傳感器原理及應用第4章 電感式傳感器

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1、4電感式傳感器 傳感器原理及應用 4.1 變磁阻式傳感器 4.2 差動變壓器式傳感器 4.3 電渦流式傳感器 4 電感式傳感器 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 4.1 電感式傳感器 利用電磁感應原理將被測非電量如位移 、 壓力 、 流量 、 振動等轉(zhuǎn)換成線圈自感量 L或互感 量 M的變化 ,再由測量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的 變化量輸出 , 這種裝置稱為 電感式傳感器 。 自感式 、 互感式 和 電渦流式 三種傳感器 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 概述 各種電感式傳感器 非接觸式位移傳感器 測厚傳感器 電 感 粗 糙 度 儀 接近式傳感器 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 概述 電感式傳感器

2、 應用 電感傳感器測量滾珠直徑，實現(xiàn)按誤差分裝篩選 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 4.1 變磁阻式傳感器 4.1 工作原理 由 線圈 、 鐵芯 和 銜鐵 三部分組成 。 當銜鐵移動時 , 氣隙厚度 發(fā)生改變 , 引起磁 路中磁阻變化 , 導致電感線圈的電感值變化 , 測出電感量的變化 , 就能確定銜鐵位移量的大 小和方向 。 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 1線圈； 2鐵芯（定鐵芯）； 3銜鐵（動鐵芯） 圖 4-1 變磁阻式傳感器 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 總磁鏈 ; I 電流 ; w 匝數(shù) ; 磁通 。 磁路歐姆定律 , 得 mR Iw 電感定義 , 線圈中電感量為 : WL

3、II 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 Rm 總磁阻 。 忽略磁路磁損 , 總磁阻為 Rm= 1 鐵芯 導磁率 ; 2 銜鐵 導磁率 ; L1 鐵芯 的長度 ; 0022 2 11 1 2 SS L S L 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 L2 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 的導磁率 ; 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 氣隙磁阻大于鐵芯和銜鐵的磁阻 , Rm可近似為 Rm = 00 2 su 11 1 00 2 su L su 22 2 00 2 su L su 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 電

4、感 L是磁阻 Rm的函數(shù) , 改變 或 S0可導致 電感變化 .變磁阻式傳感器又可分為 變氣隙 厚度 的傳感器和 變氣隙面積 0的傳感器 。 變氣隙厚度 式電感傳感器使用最廣泛 。 2 00 22 sw R wL m 可得 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 4.1.2 輸出特性 設初始氣隙為 0, 初始電感量為 L0, 銜鐵 位移引起的氣隙變化量為 , L 與 之間 是非線性關系 . 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 圖 4-2 變隙式電感傳感器的 L-特性 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 當銜鐵 上移 時 , 傳感器氣隙減小 , 即 =0-, 輸出電感為 L = L0+L, 得 初始電感量

5、為 2 00 0 02 SWL 2 0 0 0 0 0 0 2( ) 1 W S L L L L 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 當 /0M2, 加 , 。 反之 , 增加 , 減小 。 因 為 , 、 移 x變化時 , 也必將隨 x變化 。 aE2 bE2 aE2 bE2 ba EEU 222 aE2 bE2 2U 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 當銜鐵位于中心位置時 , 差動變壓器輸出 電壓并不等于零 ,在零位移時的輸出電壓 稱為零點殘余電壓 : xU 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 2 1 1 2 2 2 abE j M I E j M I 4-15 差動變壓器的輸出電壓特性曲線

6、4電感式傳感器 傳感器原理及應用 零點殘余電壓是由于 幾何尺寸不對稱 ， 材料 的 非線性 。 由基波和高次諧波組成 : 基波 產(chǎn)生的原因是：兩次級繞組的 電氣參數(shù) 和幾何尺寸不對稱 ， 感應電勢的 幅值不等 、 相位不同 . 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 高次諧波 中起主要作用的是三次諧波， 原因是由于材料磁化曲線的 非線性 (磁飽 和、磁滯 )。 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 二 、 基本特性 次級開路時 次級繞組中感應電勢的表達式分別為 : 1 1 11 U I r j L 2 1 1aE j M I 2 2 1bE j M I 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 兩繞組反向串聯(lián)

