傳感器原理及檢測(cè)技術(shù)PPT電子課件教案第三章 電感式傳感器

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1、1壓磁式壓磁式234IN L MRIN MRNL2線圈線圈鐵芯鐵芯銜鐵銜鐵圖圖3-1 3-1 電感式傳感器電感式傳感器5RRRFM222111ALALRFAR02RRF2202ANRNL6圖圖3-1 3-1 電感式傳感器電感式傳感器線圈線圈鐵芯鐵芯銜鐵銜鐵78圖圖3-2 3-2 變截面式傳感器變截面式傳感器線圈線圈鐵芯鐵芯銜鐵銜鐵銜鐵移動(dòng)方向銜鐵移動(dòng)方向9，ALL= f (A)L= f ()圖圖3-3 3-3 電感傳感器特性電感傳感器特性1000220ANL 銜鐵下移銜鐵下移 0,00000112222ANANLLL122200002AN00L0000111LL3.1.2 3.1.2 變氣隙式

2、自感傳感器的輸出特性變氣隙式自感傳感器的輸出特性LL銜鐵銜鐵11忽略高次項(xiàng)：忽略高次項(xiàng)： 001LL00LLK.3020001LL時(shí)，當(dāng) 1012銜鐵上移銜鐵上移 0,00L.LL 3020002時(shí)，當(dāng) 10忽略高次項(xiàng)：忽略高次項(xiàng)： 002LL00000222222ANANLLL131415圖圖3-4 3-4 差動(dòng)式自感傳感器差動(dòng)式自感傳感器1-1-線圈線圈 2-2-鐵芯鐵芯 3-3-銜鐵銜鐵 4-4-導(dǎo)桿導(dǎo)桿（a a） 變氣隙型變氣隙型432131412344（b b） 變面積型變面積型 （c c） 螺管型螺管型16變氣隙型差動(dòng)式自感傳感器變氣隙型差動(dòng)式自感傳感器 .LL32000011 .

3、LL30200021銜鐵下移：銜鐵下移： )(ANL00122)(ANL0022217002LK .LLLL530000122.2530000012LLLLL181920螺管式自感傳感器螺管式自感傳感器 它由平均半徑為r的螺管線圈螺管線圈、銜鐵銜鐵和磁性套筒磁性套筒等組成。隨著銜鐵插入深度的不同引起線圈泄漏路徑中磁阻變化，從而使線圈的電感發(fā)生變化。21螺管式自感傳感器螺管式自感傳感器)H(lANL72104特點(diǎn)特點(diǎn)：測(cè)量范圍大，數(shù)百毫米，靈敏度低，大量：測(cè)量范圍大，數(shù)百毫米，靈敏度低，大量程直線位移。程直線位移。 差動(dòng)螺管式自感傳感器差動(dòng)螺管式自感傳感器測(cè)量范圍測(cè)量范圍 1 200mm1 20

4、0mm線性度線性度 0.1% 1%0.1% 1%分辨率分辨率 0.01um 0.01um 22圖圖3-6 等效電路等效電路ZCLRcRe23ZZUUAC2002LjRLjRUSSAC圖圖3-7 交流電橋交流電橋ZLR1R2Z2Z1ACU0U2400ACUU對(duì)差動(dòng)變氣隙式自感傳感器：對(duì)差動(dòng)變氣隙式自感傳感器：002LL值很高時(shí)：當(dāng)自感線圈的品質(zhì)因數(shù)SRL Q020LLUUAC2575502505075100L/mHl/mm10025LD43211234- l l262 2、變壓器式交流電橋、變壓器式交流電橋27圖圖3-8 3-8 變壓器交流電橋變壓器交流電橋Z1Z2IABCD2ACU2ACU0U

5、ACAUZZZU212ACAUZZZU211B B點(diǎn)電位為點(diǎn)電位為2ACBUU211202ZZZZUUUUUACBAAB28初始位置初始位置 ZZZ210ABU銜鐵下移銜鐵下移 ZZZ2ZZZ1212102ZZZZUUUUUACBAABLjRLjUZZUZZZZUUACACAC2222121029銜鐵上移銜鐵上移 ZZZ1ZZZ2）（183 20LLUUACABLjRLjUZZUZZZZUUACACAC2222121103031圖圖3-9 3-9 緊耦合電感臂電橋緊耦合電感臂電橋L LL LZ1Z20UACU0U321 初級(jí)線圈初級(jí)線圈;2.3次級(jí)線圈次級(jí)線圈;4銜鐵銜鐵1243(a)氣隙型氣

