《傳感器與檢測技術(shù)-第4章電感式傳感器.ppt》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《傳感器與檢測技術(shù)-第4章電感式傳感器.ppt（80頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。
1、4.1 自感式傳感器 4.2 互感式傳感器 4.3 電渦流式傳感器,第4章 電感式傳感器,返回主目錄,利用電磁感應(yīng)原理將被測非電量(如位移、壓力、流量、 振動等)轉(zhuǎn)換成線圈自感L或互感M變化的裝置稱為電感式傳感器 。常見的有下列三種：,4.1 自感式傳感器,一、 工作原理 自感式傳感器的結(jié)構(gòu)如圖 4 - 1 所示。它由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。 根據(jù)電感定義, 線圈中電感量可由下式確定:,式中: 線圈總磁鏈; I 通過線圈的電流; W線圈的匝數(shù); 穿過線圈的磁通。,(4 - 1）,由磁路歐姆定律, 得,式中: Rm磁路總磁阻。若忽略磁路磁損, 則磁路總磁阻為,式中:
2、1鐵芯材料的導(dǎo)磁率; l1磁通通過鐵芯的長度; 2銜鐵材料的導(dǎo)磁率; l2磁通通過銜鐵的長度; S1鐵芯的截面積; S2銜鐵的截面積; S0氣隙的截面積; 氣隙的厚度。 0空氣的導(dǎo)磁率;,(4 - 3),(4 - 2),則式(4 - 3）可近似為 聯(lián)立式(4 - 1）, 式(4 - 2）及式(4 - 5）, 可得,通常氣隙磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻, 即,(4 - 5）,(4 - 4）,(4 - 6）,上式表明, 當(dāng)線圈匝數(shù)W為常數(shù)時, 電感L僅僅是磁路中磁阻Rm的函數(shù), 只要改變或S0均可導(dǎo)致電感L變化, 因此自感式傳感器又可分為變氣隙厚度傳感器和變氣隙
3、面積S0傳感器。目前使用最廣泛的是變氣隙厚度的自感傳感器。 二、 輸出特性 設(shè)自感傳感器初始?xì)庀稙?, 初始電感量為L0, 銜鐵位移引起的氣隙變化量為, 從式(4 - 6）可知L與之間是非線性關(guān)系, 特性曲線如圖(4 -2）所示, 初始電感量為,當(dāng)銜鐵上移時, 傳感器氣隙減小, 即=0-, 則此時輸出電感為L = L0+L, 代入式(4 - 6）式并整理, 得,當(dāng)/0<<1時, 可將上式用臺勞級數(shù)展開成級數(shù)形式為,同理，當(dāng)銜鐵下移時, 傳感器氣隙增加, 即=0+,，則此時輸出電感為L = L0-L, 代入式(4 - 6）式并整理, 得,由上式可求得電感增量L和相對增量L/ L0的表達(dá)式,
4、即,(4 - 11）,(4 - 13）,(4 - 10）,(4 - 12）,對式(4 - 11）、 (4 - 13） 作線性處理，忽略高次項, 可得 (4 - 14） 其靈敏度K0為 (4 - 15),由此可見, 變間隙式電感傳感器的測量范圍與靈敏度及線性度相矛盾, 所以變隙式電感式傳感器用于測量微小位移時是比較精確的。為了減小非線性誤差, 實際測量中廣泛采用差動變隙式電感傳感器。,圖 4 - 3 所示為差動變隙式電感傳感器的原理結(jié)構(gòu)圖。 由圖可知, 差動變隙式電感傳感器由兩
5、個相同的電感線圈L1、L2和磁路組成。當(dāng)銜鐵往上移動時, 兩個線圈的電感變化量L1、L2分別由式（4 - 10）及式（4 - 12）表示, 差動傳感器電感的總變化量L L1L2, 其具體表達(dá)式為,對上式進(jìn)行線性處理，忽略高次項得,其靈敏度K0為,比較單線圈和差動兩種變間隙式電感傳感器的特性, 可以得到如下結(jié)論: 差動式比單線圈式的靈敏度高一倍。 由于它忽略的是(/0)3以上的高次項，又因為(/0)<<1。所以，差動式的線性度得到明顯改善。 注：構(gòu)成差動的兩個變隙式電感傳感器在結(jié)構(gòu)尺寸、材料、電氣參數(shù)等方面均應(yīng)完全一致。,三、 測量電路 電感式傳感器的測量電路有交流電橋式、 交流變壓器
