲線（如圖4-5所示）可以看出，差動(dòng)式電感傳感器的線性較好，且輸出曲線較陡，靈敏度約為非差動(dòng)式電感傳感器的兩倍。1、2—L1、L2的特性3—差動(dòng)特性2024/5/1813精選課件ppt3.1.2自感式傳感器的測(cè)量電路自感式傳感器的測(cè)量電路用來(lái)將電感量的變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓或電流信號(hào)，以便供放大器進(jìn)行放大，然后用測(cè)量?jī)x表顯示或記錄。測(cè)量電路有交流分壓式、交流電橋式和諧振式等多種，常用的差動(dòng)式傳感器大多采用交流電橋式。交流電橋的種類很多，差動(dòng)形式工作時(shí)其電橋電路常采用雙臂工作方式。兩個(gè)差動(dòng)線圈Z1和Z2分別作為電橋的兩個(gè)橋臂，另外兩個(gè)平衡臂可以是電阻或電抗，或者是帶中心抽頭的變壓器的兩個(gè)二次繞組或緊耦合線圈等形式。2024/5/1814精選課件ppt1．變壓器交流電橋電橋有兩臂為傳感器的差動(dòng)線圈的阻抗，所以該電路又稱為差動(dòng)交流電橋變壓器式交流電橋電路圖2024/5/1815精選課件ppt分析設(shè)O點(diǎn)為電位參考點(diǎn)，根據(jù)電路的基本分析方法，可得到電橋輸出電壓為當(dāng)傳感器的活動(dòng)鐵芯處于初始平衡位置時(shí)，兩線圈的電感相等，阻抗也相等，即，其中表示活動(dòng)鐵芯處于初始平衡位置時(shí)每一個(gè)線圈的阻抗。電橋輸出電壓，電橋處于平衡狀態(tài)。2024/5/1816精選課件ppt變化時(shí)當(dāng)鐵芯向一邊移動(dòng)時(shí)，則一個(gè)線圈的阻抗增加，2024/5/1817精選課件ppt變化后的電壓當(dāng)傳感器線圈為高Q值時(shí)，則線圈的電阻遠(yuǎn)小于其感抗當(dāng)活動(dòng)鐵芯向另一邊（反方向）移動(dòng)時(shí)差動(dòng)式自感傳感器采用變壓器交流電橋?yàn)闇y(cè)量電路時(shí)，電橋輸出電壓既能反映被測(cè)體位移量的大小，又能反映位移量的方向，且輸出電壓與電感變化量呈線性關(guān)系。2024/5/1818精選課件ppt2．帶相敏整流的交流電橋上述變壓器式交流電橋中，由于采用交流電源，則不論活動(dòng)鐵芯向線圈的哪個(gè)方向移動(dòng)，電橋輸出電壓總是交流的，即無(wú)法判別位移的方向。常采用帶相敏整流的交流電橋.