6、隙型123(b)螺管型螺管型433(e)、(f) 變面積變面積式差動(dòng)變壓器式差動(dòng)變壓器 (a)、(b) 變隙式差動(dòng)變壓器變隙式差動(dòng)變壓器(c)、(d) 螺線管式差動(dòng)變壓螺線管式差動(dòng)變壓器器3435螺管型差動(dòng)變壓器根據(jù)初、次級(jí)排列不同有二螺管型差動(dòng)變壓器根據(jù)初、次級(jí)排列不同有二節(jié)式、三節(jié)式、四節(jié)式和五節(jié)式等形式。節(jié)式、三節(jié)式、四節(jié)式和五節(jié)式等形式。圖圖3-10 3-10 差動(dòng)變壓器線圈各種排列形式差動(dòng)變壓器線圈各種排列形式1 1 初級(jí)線圈；初級(jí)線圈；2 2 次級(jí)線圈；次級(jí)線圈；3 3 銜鐵銜鐵(a) (a) 二節(jié)式二節(jié)式 (b) (b) 三節(jié)式三節(jié)式 (c) (c) 四節(jié)式四節(jié)式 (d) (d)

7、 五節(jié)式五節(jié)式31121 2112212123三節(jié)式的零點(diǎn)電位較小，二節(jié)式比三節(jié)式靈敏度三節(jié)式的零點(diǎn)電位較小，二節(jié)式比三節(jié)式靈敏度高、線性范圍大，四節(jié)式和五節(jié)式改善了傳感器高、線性范圍大，四節(jié)式和五節(jié)式改善了傳感器線性度。線性度。36差動(dòng)變壓器的等效電路差動(dòng)變壓器的等效電路LPRS2LS1M1M2LS2RS1RPiU0U差動(dòng)變壓器工作在理想情況下（差動(dòng)變壓器工作在理想情況下（忽略渦流損耗、忽略渦流損耗、磁滯損耗和分布電容等影響磁滯損耗和分布電容等影響）時(shí)的等效電路：）時(shí)的等效電路：MM1 1、MM2 2初級(jí)繞組與初級(jí)繞組與兩個(gè)次級(jí)繞組間的互感；兩個(gè)次級(jí)繞組間的互感；L LP P、R RP P初

8、級(jí)繞組的電初級(jí)繞組的電感和有效電阻；感和有效電阻；L LS1S1、L LS2S2兩個(gè)次級(jí)繞兩個(gè)次級(jí)繞組的電感；組的電感；R RS1S1、R RS2S2兩個(gè)次級(jí)繞兩個(gè)次級(jí)繞組的有效電阻；組的有效電阻；37當(dāng)當(dāng)銜鐵移向次級(jí)繞組銜鐵移向次級(jí)繞組L LS1S1一邊一邊，互感，互感MM1 1增增大，大，MM2 2減小，因而次級(jí)繞組減小，因而次級(jí)繞組L LS1S1內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大于次級(jí)繞組勢(shì)大于次級(jí)繞組L LS2S2內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這時(shí)差動(dòng)內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這時(shí)差動(dòng)變壓器輸出電動(dòng)勢(shì)不為零。在傳感器的量程內(nèi)，變壓器輸出電動(dòng)勢(shì)不為零。在傳感器的量程內(nèi)，銜鐵位移越大，差動(dòng)輸出電動(dòng)勢(shì)就越大。銜鐵位移越大

9、，差動(dòng)輸出電動(dòng)勢(shì)就越大。當(dāng)當(dāng)銜鐵移向次級(jí)繞組銜鐵移向次級(jí)繞組L LS2S2一邊一邊，差動(dòng)輸出電，差動(dòng)輸出電動(dòng)勢(shì)仍不為零，但由于移動(dòng)方向改變，所以輸動(dòng)勢(shì)仍不為零，但由于移動(dòng)方向改變，所以輸出電動(dòng)勢(shì)反相。出電動(dòng)勢(shì)反相。因此因此通過(guò)差動(dòng)變壓器輸出電動(dòng)勢(shì)的大小和通過(guò)差動(dòng)變壓器輸出電動(dòng)勢(shì)的大小和相位可以知道銜鐵位移量的大小和方向相位可以知道銜鐵位移量的大小和方向。 38當(dāng)次級(jí)開路時(shí)，初級(jí)繞組的交流電流為：當(dāng)次級(jí)開路時(shí)，初級(jí)繞組的交流電流為：PP.iP.LjRUI次級(jí)繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：次級(jí)繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：.P.IMjU11.P.IMjU22由于次級(jí)繞組反向串接，故差動(dòng)變壓器輸出電壓為由于次級(jí)繞組反向