6、式以及諧振式等幾種形式。 1. 交流電橋式測量電路 圖 4 - 4所示為交流電橋測量電路, 把傳感器的兩個線圈作為電橋的兩個橋臂Z1和Z2, 另外二個相鄰的橋臂用純電阻代替, 其輸出電壓,當(dāng)傳感器銜鐵上移時，即 Z1ZZ1，Z2ZZ2，則,當(dāng)傳感器銜鐵下移時，即 Z1ZZ1，Z2ZZ2，則,從上兩式可知, 銜鐵上、下移動相同距離時, 輸出電壓的大小相等, 但方向相反, 由于電源是交流電壓, 故輸出電壓不能反映位移的方向, 必須配合相敏檢波電路來解決。,下圖是一個常用的相敏檢波電路 當(dāng)銜鐵上移時， Z1ZZ1增加，而Z2ZZ2減少。分析可知，無論UAC是正半波還是負(fù)半波，輸出U0=UMO
7、-UNO<0，即總是上端為負(fù)，下端為正。,同理可知，當(dāng)銜鐵下移時, Z1ZZ1減少, 而Z2ZZ2增加。無論UAC是正半波還是負(fù)半波，輸出U0=UMO-UNO0，即總是上端為正，下端為負(fù)。 由上分析可知，用此種電路測量，得到的直流輸出電壓不但能反映銜鐵位移的大小，還能反映銜鐵位移的方向。且測量精度較高。,2. 變壓器式交流電橋 變壓器式交流電橋測量電路如圖 4 - 5所示, 電橋兩臂Z1、 Z2為傳感器線圈阻抗, 另外兩橋臂為交流變壓器次級線圈的 一半，其電壓為初級線圈電壓的1/2。當(dāng)負(fù)截阻抗為無窮大時, 橋路輸出電壓,當(dāng)傳感器的銜鐵處于中間位置時，有Z1= Z2=Z, 電橋平衡。 即
8、,當(dāng)傳感器銜鐵上移時, 即Z1=Z+Z, Z2=Z-Z, 此時,從式(4 - 21）及式(4 - 22）可知, 銜鐵上下移動相同距離時, 輸出電壓大小相等, 但方向相反, 由于電源是交流電壓, 故輸出無法反映位移方向, 也必須配合相敏檢波電路來解決。請同學(xué)們自己設(shè)計出它的相敏檢波電路。,(4 - 21）,(4 - 22）,當(dāng)傳感器銜鐵下移時, 則Z1=Z-Z, Z2=Z+Z, 此時,3. 諧振式測量電路 諧振式測量電路有諧振式調(diào)幅電路和諧振式調(diào)頻電路兩種。 諧振式調(diào)幅電路如圖 4 - 6 所示，在調(diào)幅電路中, 傳感器電感L與電容C, 變壓器原邊串聯(lián)在一起, 接入交流電源, 變壓器副邊將有電壓
9、輸出, 輸出電壓的頻率與電源頻率相同, 而幅值隨著電感L而變化, 圖 4 - 6（b）所示為輸出電壓與電感L的關(guān)系曲線, 其中L0為諧振點的電感值，此電路靈敏度很高, 但線性差, 適用于線性要求不高的場合。,諧振式調(diào)頻電路如圖 4 - 7 所示，調(diào)頻電路的基本原理是傳感器電感L變化將引起輸出電壓頻率的變化。一般是把傳感器電感L和電容C 接入一個振蕩回路中, 其振蕩頻率 當(dāng)L變化時, 振蕩頻率隨之變化, 根據(jù) f 的大小即可測出被測量的值。圖 4 - 7（b）表示 f 與L的特性, 它具有明顯的非線性關(guān)系。,四、 自感式傳感器的應(yīng)用 圖 4 - 8 所示是變隙電感式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)圖。 它由
