第五章 電感式傳感器

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1、第第5 5章章 電感式傳感器電感式傳感器 5.1 5.1 5.2 5.2 差動變壓器式傳感器差動變壓器式傳感器 5.3 5.3 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 電感傳感器（Inductance sensor）： 利用電磁感應(yīng)原理將被測非電量轉(zhuǎn)換成線圈自感系數(shù)L或互感系數(shù)M的變化，進(jìn)而由測量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量。 被測量被測量 自感自感L(L(互感互感M) UM) U（I I） 可用來測量位移、壓力、流量、振動等非電量信號。 各種電感式傳感器各種電感式傳感器 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 電感式浮球傳感器 5.1 變磁阻式傳感器 5.1.1 結(jié)構(gòu)與工

2、作原理 變磁阻式傳感器的結(jié)構(gòu)如圖 5.1.1 所示。它由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。 圖5.1.1 變磁阻式傳感器 S1l1L1W23l21線 圈 ；2鐵 芯(定 鐵 芯)；3銜 鐵(動 鐵 芯)S2 根據(jù)電感定義, 線圈中電感量可由下式確定: 5.1 變磁阻式傳感器 IWL式中式中: I: I通過線圈的電流通過線圈的電流; ; W W線圈的匝數(shù)線圈的匝數(shù); ; 穿過線圈的磁通。穿過線圈的磁通。 由磁路歐姆定律, 得 mRIW式中：式中： R Rm m為磁路總磁阻。為磁路總磁阻。 兩式聯(lián)立得兩式聯(lián)立得: : mRWL2(5-1) 5.1 變磁阻式傳感器 對于空氣間隙很小的時候可以認(rèn)為氣隙中的磁

3、場是均勻的。若忽略磁路磁損, 則磁路總磁阻為 (5-2) 002221112SSlSlRm式中式中: : 11鐵芯材料的磁導(dǎo)率鐵芯材料的磁導(dǎo)率; 2; 2銜鐵材料的磁導(dǎo)率銜鐵材料的磁導(dǎo)率; ; 00空氣的磁導(dǎo)率空氣的磁導(dǎo)率; l1; l1磁通通過鐵芯的長度磁通通過鐵芯的長度; ; l2l2磁通通過銜鐵的長度磁通通過銜鐵的長度; S0; S0氣隙的截面積氣隙的截面積; ; S1S1鐵芯的截面積鐵芯的截面積; S2; S2銜鐵的截面積銜鐵的截面積; ; 氣隙的厚度。氣隙的厚度。 5.1 變磁阻式傳感器 通常氣隙磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻, 即 222001110022SlSSlS則式(5-2)可近

4、似為 002SRm綜上，則(5-1)變?yōu)?20022SWRWLm5.1 變磁阻式傳感器 上式表明: 當(dāng)線圈匝數(shù)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)致電感變化。 因此變磁阻式傳感器又可分為變氣隙厚度，變磁導(dǎo)率和變氣隙面積S0 變氣隙厚度 5.1 變磁阻式傳感器 5.1 變磁阻式傳感器 變氣隙面積式 5.1 變磁阻式傳感器 測量原理：測量原理： 鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料如硅鋼片或坡莫合金制成；在鐵芯和銜鐵之間有氣隙,氣隙厚度為,傳感器的運動部分與銜鐵相連。當(dāng)銜鐵移動時, 氣隙厚度發(fā)生改變, 引起磁路中磁阻變化, 從而導(dǎo)致電感線圈的電感值變化, 因此只要能測出這種電感量

5、的變化, 就能確定銜鐵位移量的大小和方向。 使用最廣泛的是變氣隙厚度變氣隙厚度式電感傳感器式電感傳感器。 5.1 變磁阻式傳感器 5.1.2 輸出特性分析 由式 20022sWRWLm可知L與之間是非線性關(guān)系，特性曲線如圖5.1.2所示。 圖5.1.2 變隙式電壓傳感器的L-特性 5.1 變磁阻式傳感器 設(shè)電感傳感器初始?xì)庀稙?，初始電感量為L0，銜鐵位移引起的氣隙變化量為。當(dāng)銜鐵處于初始位置時，初始電感量為： 020002WSL 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，代入上式 5.1 變磁阻式傳感器 整理得 00000201)(2LSWLLL當(dāng)/01時，可將