7、, 次級開路 , 可得 : 輸出電壓的有效值為 (1) 活動銜鐵處于 中間位置 時 M1=M2=M 12 0 22 11 () () M M UU rL 12 0 2 2 11 () ab j M M UU E E r j L 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 故 (2) 活動銜鐵 向上移動 M1=M+M M2=M-M 故 , 同極性 。 aE2 0 0U 0 22 11 2 () MUU rL 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 (3) 活動銜鐵 向下移動 時 M1=M-M M2=M+M 故 , 與 同極性 。 bE2 0 22 11 2 () MUU rL 4電感式傳感器 傳感器原理及應用

8、三 、 輸出的是 交流電壓 , 交流電壓表測量 , 只能反 映 銜鐵位移的大小 , 不能反映移動方向 。 采用 差動整流電路 和 相敏檢波電路 。 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 1. 差動整流電路 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 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 圖 3-16 差動整流電路 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 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,整流電路的輸 出電壓為 U2=U24-U68 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 銜鐵在 零位 時 ,因為 U24=U68 ,所以

9、U2=0; 銜鐵在 零位以上 時 ,因為 U24U68,則 U20; 銜鐵在 零位以下 時 ,則有 U24U68,則 U2 0時 ,u2與 us同頻同相 , 當位移 x 0時 ,u2與 us均為正半周時 ,環(huán)形電橋中 二極管 VD1、 D4截止 ,VD2、 VD3導通 ,則可得 圖 （ b） 的等效電路 。 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 圖 4 18 波形圖 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 則有 us1= us2= u21= u22= 輸出電壓 u0的表達式 : 1 2 2n u 22n us )2(1 2 0 L L RRn uRu 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 當 u2與 us均

10、為負半周時 , 二極管 VD2、 VD3 截止 , VD1、 VD4導通 。 等效電路如圖 （ c） 所示 , 輸出電壓 uL 表達式與前式相同 , 只 要位移 x0, 不論 u2與 us是正半周還是負 半周 ， 負載 RL兩端得到的電壓 uL始終為 正 。 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 當 x0 時 ,u2與 us為同頻反相。不論 u2 與 us是正半周還是負半周 , 負載電阻 RL 兩端得到的輸出電壓 uL表達式總是為 )2(1 2 L L L RRn uRu uL的值反映位移 x 的大小 , 極性則反 映了位移 x 的方向。 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 4、 差動變壓式傳感器的

11、應用 當被測體帶動銜鐵以 x(t) 振動時 , 導 致差動變壓器的輸出電壓也按相同規(guī)律 變化 。 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 1懸梁臂； 2差動變壓器 圖 4-19 差動變壓器式加速度傳感器原理圖 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 差動變壓器傳感器的應用 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 差動變壓器式傳感器可直接用于位移測量 ， 也可以用來測量與位移有關的任何機械量 ， 如振動 ， 加速度 ， 應變等等 。 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 （ 1）壓差計 當壓差變化時，腔內(nèi)膜片位移使差動變 器次級電壓發(fā)生變化，輸出與位移成正 比，與壓差成正比。 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 （ 2

12、）液位測量 沉筒式液位計將水 位變 化轉(zhuǎn)換成位移變化，再 轉(zhuǎn)換為電感的變化，差 動變壓器的輸出反映液 位高低。 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 （ 3） 電感測厚儀 L1、 L2是電感器傳感器的兩個線圈作為 兩個橋臂； 四只二極管 D1-D4組成相敏整流器； RP1調(diào)零電位器 ， RP2調(diào)電流表 M滿度； 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 被測厚度正常時 電 橋平衡無電流，被 測厚度變化時電流 M表方向偏轉(zhuǎn)根據(jù) 電流方向確定銜鐵 移動方向。 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 微壓傳感器 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 4.1.3 電渦流式傳感器 法拉第電磁感應原理 , 塊狀金屬導體置于 變

13、化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運 動時 , 導體內(nèi)將產(chǎn)生感應電流 , 電渦流 , 稱 為電渦流效應 。 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 根據(jù)電渦流效應制成的傳感器稱為電渦流 式傳感器 。 分為高頻反射式和低頻透射式兩類 , 最大的特點是進行非接觸式連續(xù)測量 . 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 4.1.3.1 工作原理 根據(jù)法拉第定律 , 當傳感器線圈通以正弦交 變電流 時 , 線圈周圍空間必然產(chǎn)生正弦交變 磁場 , 使置于此磁場中的金屬導體中感應電 渦流 , 又產(chǎn)生新的交變磁場 。 根據(jù)愣 次定律 , 的作用將反抗原磁場 , 導致傳感 器線圈的等效阻抗發(fā)生變化 。 1 I 1 H 2 I

14、 2 I 2 H 2 H 1 H 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 ( , , , , )Z F r f x 圖 4-20 電渦流傳感器原理圖 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 傳感器線圈受電渦流影響時的等效阻抗 Z 的函數(shù)關系式為 Z = F（ , ,r ,f ,x） r 線圈與被測體的尺寸因子 . 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 保持上式中其它參數(shù)不變 , 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 。 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 4.