10、膜盒、 鐵芯、 銜鐵及線圈等組成, 銜鐵與膜盒的上端連在一起。 當(dāng)壓力進(jìn)入膜盒時, 膜盒的頂端在壓力P的作用下產(chǎn)生與壓力P大小成正比的位移。于是銜鐵也發(fā)生移動, 從而使氣隙發(fā)生變化, 流過線圈的電流也發(fā)生相應(yīng)的變化, 電流表指示值就反映了被測壓力的大小。 圖 4 - 9 所示為變隙式差動電感壓力傳感器。它主要由C形彈簧管、銜鐵、鐵芯和線圈等組成。,當(dāng)被測壓力進(jìn)入C 形彈簧管時, C 形彈簧管產(chǎn)生變形, 其自由端發(fā)生位移, 帶動與自由端連接成一體的銜鐵運動, 使線圈 1 和線圈 2 中的電感發(fā)生大小相等、 符號相反的變化, 即一個電感量增大, 另一個電感量減小。 電感的這種變化通過電橋電
11、路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。由于輸出電壓與被測壓力之間成比例關(guān)系, 所以只要用檢測儀表測量出輸出電壓, 即可得知被測壓力的大小。 ,4.2 互感式傳感器, 把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感量變化的傳感器稱為互感式傳感器。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的, 并且次級繞組都用差動形式連接, 故又稱差動變壓器式傳感器。 差動變壓器結(jié)構(gòu)形式較多, 有變隙式、 變面積式和螺線管式等, 但其工作原理基本一樣。在非電量測量中, 應(yīng)用最多的是螺線管式差動變壓器, 它可以測量1100mm范圍內(nèi)的機(jī)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。,一、螺線管式差動變壓器 1. 工作原理 螺線管式
12、差動變壓器結(jié)構(gòu)如圖 4 -10 所示, 它由初級線圈, 兩個次級線圈和插入線圈中央的圓柱形鐵芯等組成。 螺線管式差動變壓器按線圈繞組排列的方式不同可分為一節(jié)、二節(jié)、三節(jié)、四節(jié)和五節(jié)式等類型, 如圖 4 - 11 所示。 一節(jié)式靈敏度高, 三節(jié)式零點殘余電壓較小, 通常采用的是二節(jié)式和三節(jié)式兩類。,下面以三節(jié)式為例進(jìn)行介紹： 差動變壓器式傳感器中兩個次級線圈反向串聯(lián), 并且在忽略鐵損、 導(dǎo)磁體磁阻和線圈分布電容的理想條件下, 其等效電路如圖 4 - 12所示。當(dāng)初級繞組W1加以激勵電壓 時, 根據(jù)變壓器的工作原理, 在兩個次級繞組W2a和W2b中便會產(chǎn)生感應(yīng)電勢 和 。 如果工藝上保證變壓
13、器結(jié)構(gòu)完全對稱，則當(dāng)活動銜鐵處于初始平衡位置時,必然會使兩互感系數(shù)M1=M2。根據(jù)電磁感應(yīng)原理, 將有 。 由于變壓器兩次級繞組反向串聯(lián), 因而 , 即差動變壓器輸出電壓為零。 ,活動銜鐵向上移動時,由于磁阻的影響, W2a中磁通將大于W2b, 使M1M2, 因而增加, 而減小。 反之, 增加, 減小。因為 , 所以當(dāng)、 隨著銜鐵 位移 x 變化時, 也必將隨 x 變化。 圖 4 - 13 給出了變壓器輸出電壓 與活動銜鐵位移 x 的關(guān)系曲線。 實際上, 當(dāng)銜鐵位于中心位置時, 差動變壓器輸出電壓并不等于零，如圖中虛線所示，我們把差動變壓器在零位移時的輸出電壓稱為零點殘余
14、電壓，記作 , 它的存在使傳感器的輸出特性不過零點，造成實際特性與理論特性不完全一致。,零點殘余電壓主要是由傳感器的兩次級繞組的電氣參數(shù)與幾何尺寸不對稱，以及磁性材料的非線性等問題引起的。 零點殘余電壓的波形十分復(fù)雜，主要由基波和高次諧波組成。基波產(chǎn)生的主要原因是：傳感器的兩次級繞組的電氣參數(shù)和幾何尺寸不對稱，導(dǎo)致它們產(chǎn)生的感應(yīng)電勢的幅值不等、相位不同，因此不論怎樣調(diào)整銜鐵位置， 兩線圈中感應(yīng)電勢都不能完全抵消。 高次諧波中起主要作用的是三次諧波， 產(chǎn)生的原因是由于磁性材料磁化曲線的非線性(磁飽和、磁滯)。 零點殘余電壓一般在幾十毫伏以下，在實際使用時，應(yīng)設(shè)法減小 , 否則將會影響傳感器的