10、串接，故差動(dòng)變壓器輸出電壓為19-4 LjRUMMjUPP.i21039其有效值為其有效值為22210PPiLRUMMU 鐵芯處于中間位置時(shí)，鐵芯處于中間位置時(shí)，MM1 1 = = M M2 2 = = MM，U U0 0 = 0 = 0 鐵芯上升時(shí)，鐵芯上升時(shí)，MM1 1= = M M + +MM，MM2 2= = M M - -MM LRMUUPPi2202 鐵芯下降時(shí)，鐵芯下降時(shí)，MM1 1 = = M M - -MM，MM2 2 = = M M +MM LRMUUPPi220240e21e22差動(dòng)變壓器輸出差動(dòng)變壓器輸出電勢(shì)電勢(shì)與銜鐵與銜鐵位移位移x x的關(guān)系。的關(guān)系。其中其中x x表

11、示銜鐵表示銜鐵偏離中心位置的偏離中心位置的距離。距離。 0 x圖圖3-123-12差動(dòng)變壓器輸出特性差動(dòng)變壓器輸出特性411 1、激勵(lì)電壓幅值與頻率的影響、激勵(lì)電壓幅值與頻率的影響激勵(lì)電源電壓幅值的波動(dòng)，會(huì)使線圈激勵(lì)磁激勵(lì)電源電壓幅值的波動(dòng)，會(huì)使線圈激勵(lì)磁場(chǎng)的磁通發(fā)生變化，直接影響輸出電勢(shì)。而頻率場(chǎng)的磁通發(fā)生變化，直接影響輸出電勢(shì)。而頻率的波動(dòng)，影響傳感器原邊阻抗，也影響輸出。的波動(dòng)，影響傳感器原邊阻抗，也影響輸出。3.2.2 3.2.2 差動(dòng)變壓器的輸出特性差動(dòng)變壓器的輸出特性422 2、溫度變化的影響、溫度變化的影響周圍環(huán)境溫度的變化，引起線圈及導(dǎo)磁周圍環(huán)境溫度的變化，引起線圈及導(dǎo)磁體磁導(dǎo)

12、率的變化，從而使線圈磁場(chǎng)發(fā)生變化體磁導(dǎo)率的變化，從而使線圈磁場(chǎng)發(fā)生變化產(chǎn)生溫度漂移。當(dāng)線圈品質(zhì)因數(shù)較低時(shí)，影產(chǎn)生溫度漂移。當(dāng)線圈品質(zhì)因數(shù)較低時(shí)，影響更為嚴(yán)重，因此，采用響更為嚴(yán)重，因此，采用恒流源恒流源激勵(lì)比恒壓激勵(lì)比恒壓源激勵(lì)有利。適當(dāng)提高線圈品質(zhì)因數(shù)并采用源激勵(lì)有利。適當(dāng)提高線圈品質(zhì)因數(shù)并采用差動(dòng)電橋可以減少溫度的影響。差動(dòng)電橋可以減少溫度的影響。 430 x441 1 基波正交分量基波正交分量(b)(b)波形分析波形分析13245UZtUiUZUt2 2 基波同相分量基波同相分量 3 3 二次諧波二次諧波4 4 三次諧波三次諧波 5 5 電磁干擾電磁干擾45464748U0+x-x210

13、相敏檢波后的輸出特性相敏檢波后的輸出特性49CR(a)1U0U50(b)CR1U0UCR(a)1U0U51R2WR1C(c)1U0ULW(d)1U0U52R2圖3-15 全波差動(dòng)整流電路電壓波形R1abhgcfde1U0UhgdcghdcUUUUU05354鐵芯在零位以上鐵芯在零位以上鐵芯在零位鐵芯在零位tttUdcUghU0Udc圖3-15 全波差動(dòng)整流電路電壓波形tttUghU0tttUdcUghU0鐵芯在零位以下鐵芯在零位以下圖圖3-14 3-14 全波差全波差動(dòng)整流電路動(dòng)整流電路55D2u1u2RRLRD3D1D4RRT1T2e1e21U2U56u1u2RRLRD3D2D1D4RRT1