15、1.3.2 基本特性 模型中把在被測金屬導體上形成的電渦 流等效成一個短路環(huán) , h由以下公式求得 2 1 0 )( fu h r 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 1傳感器線圈； 2短路環(huán)； 3被測金屬導體 圖 4 21 電渦流傳感器簡化模型 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 根據(jù)簡化模型 , 可畫出如圖所示等效電路 圖 。 圖中 R2為電渦流短路環(huán)等效電阻 , 其表達式為 i a r r h R ln 2 2 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 根據(jù)基爾霍夫第二定律 , 可列出如下方程： 1 1 1 1 2 2 1 2 2 1 2 2 0 R I j L I j L I U R I j M

16、I j L I 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 1傳感器線圈； 2電渦流短路環(huán) 圖 4-22 電渦流傳感器等效電路 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 解得等效阻抗 Z的表達式為 eqeq LjR L LR M LjR LR M R I U Z 22 2 22 2 22 122 2 22 2 22 1 1 1 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 線圈的等效品質(zhì)因數(shù) Q值 等效阻抗 Z,等效品質(zhì)因數(shù) Q,為電渦流基本特 性 。 eq eq R L Q 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 4.1.3.3 電渦流形成范圍 1. 電渦流的徑向形成范圍 電渦流密度是線圈與導體間距離 x的函數(shù)和沿 線圈半徑方

17、向 r的函數(shù) 。 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 電渦流徑向形成的范圍大約在傳感器線 圈外徑 ras的 1.8 2.5 倍范圍內(nèi) , 分布不均勻 電渦流密度在短路環(huán)半徑 r=0處為零。 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 圖 4-23 電渦流密度 J與半徑 r的關系曲線 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 電渦流最大值在 r=ras附近的一個區(qū)域內(nèi) 。 可以用平均半徑為 ras（ ras=（ ri+ra） /2） 的短路環(huán)來集中表示分散的電渦流 （ 圖中 陰影部分 ） 。 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 2. 電渦流強度與距離的關系 當 x改變時 , 電渦流密度發(fā)生變化 , 電 渦流強度隨距離

18、 x的變化而變化 。 電渦流強度為 )1( 2212 asrx xII 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 表明 : 電渦強度與距離 x呈非線性關系 , 隨著 x/ras的增加而減小 。 當測量位移時 , 在 x/ras1(一般取 0.05 0.15)的范圍才能得到較好的線性 和較高的靈敏度 。 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 圖 4-24 電渦流強度與距離歸一化曲線 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 3. 電渦流的軸向貫穿深度 由于趨膚效應 , 電渦流沿金屬導體縱向的 H1分布是不均勻的 , 分布按指數(shù)規(guī)律衰減 , 用下式表示： Jd =J0 e-d/h 密度主要分布在表面附近 。 4電感式

19、傳感器 傳感器原理及應用 3.1.3.4 電渦流傳感器測量電路 主要有調(diào)頻式 、 調(diào)幅式電路兩種 。 1 調(diào)頻式電路 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 圖 4-25 調(diào)頻式測量電路 （ a）測量電路框圖； （ b）振蕩電路 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 傳感器線圈接入 LC振蕩回路 ， 當傳感 器與被測導體距離 x改變時 ， 傳感器的 電感變化 ， 導致振蕩頻率的變化 ， 該變 化的頻率是距離 x的函數(shù) ， f L(x)， 可 由數(shù)字頻率計直接測量 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 振蕩器的頻率為 CxL f )(2 1 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 2 調(diào)幅式電路 由傳感器線圈 L、