6、上式用Taylor級數(shù)展開成如下的級數(shù)形式： 30200001LLLL5.1 變磁阻式傳感器 由上式可求得電感增量L和相對增量L/L0的表達(dá)式，即： (5-3) 200002000011LLLL5.1 變磁阻式傳感器 同理，當(dāng)銜鐵隨被測體的初始位置向下移動時，有 (5-4) 3020000302000011LLLL5.1 變磁阻式傳感器 對式(5-3)、(5-4)作線性處理，即忽略高次項后，得： 00LL 可得靈敏度為 000LLK 若只考慮二次項誤差，則其線性度為 %10005.1 變磁阻式傳感器 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, 所以變隙式電感傳感器用于測量

7、微小位移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。 5.1 變磁阻式傳感器 圖 5.1.3 所示為差動變隙式電感傳感器的原理結(jié)構(gòu)圖。 L1L2RoRo12213sUoU圖5.1.3 差動變隙式電感傳感器 1鐵芯 2線圈 3銜鐵 5.1 變磁阻式傳感器 由圖可知, 差動變隙式電感傳感器由兩個相同的電感線圈L1、L2和磁路組成。 測量時, 銜鐵通過導(dǎo)桿與被測位移量相連, 當(dāng)被測體上下移動時, 導(dǎo)桿帶動銜鐵也以相同的位移上下移動, 使兩個磁回路中磁阻發(fā)生大小相等、方向相反的變化, 導(dǎo)致一個線圈的電感量增加, 另一個線圈的電感量減小, 形成差動形式。

8、5.1 變磁阻式傳感器 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（5-3）及式（5-4）表示, 當(dāng)差動使用時, 兩個電感線圈接成交流電橋的相鄰橋臂, 另兩個橋臂由電阻組成, 電橋輸出電壓與L有關(guān), 其具體表達(dá)式為 21LLL.)()(1 2402000L 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: 5.1 變磁阻式傳感器 對上式進(jìn)行線性處理，忽略高次項得 002LL靈敏度K0為 0002LLK%10020線性度為 5.1 變磁阻式傳感器 差動式比單線圈式的靈敏度高一倍。 差動式的非線性項等于單線圈非線性項乘以（/0）因子, 因為（/0） 1, 所以,

9、差動式的線性度得到明顯改善。 為了使輸出特性能得到有效改善, 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。 5.1 變磁阻式傳感器 電感式傳感器的測量電路有交流電橋式、交流變壓器式以及諧振式等幾種形式。 5.1.3 信號調(diào)節(jié)電路 1. 1.電感式傳感器的等效電路電感式傳感器的等效電路 從電路角度看，電感式傳感器的線圈并非是純電感，該電感由有功分量和無功分量兩部分組成。 5.1 變磁阻式傳感器 有功分量包括：線圈線繞電阻、渦流損耗電阻及磁滯損耗電阻，這些都可折合成為有功電阻R； 無功分量包含：線圈自感L, 繞線間分布電容C。 綜上可得其等效電路如圖5.1.4所示。

10、 圖5.1.4 電感式傳感器的等效電路 RCLZ圖5.1.4中，L為線圈的自感，R為折合有功電阻的總電阻，C為并聯(lián)寄生電容。 上圖的等效線圈阻抗為 CjLjRCjLjRZ )(將上式有理化并應(yīng)用品質(zhì)因數(shù)Q=L/R，可得 22222222222)1 (1)1 (QLCLCQLCLCLjQLCLCRZ5.1 變磁阻式傳感器 表示線圈損耗，Q越高，損耗越小，效率越高 則 令 LjRZ 從以上分析可以看出，并聯(lián)電容的存在，使有效串聯(lián)損耗電阻及有效電感增加，而有效Q值減小。 見書P113的式(6-19)，傳感器的有效靈敏度卻提高了 5.1 變磁阻式傳感器 當(dāng)品質(zhì)因數(shù)Q較高且2LC U68 ，則U20；而