15、測量結(jié)果。 ,二、 基本特性 差動變壓器等效電路如圖 4 - 12 所示。當(dāng)次級開路時有 (4 - 23) 式中: 初級線圈激勵電壓 的角頻率; 初級線圈激勵電流; r1、 L1初級線圈直流電阻和電感。,根據(jù)電磁感應(yīng)定律, 次級繞組中感應(yīng)電勢的表達(dá)式分別為:,由于次級兩繞組反向串聯(lián), 且考慮到次級開路, 則由以上關(guān)系可得:,(4 - 26),輸出電壓的有效值為,下面分三種情況進(jìn)行分析。 (1) 活動銜鐵處于中間位置時,(4 - 27),(2) 活動銜鐵向上移動時,(3) 活動銜鐵向下移動時,與
16、 同極性。,與 同極性。,,,三、 差動變壓器式傳感器測量電路 差動變壓器輸出的是交流電壓, 若用交流電壓表測量, 只能反映銜鐵位移的大小, 而不能反映移動方向。另外, 其測量值中將包含零點殘余電壓。為了達(dá)到能辨別移動方向及消除零點殘余電壓的目的, 實際測量時, 常常采用差動整流電路和相敏檢波電路。 1. 差動整流電路 這種電路是把差動變壓器的兩個次級輸出電壓分別整流, 然后將整流的電壓或電流的差值作為輸出, 圖 4 - 14 給出了幾種典型電路形式。 圖中(a)、(c)適用于交流阻抗負(fù)載, (b)、(d)適用于低阻抗負(fù)載, 電阻R0用于調(diào)整零點殘余電壓。,下面結(jié)合圖 4 -
17、14（c）, 分析差動整流工作原理。 從圖 4 - 14（c）電路結(jié)構(gòu)可知, 不論兩個次級線圈的輸出瞬時電壓極性如何, 流經(jīng)電容C1的電流方向總是從2到4, 流經(jīng)電容C2的電流方向從6到8, 故整流電路的輸出電壓為 U2=U24-U68 (4 - 28) 當(dāng)銜鐵在零位時, 因為U24=U68 , 所以U2=0; 當(dāng)銜鐵在零位以上時, 因為U24U68, 則U20; 而當(dāng)銜鐵在零位以下時, 則有U24
18、2. 相敏檢波電路 電路如圖 4 - 15 所示。VD1、VD2、VD3、 VD4 為四個性能相同的二極管, 以同一方向串聯(lián)成一個閉合回路, 形成環(huán)形電橋。 輸入信號u2(差動變壓器式傳感器輸出的調(diào)幅波電壓)通過變壓器T1加到環(huán)形電橋的一個對角線。 參考信號u0通過變壓器T2加入環(huán)形電橋的另一個對角線。 輸出信號uL從變壓器1與2的中心抽頭引出。平衡電阻R起限流作用, 避免二極管導(dǎo)通時變壓器T2的次級電流過大。RL為負(fù)載電阻。u0的幅值要遠(yuǎn)大于輸入信號u2的幅值, 以便有效控制四個二極管的導(dǎo)通狀態(tài), 且u0和差動變壓器式傳感器激磁電壓u1由同一振蕩器供電， 保證二者同頻、同相（或反相）。,由
19、圖 4 - 16（a）、（c）、 (d)可知, 當(dāng)位移x 0時, u2與u0同頻同相, 當(dāng)位移x 0時, u2與u0為同頻同相, 當(dāng)u2與u0均為正半周時, 見圖 4 - 15（a）, 因為u0u2，環(huán)形電橋中二極管VD1、D4截止, VD2、VD3導(dǎo)通, 則可得圖 4 - 15（b）的等效電路。,式中，n1，n2分別為變壓器T1、T2的變壓比。,(4 - 29),(4 - 30),采用電路分析的基本方法, 可求得圖 4 - 15（b）所示電路的輸出電壓uL的表達(dá)式,同理當(dāng)u2與u0均為負(fù)半周時, 二極管VD2、VD3截止, VD1、 VD4導(dǎo)通。 其等效電路如圖 4 - 15（c）所示, 輸