14、T20U 12U57i4u1u2-R+RLRD3D2D1D4RRT1T2i3+-0U 12ULRRui14L3RRui258L2RRui1L1RRui2i1u1u2+R-RLRD3D2D1D4RRT1T2i2-+0U 12U59LRReui214L2RReui23D2i4u1u2-R+RLRD3D1D4RRT1T2i3+-0U 12Ue1e2-+-+60D2L121RReuiL112RReuii1u1u2+R-RLRD3D1D4RRT1T2i2-+0U 12Ue1e2+-+-61LRReui214L2RReui23D2i4u1u2-R+RLRD3D1D4RRT1T2i3+-0U 12Ue1e2

15、+-+-62L121RReuiL112RReui-+D2i1u1u2-R+RLRD3D1D4RRT1T2i2-0U 12Ue1e2+-63646566電感式傳感器的應(yīng)用電感式傳感器的應(yīng)用 1.差動(dòng)變壓器位移傳感器差動(dòng)變壓器位移傳感器67板的厚度測(cè)量板的厚度測(cè)量 68張力測(cè)量張力測(cè)量69力和壓力的測(cè)量力和壓力的測(cè)量70 振動(dòng)和加速度的測(cè)量振動(dòng)和加速度的測(cè)量71 液位液位測(cè)量測(cè)量72位移測(cè)量位移測(cè)量733.3電渦流式傳感器電渦流式傳感器 電渦流式傳感器是利用電渦流效應(yīng)進(jìn)行工作的。由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、頻響范圍寬、不受油污等介質(zhì)的影響，并能進(jìn)行非接觸測(cè)量，適用范圍廣，它一問(wèn)世就受到各國(guó)的重視。目前

16、，這種傳感器已廣泛用來(lái)測(cè)量位移、振動(dòng)、厚度、轉(zhuǎn)速、溫度、硬度等參數(shù)，以及用于無(wú)損探傷領(lǐng)域。74一一. .工作原理工作原理圖3.25電渦流式傳感器的基本原理75 如圖3.25所示，有一通以交變電流的傳感器線圈。由于電流的存在，線圈周圍就產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)H1。若被測(cè)導(dǎo)體置于該磁場(chǎng)范圍內(nèi)，導(dǎo)體內(nèi)便產(chǎn)生電渦流，也將產(chǎn)生一個(gè)新磁場(chǎng)H2，H2與H1方向相反，力圖削弱原磁場(chǎng)H1,從而導(dǎo)致線圈的電感、阻抗和品質(zhì)因數(shù)發(fā)生變化。這些參數(shù)變化與導(dǎo)體的幾何形狀、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、線圈的幾何參數(shù)、電流的頻率以及線圈到被測(cè)導(dǎo)體間的距離有關(guān)。如果控制上述參數(shù)中一個(gè)參數(shù)改變，余者皆不變，就能構(gòu)成測(cè)量該參數(shù)的傳感器。76圖3.2

17、6等效電路 為分析方便，我們將被測(cè)導(dǎo)體上形成的電渦流等效為一個(gè)短路環(huán)中的電流。這樣，線圈與被測(cè)導(dǎo)體便等效為相互耦合的兩個(gè)線圈，如圖3.26所示。設(shè)線圈的電阻為R1，電感為L(zhǎng)1，阻抗為Z1=R1+jL1；短路環(huán)的電阻為R2，電感為L(zhǎng)2；線圈與短路環(huán)之間的互感系數(shù)為M。 77 M隨它們之間的距離x減小而增大。加在線圈兩端的激勵(lì)電壓為U1。根據(jù)基爾霍夫定律，可列出電壓平衡方程組022221121111ILjIRIMjUIMjILjIR2222121222212222222212222222111)()()()(LRIMRjILMLRIMjILLRMLjRLRMRUI解之得78由此可求得線圈受金屬導(dǎo)體

18、渦流影響后的等效阻抗為2222222122222221)()(LRMLLjLRMRRZ線圈的等效電感為22222221)( LRMLLL79 由式(3-39)可見，由于渦流的影響，線圈阻抗的實(shí)數(shù)部分增大，虛數(shù)部分減小，因此線圈的品質(zhì)因數(shù)Q下降。阻抗由Z1變?yōu)閆，常稱其變化部分為“反射阻抗”。由式(3-39)可得22221222221201/1ZMRRZMLLQQ式中 無(wú)渦流影響時(shí)線圈的無(wú)渦流影響時(shí)線圈的Q Q值； 短路環(huán)的阻抗。短路環(huán)的阻抗。110/RLQ222222LRZ80 Q值的下降是由于渦流損耗所引起，并與金屬材料的導(dǎo)電性和距離x直接有關(guān)。當(dāng)金屬導(dǎo)體是磁性材料時(shí)，影響Q值的還有磁滯損耗