11、當(dāng)銜鐵在零位以下時，則有U24U68，則U20時, u2與us同頻同相, 當(dāng)位移x0時,u2與us為同頻同相,當(dāng)u2與us均為正半周時,見圖5.2.7(a), 環(huán)形電橋中二極管VD1、D4截止, VD2、VD3導(dǎo)通, 則可得圖5.2.7(b)的等效電路。 5.2 差動變壓器式傳感器 根據(jù)變壓器的工作原理，考慮到O、M分別為變壓器T1、T2的中心抽頭，則 12222122122nuuunuuusss式中，n1 , n2分別為變壓器T1、T2的變壓比。 5.2 差動變壓器式傳感器 x0： u2與us同頻同相，二者均為正半周時，由圖5.2.7（b），利用電路分析中的疊加定理，可得： )2(12LLo

12、RRnuRu u2與us均為負(fù)半周時，由圖5.2.7（c）可得輸出電壓uo表達(dá)式與正半周相同。 結(jié)論：只要位移x0，不論u2與us是正半周還是負(fù)半周，負(fù)載電阻RL兩端得到的電壓uo始終為正。 5.2 差動變壓器式傳感器 x0： u2與us為同頻反相。采用上述相同的分析方法不難得到當(dāng)x0時，不論u2與us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uo表達(dá)式總是為 )2(12LLoRRnuRu 所以上述相敏檢波電路輸出電壓uo的變化規(guī)律充分反映了被測位移量的變化規(guī)律, 即uo的值反映位移x的大小, 而u0的極性則反映了位移x的方向。 5.2 差動變壓器式傳感器 下圖是用于小位移測量的差動相

13、敏檢波電路工作原理。 5.2 差動變壓器式傳感器 5.2.4. 差動變壓器式傳感器的應(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、張力和厚度等。 5.2 差動變壓器式傳感器 它可以作為精密測量儀的主要部件，對零件進(jìn)行多種精密測量工作，如內(nèi)徑、外徑、不平行度、粗糙度、不垂直度、振擺、偏心和橢圓度等；作為軸承滾動自動分選機(jī)的主要測量部件，可以分選大、小鋼球、圓柱、圓錐等；用于測量各種零件膨脹、伸長、應(yīng)變等。 圖為測量液位的原理圖。 當(dāng)某一設(shè)定液位使鐵芯處于中心位置時，差動變壓器輸出信號Uo=0；當(dāng)液位上升或下降時，Uo0，通過相應(yīng)的測量

14、電路便能確定液位的高低。 1 1位移測量位移測量 5.2 差動變壓器式傳感器 5.2 差動變壓器式傳感器 2 2振動和加速度測量振動和加速度測量 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。 此時傳感器作為加速度測量中的慣性元件，它的位移與被測加位移與被測加速度成正比速度成正比，使加速度測加速度測量轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰频臏y量量轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰频臏y量。 11B2Ax(t)1懸 臂 梁 ；2差 動 變 壓 器1-懸臂梁；2-差動變壓器 差動變壓器加速度計結(jié)構(gòu) 5.2 差動變壓器式傳感器 3 3壓力測量壓力測量 差動變壓器和彈性敏感元件組合，可以組成開環(huán)壓力傳感器。由于差動變壓器

15、輸出是標(biāo)準(zhǔn)信號，常稱為變送器。 這種微壓力變送器，經(jīng)分檔可測(4+6)104 N/m2的壓力，輸出信號電壓為050mV，精度1.0級、1.5級。 外力作用下，變形使差動變壓器的鐵芯微位移，變壓器次極產(chǎn)生相應(yīng)電信號。 5.2 差動變壓器式傳感器 4. 4.電感式滾珠直徑分選裝置電感式滾珠直徑分選裝置 5.2 差動變壓器式傳感器 1.差動螺線管式電感傳感器主要由兩個 的螺線管連接， 初始狀態(tài)處于對稱位置組成，因而兩個螺線管的初始 相等。 2. 通常用差動螺線管式傳感器測量（ ） A、電壓 B、磁場強(qiáng)度 C、位移 D、壓力 3. 差動螺線管式電感傳感器的配用測量電路有（ ） A、直流電橋 B、變壓器