20、出電壓uL 表達(dá)式與式(4 -31）相同, 說明只要位移x0, 不論u2與u0是正半周還是負(fù)半周，負(fù)載RL兩端得到的電壓uL始終為正。,(4 - 31),當(dāng)x<0時，u2與u0為同頻反相。采用上述相同的分析方法不難得到當(dāng)x<0時, 不論u2與u0是正半周還是負(fù)半周, 負(fù)載電阻RL兩端得到的輸出電壓uL表達(dá)式總是為,所以上述相敏檢波電路輸出電壓uL的變化規(guī)律充分反映了被測位移量的變化規(guī)律, 即uL的值反映位移x的大小, 而uL的極性則反映了位移x的方向。,四、 差動變壓式傳感器的應(yīng)用 差動變壓器式傳感器可以直接用于位移測量, 也可以測量與位移有關(guān)的任何機(jī)械量, 如振動、加速度、應(yīng)變、比重、張
21、力和厚度等。 圖 4 - 17 所示為差動變壓器式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。 它由懸臂梁 1 和差動變壓器 2 構(gòu)成。測量時, 將懸臂梁底座及差動變壓器的線圈骨架固定, 而將銜鐵的A端與被測振動體相連。 當(dāng)被測體帶動銜鐵以x(t)振動時, 導(dǎo)致差動變壓器的輸出電壓也按相同規(guī)律變化。,,4.3 電渦流式傳感器, 根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理, 塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運動時, 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, 以上現(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,
22、 但從基本工作原理上來說仍是相似的。它的最大的特點是能對位移、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)測量, 另外還具有體積小, 靈敏度高, 頻率響應(yīng)寬等特點, 應(yīng)用極其廣泛。,一、 工作原理 圖 4 - 18 為電渦流式傳感器的原理圖, 該圖由傳感器線圈和被測導(dǎo)體組成線圈導(dǎo)體系統(tǒng)。 根據(jù)法拉第定律, 當(dāng)傳感器線圈通以正弦交變電流 i1時, 線圈周圍空間必然產(chǎn)生正弦交變磁場h1, 使置于此磁場中的金屬導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電渦流 i2 , i2又產(chǎn)生新的交變磁場h2 。根據(jù)愣次定律，h2 的作用將反抗原磁場h1, 由于磁場h2的作用，渦流要消耗傳感器線圈一部分能量，導(dǎo)致傳感器線圈的等
23、效阻抗發(fā)生變化。顯然，線圈阻抗的變化完全取決于被測金屬導(dǎo)體電渦流效應(yīng)的大小。,由材料學(xué)可知，電渦流大小既與被測體的電阻率、磁導(dǎo)率以及幾何形狀有關(guān), 又與線圈幾何參數(shù)、線圈中激磁電流頻率 f 有關(guān), 還與線圈與導(dǎo)體間的距離 x 有關(guān)。因此, 傳感器線圈受電渦流影響時的等效阻抗Z是以上各參數(shù)的函數(shù)， 即： Z=F(, , r, f, x) (4 - 33) 式中: r線圈與被測體的尺寸因子。 如果保持上式中其它參數(shù)不變, 而只改變其中一個參數(shù), 傳感器線圈阻抗Z就僅僅是這個參數(shù)的單值函數(shù)。通過與傳感器配用的測量電路測出阻抗Z的變化量, 即可實現(xiàn)對該參數(shù)的測量。 ,二、 電渦