2024/5/1819精選課件ppt結(jié)構(gòu)帶相敏整流的交流電橋電路2024/5/1820精選課件ppt（1）初始平衡位置時(shí)當(dāng)差動(dòng)式傳感器的活動(dòng)鐵芯處于中間位置時(shí)，傳感器兩個(gè)差動(dòng)線圈的阻抗Z1=Z2=Z0，其等效電路如圖所示。鐵芯處于初始平衡位置時(shí)的等效電路2024/5/1821精選課件ppt（2）活動(dòng)鐵芯向一邊移動(dòng)時(shí)當(dāng)活動(dòng)鐵芯向線圈的一個(gè)方向移動(dòng)時(shí)，傳感器兩個(gè)差動(dòng)線圈的阻抗發(fā)生變化，等效電路如圖4-9所示。鐵芯向線圈一個(gè)方向移動(dòng)時(shí)的等效電路2024/5/1822精選課件ppt結(jié)果在Ui的正半周在Ui的負(fù)半周2024/5/1823精選課件ppt只要活動(dòng)鐵芯向一方向移動(dòng)，無(wú)論在交流電源的正半周還是負(fù)半周，電橋輸出電壓均為正值。2024/5/1824精選課件ppt（3）活動(dòng)鐵芯向相反方向移動(dòng)時(shí)當(dāng)活動(dòng)鐵芯向線圈的另一個(gè)方向移動(dòng)時(shí)，用上述分析方法同樣可以證明，無(wú)論在的正半周還是負(fù)半周，電橋輸出電壓均為負(fù)值。2024/5/1825精選課件ppt應(yīng)用采用帶相敏整流的交流電橋，其輸出電壓既能反映位移量的大小，又能反映位移的方向，所以應(yīng)用較為廣泛。1—理想特性曲線2—實(shí)際特性曲線2024/5/1826精選課件ppt3.1.3自感式傳感器應(yīng)用用于測(cè)量位移，還可以用于測(cè)量振動(dòng)、應(yīng)變、厚度、壓力、流量、液位等非電量。2024/5/1827精選課件ppt1．自感式測(cè)厚儀采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)，其測(cè)量電路為帶相敏整流的交流電橋。當(dāng)被測(cè)物體的厚度發(fā)生變化時(shí)，引起測(cè)桿上下移動(dòng)，帶動(dòng)可動(dòng)鐵芯產(chǎn)生位移，從而改變了氣隙的厚度，使線圈的電感量發(fā)生相應(yīng)的變化。此電感變化量經(jīng)過(guò)帶相敏整流的交流電橋測(cè)量后，送測(cè)量?jī)x表顯示，其大小與被測(cè)物的厚度成正比。1—可動(dòng)鐵芯2—測(cè)桿3—被測(cè)物體2024/5/1828精選課件ppt2．位移測(cè)量測(cè)量時(shí)測(cè)頭的測(cè)端與被測(cè)件接觸，被測(cè)件的微小位移使銜鐵在差動(dòng)線圈中移動(dòng)，線圈的電感值將產(chǎn)生變化，這一變化量通過(guò)引線接到交流電橋，電橋的輸出電壓就反映被測(cè)件的位移變化量。1—引線2—線圈3—銜鐵4—測(cè)力彈簧5—導(dǎo)桿6—密封罩7—測(cè)頭2024/5/1829精選課件ppt其他電感測(cè)微頭2024/5/1830精選課件ppt3.2差動(dòng)變壓器式傳感器把被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感變化的傳感器稱為互感式傳感器。因這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且其二次繞組都用差動(dòng)形式連接，所以又叫差動(dòng)變壓器式傳感器，簡(jiǎn)稱差動(dòng)變壓器。有變隙式、變面積式和螺線管式等在非電量測(cè)量中，應(yīng)用最多的是螺線管式的差動(dòng)變壓器，它可以測(cè)量1～100mm范圍內(nèi)的機(jī)械位移，并具有測(cè)量精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。2024/5/1831精選課件ppt3.2.1基本工作原理變隙式差動(dòng)變壓器原理圖螺線管式差動(dòng)變壓器原理圖2024/5/1832精選課件ppt輸出特性當(dāng)鐵芯位于中心位置，輸出電壓U2并不等于零，這個(gè)電壓稱為零點(diǎn)殘余電壓