16、式交流電橋 C、帶相敏整流的交流電橋 D、運算放大器電路 4. 螺線管式差動變壓器傳感器主要由 、 和 組成。 差動連接 鐵芯 電感 C C 活動銜鐵 導(dǎo)磁外殼 骨架 5. 把被測非電量的變化轉(zhuǎn)換成線圈互感變化的互感式傳感器是根據(jù) 的基本原理制成的，其二次繞組都用 形式連接，所以又叫差動變壓器式傳感器。 6. 螺線管式差動變壓器傳感器在活動銜鐵位于 位置時，輸出電壓應(yīng)該為零，實際不為零，稱它為 。 7. 減少螺線管式差動變壓器傳感器零點殘余電壓最有效的辦法是盡可能保證傳感器 、 和 相互對稱。 變壓器 差動 中心 零點殘余電壓 采用適當(dāng)?shù)臏y量電路 采用補(bǔ)償線路 次級繞組結(jié)構(gòu)的 5.3 電渦流式

17、傳感器 由法拉第電磁感應(yīng)原理可知： 一個塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場中或在磁場中作用切割磁力線運動時，導(dǎo)體內(nèi)部會產(chǎn)生一圈圈閉和的電流，這種電流叫電渦流，這種現(xiàn)象叫做電電渦流效應(yīng)渦流效應(yīng)。 電渦流傳感器能夠?qū)Ρ粶y量進(jìn)行非接觸測量；具有體積小, 靈敏度高, 頻率響應(yīng)寬等特點, 應(yīng)用極其 根據(jù)電渦流效應(yīng)制成的傳感器稱為電渦流式傳感器。 5.3 電渦流式傳感器 5.3.1 工作原理 圖 5.3.1 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)體中感應(yīng)電渦流I2，I

18、2又產(chǎn)生新的交變磁場H2。根據(jù)楞次定律，H2的作用將反作用于原磁場H1，由于磁場H2的作用，渦流要消耗一部分能量，導(dǎo)致傳感器線圈的等效阻抗發(fā)生變化。 5.3 電渦流式傳感器 圖5.3.1 電渦流式傳感器的原理圖 5.3 電渦流式傳感器 實驗證明，電渦流效應(yīng)的影響因子： （1）被測體：電阻率、磁導(dǎo)率以及幾何形狀； （2）線圈：激磁電流頻率f； （3）線圈與導(dǎo)體間的距離x。 因此，傳感器線圈受電渦流影響時的等效阻抗Z的函數(shù)關(guān)系式為： Z=F(,r, f , x) 尺寸因子 5.3 電渦流式傳感器 5.3.2 基本特性 電渦流傳感器簡化模型如圖5.3.2。 ras1xhrari(r)231 傳感器線

19、圈2 短路環(huán)3 被測金屬導(dǎo)體圖5.3.2 電渦流式傳感器簡化模型 模型中把在被測金屬導(dǎo)體上形成的電渦流等效成一個短路環(huán) 5.3 電渦流式傳感器 電渦流傳感器簡化模型的等效電路如圖5.3.3所示。 1UL1L212R1R2M2I1I1傳 感 器 線 圈 ；2電 渦 流 短 路 環(huán)圖中R2為電渦流短路環(huán)等效電阻, 其 iarrhRln22圖5.3.3 電渦流式傳感器等效電路圖 5.3 電渦流式傳感器 根據(jù)基爾霍夫定律, 可列出如下方程： 022221121111ILjIRIMjUIMjILjIR由上述方程組可解得等效阻抗等效阻抗Z Z的表達(dá)式為的表達(dá)式為 eqeqLjRLLRMLjRLRMRIUZ

20、222222221222222221115.3 電渦流式傳感器 式中：Req線圈受電渦流影響后的等效電阻等效電阻 Leq線圈受電渦流影響后的等效電感等效電感 線圈的等效品質(zhì)因數(shù)Q值為： 222222221RLRMRReq222222221LLRMLLeqeqeqRLQ5.3 電渦流式傳感器 5.3.3 電渦流形成范圍 電渦流密度既是線圈與導(dǎo)體間距離距離x x的函數(shù)，又是沿線圈半徑方向半徑方向r r的函數(shù)，即，即J=J(x,r)J=J(x,r)。 當(dāng)x一定時，電渦流密度J與半徑r的關(guān)系曲線如圖5.3.4所示。 圖中J0為金屬導(dǎo)體表面電渦流密度最大值。Jr為半徑r處的金屬導(dǎo)體表面電渦流密度。 1.