24、流形成范圍 1. 電渦流的徑向形成范圍 線圈導(dǎo)體系統(tǒng)產(chǎn)生的電渦流密度既是線圈與導(dǎo)體間距離 x 的函數(shù), 又是沿線圈半徑方向 r 的函數(shù)。當(dāng) x 一定時, 電渦流密度 J 與半徑 r 的關(guān)系曲線見圖 4 - 21 所示 (圖中J0為金屬導(dǎo)體表面電渦流密度， 即電渦流密度最大值。 Jr為半徑 r 處的金屬導(dǎo)體表面電渦流密度) 。由圖可知： 電渦流徑向形成的范圍大約在傳感器線圈外徑ras的1.82.5 倍范圍內(nèi), 且分布不均勻。 電渦流密度在短路環(huán)半徑 r=0 處為零。 , 電渦流的最大值在r=ras附近的一個狹窄區(qū)域內(nèi)。 可以用一個平均半徑為ras（ras=(ri+ra)/2）
25、的短路環(huán)來集中表示分散的電渦流（圖中陰影部分）。 2. 電渦流強(qiáng)度與距離的關(guān)系 理論分析和實驗都已證明, 當(dāng) x 改變時，電渦流強(qiáng)度隨距離 x 的變化而變化。根據(jù)線圈導(dǎo)體系統(tǒng)的電磁作用, 可以得到金屬導(dǎo)體表面的電渦流強(qiáng)度為,根據(jù)上式作出的歸化曲線如圖 4 - 22 所示。 以上分析表明： 電渦強(qiáng)度與距離 x 呈非線性關(guān)系, 且隨著x/ras的增加而迅速減小。 當(dāng)利用電渦流式傳感器測量位移時, 只有在x/ras<<1(一般取 0.050.15)的范圍才能得到較好的線性和較高的靈敏度。,式中：I1線圈激勵電流； I2金屬導(dǎo)體中等效電流； x 線圈到金屬導(dǎo)體表面距離；
26、 ras線圈外徑。,3. 電渦流的軸向貫穿深度 由于趨膚效應(yīng), 則電渦流強(qiáng)度隨導(dǎo)體厚度的增加按指數(shù)規(guī)律衰減, 其規(guī)律可用下式表示：,式中: d金屬導(dǎo)體中某一點至表面的距離； Jd沿H1軸向d處的電渦流密度； J0金屬導(dǎo)體表面電渦流密度, 即電渦流密度最大值； h電渦流軸向貫穿深度（趨膚深度）。,(4 - 41),根據(jù)簡化模型, 可畫出如圖 4 - 20 所示等效電路圖。圖中R2為電渦流短路環(huán)等效電阻, 其表達(dá)式為,三、 基本特性 電渦流傳感器簡化模型如圖 4 - 19 所示。 模型中假設(shè)電渦流僅分布在環(huán)體之內(nèi), 電渦流的貫穿深度h可由下式求得,(4 - 34),(4
27、- 35),式中: 線圈激磁電流角頻率； R1、L1線圈電阻和電感； L2短路環(huán)等效電感； R2短路環(huán)等效電阻； M互感系數(shù)。 由式(4 - 36）解得等效阻抗Z的表達(dá)式為,根據(jù)基爾霍夫第二定律, 可列出如下方程：,Leq線圈受電渦流影響后的等效電感。即,式中：Req為線圈受電渦流影響后的等效電阻，即,(4 - 38）,綜上所述，根據(jù)電渦流式傳感器的簡化模型和等效電路, 運用電路分析的基本方法得到的式(4 - 38）和式(4 - 39), 即為電渦流基本特性表示式。 四、電渦流傳感器的測量電路 電渦流傳感器的側(cè)量電路主要有調(diào)頻式和調(diào)幅式兩種。 1、調(diào)幅式測
28、量電路 電路原理如下圖4-28所示。它采用電容三點式振蕩電路進(jìn)行測量。,線圈的等效品質(zhì)因數(shù)Q值為,(4 - 39),由電容三點式振蕩電路原理可知，當(dāng)C2C，C3C時，振蕩電路的振蕩頻率為,2. 調(diào)幅式電路 由傳感器L、電容C和石英晶體組成的調(diào)幅式電路如下圖4-29所示。,其中，石英晶振起恒流源作用，給諧振回路提供一個頻率為 f0 的穩(wěn)定激勵電流 io。由圖可知，LC 回路輸出電壓 Uo = io Z(x)。,式中：Z(x)LC 回路的阻抗。,當(dāng)金屬導(dǎo)體遠(yuǎn)離渦流傳感器時，假設(shè)LC 回路的諧振頻率正好等于石英振蕩頻率 f0，即,則此時LC 回路出現(xiàn)諧振。回路上阻抗最大，故輸出電壓 Uo 也就最