。它的存在使傳感器的輸出特性曲線不經(jīng)過(guò)零點(diǎn)，造成實(shí)際特性和理論特性不完全一致。零點(diǎn)殘余電壓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(lái)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)。輸出特性曲線2024/5/1833精選課件ppt零點(diǎn)電勢(shì)零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)使得傳感器在零點(diǎn)附近的輸出特性不靈敏，為測(cè)量帶來(lái)誤差。為了減小零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)，可采用以下方法。（1）盡可能保證傳感器尺寸、線圈電氣參數(shù)和磁路對(duì)稱。（2）選用合適的測(cè)量電路。（3）采用補(bǔ)償線路減小零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)。2024/5/1834精選課件ppt測(cè)量電路差動(dòng)變壓器輸出的是交流電壓，若用交流電壓表測(cè)量，只能反映銜鐵位移的大小，而不能反映移動(dòng)方向。另外，其測(cè)量值中將包含零點(diǎn)殘余電壓。為了達(dá)到能辨別移動(dòng)方向及消除零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)目的，實(shí)際測(cè)量時(shí)，常常采用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路。2024/5/1835精選課件ppt1．差動(dòng)整流電路是把差動(dòng)變壓器的兩個(gè)次級(jí)輸出電壓分別整流，然后將整流的電壓或電流的差值作為輸出，這樣二次電壓的相位和零點(diǎn)殘余電壓都不必考慮。差動(dòng)整流電路同樣具有相敏檢波作用，圖中的兩組（或兩個(gè)）整流二極管分別將二次線圈中的交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電，然后相加。由于這種測(cè)量電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要考慮相位調(diào)整和零點(diǎn)殘余電壓的影響，且具有分布電容小和便于遠(yuǎn)距離傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，因而獲得廣泛的應(yīng)用。但是，二極管的非線性影響比較嚴(yán)重，而且二極管的正向飽和壓降和反向漏電流對(duì)性能也會(huì)產(chǎn)生不利影響，只能在要求不高的場(chǎng)合下使用。一般經(jīng)相敏檢波和差動(dòng)整流后的輸出信號(hào)還必須經(jīng)過(guò)低通濾波器，把調(diào)制的高頻信號(hào)衰減掉，只允許銜鐵運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的有用信號(hào)通過(guò)。2024/5/1836精選課件ppt典型電路差動(dòng)整流電路2024/5/1837精選課件ppt2．差動(dòng)檢波電路差動(dòng)相敏檢波電路等效電路2024/5/1838精選課件ppt（2）工作原理傳感器銜鐵上移 傳感器銜鐵下移 2024/5/1839精選課件ppt（3）波形圖相敏檢波電路波形圖2024/5/1840精選課件ppt3.2.3差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用差動(dòng)變壓器不僅可以直接用于位移測(cè)量，而且還可以測(cè)量與位移有關(guān)的任何機(jī)械量，如振動(dòng)、加速度、應(yīng)變、壓力、張力、比重和厚度等。2024/5/1841精選課件ppt差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用差動(dòng)變壓器式加速度傳感器是由懸臂梁和差動(dòng)變壓器構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖所示。

振動(dòng)傳感器及其測(cè)量電路1—彈性支撐2—差動(dòng)變壓器2024/5/1842精選課件ppt差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用力平衡式差壓計(jì)2024/5/1843精選課件ppt差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用力傳感器差動(dòng)變壓器式力傳感器原理結(jié)構(gòu)圖如圖所示。它是利用力作用下引起彈性元件形變，然后彈性元件的形變帶動(dòng)差動(dòng)變壓器的銜鐵運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生相應(yīng)地電流或電壓輸出的原理制成的。2024/5/1844精選課件ppt差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用差動(dòng)變壓器式電感測(cè)微儀2024/5/1845精選課件ppt3.3電渦流傳感器根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應(yīng)電流，此電流叫電渦流，這種現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。根據(jù)電渦流效應(yīng)制成的傳感器稱為電渦流式傳感器。按照電渦流在導(dǎo)體內(nèi)的貫穿情況，此傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩類，但從基本工作原理上來(lái)說(shuō)仍是相似的。電渦流式傳感器最大的特點(diǎn)是能對(duì)位移、厚度、表面溫度、速度、應(yīng)力、材料損傷等進(jìn)行非接觸式連續(xù)測(cè)量，另外還具有體積小、靈敏度高、頻率響應(yīng)寬等特點(diǎn)，應(yīng)用極其廣泛。2024/5/1846精選課件ppt3.3.1電渦流傳感器的工作原理高頻反射式傳感器采用高頻信號(hào)源，其原理及等效電路分別如圖所示。線圈置于金屬導(dǎo)體附近，線圈中通以高頻信號(hào)