21、電渦流的徑向形成范圍電渦流的徑向形成范圍 5.3 電渦流式傳感器 圖5.3.4 電渦流密度J與半徑r的關(guān)系曲線 Jr /J01.00.80.60.40.232101233r/ri2hxriraras12 等效短路環(huán) 1 電渦流線圈 3 電渦流密度分布 5.3 電渦流式傳感器 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0.51.5 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）的短路環(huán)來集中表示分散的電渦流（圖中陰影部分）。 5.3 電渦流式傳感器 2.

22、 2. 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（用等效電流I2表示）與線圈-金屬塊間距x的關(guān)系如下： 22121asrxxII線圈到金屬導(dǎo)體表面距離 線圈激勵電流 線圈外徑 電渦流強(qiáng)度 5.3 電渦流式傳感器 上式可用歸一化曲線圖5.3.5表示。 1.00.80.60.40.20123456I2 / I1x / ras圖5.3.5 電渦流強(qiáng)度與距離歸一化曲線 電渦流強(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/ras1(一般取0.050.15)的條件下才能得到較好的線性和較高的靈敏度。 貫穿深度：電渦流強(qiáng)度減小

23、到表面處1/e時的厚度。 金屬導(dǎo)體有趨膚效應(yīng)，電磁場不能穿過導(dǎo)體的無限厚度，僅作用于表面薄層和一定的徑向范圍內(nèi)，且渦流強(qiáng)度隨導(dǎo)體厚度的增加按指數(shù)規(guī)律下降。 電流密度按指數(shù)衰減的分布規(guī)律可表示如下： 5.3 電渦流式傳感器 3. 3. 電渦流的軸向貫穿深度電渦流的軸向貫穿深度 hddeJJ/05.3 電渦流式傳感器 模型中假設(shè)電渦流僅分布在環(huán)體之內(nèi), 模型中電渦流的貫穿深度h由以下公式求得 fhr0其中其中 0真空磁導(dǎo)率，真空磁導(dǎo)率， r相對磁導(dǎo)率相對磁導(dǎo)率 電阻率，電阻率，f線圈激磁電流的頻率線圈激磁電流的頻率 圖5.3.6 電渦流密度軸向分布曲線 JdJ0 / eohdJ05.3 電渦流式傳

24、感器 由h表達(dá)式知，傳感器線圈激磁電流頻率和電渦流貫穿深度h成反比。因此渦流式傳感器主要有兩種類型：高頻反射式（應(yīng)用廣泛）和低頻透射式。故透射式電渦流傳感器一般都采用低頻激勵，而反射式電渦流傳感器采用高頻激勵。 5.3 電渦流式傳感器 5.3.4 用于電渦流傳感器的測量電路主要有調(diào)頻式、調(diào)幅式電路兩種。 1. 1. 調(diào)頻式電路調(diào)頻式電路 傳感器線圈接入LC振蕩回路，當(dāng)傳感器與被測導(dǎo)體距離x改變時，在渦流影響下，傳感器的(阻抗)電感變化，將導(dǎo)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)，該頻率可由數(shù)字頻率計直接測量，或者通過F-V變換，用數(shù)字電壓表測量對應(yīng)的電壓。 LCf 21 5.

25、3 電渦流式傳感器 頻 率 計f-V電 壓 表振蕩器CLx(a)R1R2C1R3R4C2C3C4R5C6R6C5CL(x)Vcc(b)L1V1V2f圖5.3.7 調(diào)頻式測量電路 (a) 測量電路框圖； (b) 振蕩電路 TC1C2LC3ReRb2CbRb1Rc共基極接法共基極接法VCCLC3C1C2CiCoT5.3 電渦流式傳感器 2. 2. 調(diào)幅式電路調(diào)幅式電路 石英晶體振蕩電路如圖5.3.8所示。 放 大檢 波指 示RioLCUo圖5.3.8 調(diào)幅式測量電路示意圖 注：這是一個并聯(lián)諧注：這是一個并聯(lián)諧振電路，諧振時呈現(xiàn)振電路，諧振時呈現(xiàn)的是高阻抗特性。的是高阻抗特性。 5.3 電渦流式傳感