20、電容器 C和石英晶體 組成的晶體振蕩電路。 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 圖 4-26 調(diào)幅式測量電路示意圖 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 石英晶體振蕩器起恒流源的作用 ， 給 諧振回路提供一個頻率 (fo)穩(wěn)定的激勵 電流 i。 LC回路輸出電壓為 U。 i。 f(Z) 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 L的數(shù)值隨距離 X的變化 ,輸出電壓隨 x而 變化 。 輸出電壓經(jīng)放大 、 檢波后 ， 由指示儀表 直接顯示出 x的大小 。 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 4.1.3.5 電渦流傳感器的應用 目前主要應用于測位移 、 振動 、 轉(zhuǎn)速 、 測 厚度 、 測材料 、 測溫度 、 電渦

21、流探傷 。 特點：做非接觸式測量 。 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 應用 （ 1）測厚 ：低頻透射式渦流厚度傳感器 高頻反射式渦流厚度傳感器 （ 2）測轉(zhuǎn)速 （ 3）測振動 （ 4）電渦流探傷 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 電渦流傳感器 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 低頻透射式渦流厚度傳感器 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 電渦流金屬板、帶材厚度測量 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 渦流非導電材料厚度測量 渦流軸心軌跡測量 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 渦流轉(zhuǎn)速測量 渦流振動測量 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 4.1.3.5 1. 低頻

22、透射式渦流厚度傳感器 在被測金屬的上方設有發(fā)射傳感器線圈 L1, 下方設有接收傳感器線圈 L2。 在 L1上加低 頻電壓 U1時 , 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)生感應電壓 U2。 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 將被測金屬板放入兩線圈之間 , 則 L1線圈 產(chǎn)生的磁通將導致在金屬板中產(chǎn)生電渦 流。 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 此時磁場能量受到損耗 , 到達 L2的磁通將 減弱為 , 使 L2產(chǎn)生的感應電壓 U2下降 。 金屬板越厚 , 渦流損失就越大 , U2電壓就 越小 .可根據(jù) U2電壓的大小得知被測金屬 板的厚度

23、. 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 圖 4-27 透射式渦流厚度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 2. 高頻反射式渦流厚度傳感器 兩傳感器的輸出電壓之和為 2Uo數(shù)值不變 。 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。 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 U經(jīng) 放大器放大后 , 通過指示儀表電路 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。 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 圖 4-28 高頻反射式渦流測厚儀測試系統(tǒng)圖 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 3. 電渦

24、流式轉(zhuǎn)速傳感器 在輸入軸上加工一鍵槽 , 在距輸入表面 d0 處設 置電渦流傳感器 , 輸入軸與被測旋轉(zhuǎn)軸相連 。 當被測旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時 , 輸出軸的距離發(fā)生 d0+d的變化 。 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 電渦流效應 , 這種變化將導致振蕩諧振回 路的品質(zhì)因素變化 , 使傳感器線圈電感隨 d的變化也發(fā)生變化 , 影響振蕩器的電壓 幅值和振蕩頻率 。 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 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 。 該信號由檢波器檢出電壓幅值的變化量 , 然后經(jīng)整形電路輸出脈沖頻率信號 fn 。 經(jīng)電路處理便可得到被測轉(zhuǎn)速 。 4電感式傳

25、感器 傳感器原理及應用 圖 4-29 電渦流式轉(zhuǎn)速傳感工作原理 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 探雷傳感器示意圖 軸向位移的監(jiān)測 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 振幅測量 a)徑向振動測量 b)長軸多線圈測量 c)葉片振動測 1-電渦流線 2-被測物 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 金屬鍍層厚度檢測 輸油管表面裂紋檢測 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 電渦流式通道安全檢查門電原理框圖 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 變磁阻式傳感器 工作原理 輸出特性 靈敏度 比較單線圈和差動兩種變間隙式電感傳感器的 特性 測量電路 有交流電橋式 、 交流變壓器式 以 及諧 振式等 變磁阻式傳感器的應用 差動變壓器式傳感器 零點殘余電壓 差動變壓器式傳感器測量電路 常常采用差動整流電路和相敏檢波電路。 小結(jié) 4電感式傳感器 傳感器原理及應用 差動變壓式傳感器的應用 電渦流效應 此傳感器可分為高頻反射式和低頻透射 式兩類 工作原理 基本特征 電渦流形成范圍 電渦流式傳感器的應用 低頻透射式渦 流厚度傳感器 高頻反射式渦流厚度傳感器 電渦流式 轉(zhuǎn)速傳感器