，則會(huì)產(chǎn)生正弦交變磁場(chǎng)

，產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)作用下方的金屬塊，金屬塊內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生渦流

，變化的渦流產(chǎn)生磁場(chǎng)

，又反作用于線圈，改變了線圈的電感。電感變化程度取于線圈的外形尺寸，線圈至金屬板之間的距離，金屬板材料的電阻率和磁導(dǎo)率以及電源頻率等。2024/5/1847精選課件ppt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，否則就要降低靈敏度。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。一般來(lái)說(shuō)，被測(cè)體的磁導(dǎo)率越高，電阻率越低，則傳感器的靈敏度越高。2024/5/1848精選課件ppt3.3.2測(cè)量電路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，而電橋不平衡造成的輸出信號(hào)被放大并檢波，就可得到與被測(cè)量成正比的輸出。其電路原理圖如圖3-20所示。2024/5/1849精選課件ppt3.3.2測(cè)量電路L1和L2為傳感器兩線圈，分別與選頻電容C1和C2并聯(lián)組成兩橋臂，電阻R1和R2組成另外兩橋臂。靜態(tài)時(shí)，電橋平衡，橋路輸出電壓為0。工作時(shí)，傳感器接近被測(cè)體，由于電渦流效應(yīng)引起傳感器線圈電感變化，電橋失去平衡，有電壓輸出。經(jīng)放大后送至檢波器檢波，輸出直流電壓U0，U0的大小正比于傳感器的移動(dòng)量，以實(shí)現(xiàn)對(duì)位移量的測(cè)量。2024/5/1850精選課件ppt3.3.2測(cè)量電路把傳感器線圈與電容并聯(lián)組成LC并聯(lián)諧振電路。當(dāng)傳感器接近被測(cè)金屬導(dǎo)體時(shí)，線圈電感發(fā)生變化，LC回路的阻抗和諧振頻率將隨著L的變化而變化，因此可以利用測(cè)量回路阻抗或諧振頻率的方法間接反映出傳感器的被測(cè)量，相對(duì)應(yīng)的就是調(diào)幅法和調(diào)頻法。2024/5/1851精選課件ppt調(diào)幅式石英振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)頻、穩(wěn)幅高頻振蕩電壓（100kHz～1MHz）用于激勵(lì)電渦流線圈。金屬材料在高頻磁場(chǎng)中產(chǎn)生電渦流，引起電渦流線圈端電壓的衰減，再經(jīng)高放、檢波、低放電路，最終輸出的直流電壓Uo反映了金屬體對(duì)電渦流線圈的影響）。2024/5/1852精選課件ppt3．調(diào)頻（FM）式電路（100kHz～1MHz）當(dāng)電渦流線圈與被測(cè)體的距離x改變時(shí)，電渦流線圈的電感量L也隨之改變，引起LC振蕩器的輸出頻率變化，此頻率可直接用計(jì)算機(jī)測(cè)量。如果要用模擬儀表進(jìn)行顯示或記錄時(shí)，必須使用鑒頻器，將

f轉(zhuǎn)換為電壓

Uo。2024/5/1853精選課件ppt4.3.3電渦流傳感器的應(yīng)用電渦流傳感器是以電渦流效應(yīng)為原理的非接觸式位移、振動(dòng)傳感器?？蓪?duì)進(jìn)入尤其測(cè)量范圍內(nèi)的金屬物體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)

進(jìn)行精密地非接觸測(cè)量。用于機(jī)械中的振動(dòng)和位移、轉(zhuǎn)子與機(jī)殼的熱膨脹量的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)；生產(chǎn)線的在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)控