29、大。 當(dāng)金屬導(dǎo)體靠近渦流傳感器時，L(x) 發(fā)生變化，導(dǎo)致回路失諧， LC 回路阻抗變小，從而使輸出電壓 Uo 降低。由于L(x) 隨距離 x 的變化而變化，因此輸出電壓 Uo 也隨 x 變化，輸出電壓經(jīng)放大、檢波后，即可由指示儀表顯示出 x 的大小。,五、 電渦流式傳感器的應(yīng)用 1. 低頻透射式渦流厚度傳感器 圖 4 - 24 所示為透射式渦流厚度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖。 當(dāng)在L1上加低頻電壓U1時, 則L1上產(chǎn)生交變磁通1, 若兩線圈間無金屬板, 則交變磁場直接耦合至L2中, L2產(chǎn)生感應(yīng)電壓U2。如果將被測金屬板放入兩線圈之間, 則L1線圈產(chǎn)生的磁通將導(dǎo)致在金屬板中產(chǎn)生電渦流。此時磁
30、場能量受到損耗, 到達(dá)L2的磁通將減弱為, 從而使L2產(chǎn)生的感應(yīng)電壓U2下降。金屬板越厚, 渦流損失就越大, U2電壓就越小。因此, 可根據(jù)U2電壓的大小得知被測金屬板的厚度。,檢測范圍可達(dá)1100mm, 分辨率為0.1m, 線性度為 1%。,,2. 高頻反射式渦流厚度傳感器 圖 4 - 25 所示是高頻反射式渦流測厚儀測試系統(tǒng)原理圖。 若帶材厚度不變, 則被測帶材上、 下表面之間的距離總有x1+x2=cont。兩傳感器的輸出電壓之和為 2Uo也不變。 如果被測帶材厚度改變量為, 則兩傳感器與帶材之間的距離也改變了一個, 兩傳感器輸出電壓此時為2Uo+U。U經(jīng)放大器放大后, 通過指示儀表電
31、路即可指示出帶材的厚度變化值。帶材厚度給定值與偏差指示值的代數(shù)和就是被測帶材的厚度。 ,,3. 電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器 圖 4 - 26 所示為電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器工作原理圖。 被測旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，當(dāng)軸槽不對著傳感器時，傳感器與輸入軸的距離為d0。當(dāng)軸槽對著傳感器時，傳感器與輸入軸的距離為d0+d。由于電渦流效應(yīng)，這種變化將使傳感器線圈電感隨距離的變化也發(fā)生變化, 從而導(dǎo)致振蕩諧振回路的品質(zhì)因素變化, 它將直接影響振蕩器的電壓幅值和振蕩頻率。因此, 隨著輸入軸的旋轉(zhuǎn), 從振蕩器輸出的信號中包含有與轉(zhuǎn)數(shù)成正比的脈沖頻率信號。 該信號放大、檢波、整形電路輸出頻率為 fn 脈沖信號。該信號經(jīng)電路處理便可得到被測轉(zhuǎn)速。,,這種轉(zhuǎn)速傳感器可實現(xiàn)非接觸式測量, 抗污染能力很強(qiáng), 可安裝在旋轉(zhuǎn)軸近旁長期對被測轉(zhuǎn)速進(jìn)行監(jiān)視。最高測量轉(zhuǎn)速可達(dá) 600 000 r/min(轉(zhuǎn)/分)。 作業(yè)：P86 4-1; 4-2; 4-7,,課間休息,,,,,圖 43 差動變間隙電感傳感器,1鐵芯 2線圈 3銜鐵,,,,,,,,,,,,,,,,,,
傳感器與檢測技術(shù)-第4章電感式傳感器.ppt