26、器 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（f0）穩(wěn)定的激勵電流i0，LC回路輸出電壓 式中, Z為LC回路的阻抗。 foUZRZU5.3 電渦流式傳感器 當(dāng)金屬導(dǎo)體遠(yuǎn)離或被去掉時，LC并聯(lián)諧振回路諧振頻率即為石英振蕩頻率f0，回路呈現(xiàn)的阻抗最大，諧振回路上的輸出電壓也最大；當(dāng)金屬導(dǎo)體靠近傳感器線圈時，由于電渦流效應(yīng)，線圈的等效電感L發(fā)生變化，導(dǎo)致回路失諧，從而使輸出電壓降低，因此， L的數(shù)值隨距離x的變化而變化；輸出電壓也隨x而變化。輸出電壓經(jīng)過放大、檢波后，由指示儀表直接顯示出x的大小。 檢測深度：由于電渦流只能檢測導(dǎo)體表面的各種物理參數(shù)。改變f，可控制檢測深度。激勵源頻率設(shè)

27、定在100KHz1MHz。頻率越低，檢測深度越深。 間距x的測量：如果控制阻抗Z表達(dá)式中的其它參量不變，電渦流線圈的阻抗Z就成為間距x的單值函數(shù)，這樣就成為非接觸測量位移的傳感器。 其它用途：如果控制f，x不變，就可以用來檢測與表面電導(dǎo)率有關(guān)的表面溫度，表面裂紋等參數(shù)，或者用來檢測與材料磁導(dǎo)率有關(guān)的材料型號、表面硬度等參數(shù)。 5.3 電渦流式傳感器 5.3.5 渦流式傳感器的應(yīng)用 5.3 電渦流式傳感器 1. 1.低頻透射式渦流厚度傳感器低頻透射式渦流厚度傳感器 圖5.3.9為透射式渦流厚度傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。 當(dāng)在L1上加低頻電壓Us時，L1上產(chǎn)生交變磁通1。若兩線圈間無金屬板，則交變磁通直

28、接耦合至L2中，L2產(chǎn)生感應(yīng)電壓U0。 5.3 電渦流式傳感器 L1L211sU0U圖5.3.9 透射式渦流厚度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖 如果將被測金屬板放入兩線圈之間，則L1線圈產(chǎn)生的磁場將導(dǎo)致在金屬板中產(chǎn)生電渦流，并將貫穿金屬板。此時磁場能量受到損耗，使到達(dá)L2的磁通將減弱為1，從而使L2產(chǎn)生的感應(yīng)電壓U0下降。 發(fā)射傳感器線圈 被測金屬板 接收傳感器線圈 金屬板越厚，渦流損失就越大，電壓U0就越小。因此，可根據(jù)U0電壓的大小得知被測金屬板的厚度。 透射式渦流厚度傳感器的檢測范圍可達(dá)1100 mm， 分辨率為0.1m，線性度為1%。 5.3 電渦流式傳感器 2. 2. 高頻反射式渦流厚度傳感器高頻

29、反射式渦流厚度傳感器 圖5.3.10 高頻反射式渦流測厚儀測試系統(tǒng)圖 厚 度 給 定 系 統(tǒng)S1檢 波比 較 電 壓檢 波S2加 法 器指 示 儀 表帶 材xx1x25.3 電渦流式傳感器 原理 在帶材的上、下兩側(cè)對稱設(shè)置兩個特性完全相同的渦流傳感器S1和S2。S1和S2與被測帶材表面之間的距離分別為x1和x2。 分析S1： 高頻信號施加于電感線圈S1上，線圈產(chǎn)生的高頻電磁場作用于金屬板的上表面。由于趨膚效應(yīng)，高頻電磁場不能透過具有一定厚度的金屬板，而僅作用于上表面的薄層內(nèi)。 5.3 電渦流式傳感器 金屬板上表面感應(yīng)的渦流所產(chǎn)生的電磁場反作用于線圈，使其電感量發(fā)生變化，而該電感量與距離x1有關(guān)

30、。測出電感即可得距離x1。 同理可得下面的線圈S2與被側(cè)件下表面的距離x2。 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=常數(shù)的關(guān)系存在，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一個，兩傳感器輸出電壓此時為2UoU。 U經(jīng)放大器放大后，通過指示儀表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。 5.3 電渦流式傳感器 5.3 電渦流式傳感器 3. 3. 圖5.3.11所示為電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器工作原理圖。 在軟磁材料制成的輸入軸上加工一鍵槽，在距輸入表面d0處設(shè)置電渦流傳感器， 輸

31、入軸與被測旋轉(zhuǎn)軸相連。 轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動到鍵槽時： 傳感器與輸入軸的距離變?yōu)閐0+d，傳感器線圈阻抗隨之變化，從而使振蕩器的振蕩頻率發(fā)生變化。該頻率將反映轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速。 5.3 電渦流式傳感器 振蕩器高頻放大器檢波器整形電路d輸 入 軸d0傳 感 器fn圖5.3.11 電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器工作原理圖 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 000r/min（即每分鐘60萬轉(zhuǎn)）。 5.3 電渦流式傳感器 5.3 電渦流式傳感器 5.3 電渦流式傳感器 5.3 電渦流式傳感器 5.3 電渦流式傳感器 大直徑電渦流探雷器 電渦流探頭外形

32、 5.3 電渦流式傳感器 渦流探傷儀 渦流探傷儀是一種無損檢測裝置，用于探測金屬導(dǎo)體材料表面或近表面裂紋、熱處理裂紋以及焊縫裂紋等缺陷。測試時，傳感器與被測物體距離保持不變，遇有裂紋時，金屬的電阻率，磁導(dǎo)率發(fā)生變化，裂縫處也有位移量的改變，結(jié)果使傳感器的輸出信號也發(fā)生變化。 掌上型電渦流探傷儀 5.3 電渦流式傳感器 5.3 電渦流式傳感器 本章要點：本章要點： 變磁阻式傳感器（自感式）工作原理、測量電路（轉(zhuǎn)換電路）； 差動變壓器式傳感器（互感式）工作原理、等效電路及測量電路； 零點殘余電壓的影響和補(bǔ)償； 電渦流傳感器的工作原理及應(yīng)用. 3.差動變壓器式傳感器有幾種結(jié)構(gòu)形式？零點殘余電壓產(chǎn)生的

33、原因是什么？怎樣減小和消除它的影響？ 2.比較差動式自感傳感器和差動變壓器在結(jié)構(gòu)上及工作原理上的異同之處 4.什么叫電渦流效應(yīng)?電渦流的形成范圍包括哪些內(nèi)容？電渦流傳感器常用測量電路有幾種？高頻反射和低頻透射的測量原理如何？ 1.試分析變磁阻式自感傳感器、差動變壓器式互感傳感器和渦流傳感器的工作原理 5. 利用電渦流式傳感器測板材厚度，已知激勵頻率f=1MHZ，被測材料相對磁導(dǎo)率 ur=1，電阻率=2.9*10-6cm，被測板材厚度為1.2mm。(0=4*10-7H/m) （1）計算采用高頻反射法測量時，渦流穿透深度h為多大？ （2）能否采用低頻投射法測板厚？若可以需要采取什么措施？ mfhr

34、7 .851011104109 . 26780（1）采用高頻反射法測厚： 可見渦流穿透深度很淺。 （2）采用低頻透射法測厚，必須使渦流穿透深度大于板材厚度1.2mm，這里，都是常數(shù)，故需要降低激勵頻率。 mmfhr2 . 10kHztfr1 . 5206、如圖所示氣隙型電感傳感器，鐵芯截面積s=4*4mm2，氣隙總長度=0.8mm，銜鐵最大位移=0.08mm，激勵線圈匝數(shù)W=2500匝，導(dǎo)線直徑d=0.06mm，電阻率=1.75*10-6 cm，當(dāng)激勵電源頻率f=4000Hz時，忽略漏磁及鐵損，求： （1）線圈電感值；（2）電感的最大變化量；（3）線圈的直流電阻值；（4）線圈的品質(zhì)因數(shù)（5）當(dāng)線圈存在200pF分布電容與之并聯(lián)后其等效電感值