19、與磁性材料對(duì)等效電感的作用。在這種情況下，線圈與磁性材料所構(gòu)成磁路的等效磁導(dǎo)率e的變化將影響L。當(dāng)距離x減小時(shí)，由于e增大而使L1變大。81 由前面討論可知，線圈-金屬導(dǎo)體系統(tǒng)的阻抗、電感和品質(zhì)因數(shù)都是該系統(tǒng)互感系數(shù)平方的函數(shù)。而互感系數(shù)又是距離x的非線性函數(shù)，因此當(dāng)構(gòu)成電渦流式位移傳感器時(shí)，Z=f1(x)、L=f2(x)、Q=f3(x)都是非線性函數(shù)。但在一定范圍內(nèi)，可以將這些函數(shù)近似地用一線性函數(shù)來(lái)表示，于是在該范圍內(nèi)通過(guò)測(cè)量Z、L或Q的變化就可以線性地獲得位移的變化。82傳感器的結(jié)構(gòu)傳感器的結(jié)構(gòu)1. 線圈線圈 2.框架框架 3框架襯套框架襯套4 支架支架 5電纜電纜 6插頭插頭83 二二

20、. 測(cè)量電路測(cè)量電路 根據(jù)電渦流式傳感器的工作原理，其測(cè)量電路有三種：諧振電路、電橋電路與Q值測(cè)試電路。這里主要介紹諧振電路。目前電渦流式傳感器所用的諧振電路有三種類型：定頻調(diào)幅式、變頻調(diào)幅式與調(diào)頻式。 1.定頻調(diào)幅電路定頻調(diào)幅電路 圖3.27為這種電路的原理框圖。84 圖中圖中L為傳感器線圈電感，與電容為傳感器線圈電感，與電容C組成并聯(lián)諧振回路，晶體組成并聯(lián)諧振回路，晶體振蕩器提供高頻激勵(lì)信號(hào)。在無(wú)被測(cè)導(dǎo)體時(shí)，振蕩器提供高頻激勵(lì)信號(hào)。在無(wú)被測(cè)導(dǎo)體時(shí)，LC并聯(lián)諧振回并聯(lián)諧振回路調(diào)諧在與晶體振蕩器頻率一致的諧振狀態(tài)，這時(shí)回路阻抗路調(diào)諧在與晶體振蕩器頻率一致的諧振狀態(tài)，這時(shí)回路阻抗最大，回路壓降最

21、大最大，回路壓降最大(圖圖3.28中之中之U0)。圖圖3.273.27 定頻調(diào)幅電路框圖定頻調(diào)幅電路框圖85當(dāng)傳感器接近被測(cè)當(dāng)傳感器接近被測(cè)導(dǎo)體時(shí)，損耗功率導(dǎo)體時(shí)，損耗功率增大，回路失諧，增大，回路失諧，輸出電壓相應(yīng)變小。輸出電壓相應(yīng)變小。這樣，在一定范圍這樣，在一定范圍內(nèi)，輸出電壓幅值內(nèi)，輸出電壓幅值與間隙與間隙(位移位移)成近成近似線性關(guān)系。由于似線性關(guān)系。由于輸出電壓的頻率輸出電壓的頻率f0始終恒定，因此稱始終恒定，因此稱定頻調(diào)幅式。定頻調(diào)幅式。862.變頻調(diào)幅電路變頻調(diào)幅電路 定頻調(diào)幅電路雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，并獲得廣泛應(yīng)用，但線路較復(fù)雜，裝調(diào)較困難，線性范圍也不夠?qū)?。因此，人們又研究了一種

22、變頻調(diào)幅電路，這種電路的基本原理基本原理是將傳感器線圈直接接入電容三點(diǎn)式振蕩回路。當(dāng)導(dǎo)體接近傳感器線圈時(shí)，由于渦流效應(yīng)的作用，振蕩器輸出電壓的幅度和頻率都發(fā)生變化，利用振蕩幅度的變化來(lái)檢測(cè)線圈與導(dǎo)體間的位移變化，而對(duì)頻率變化不予理會(huì)。87 變頻調(diào)幅電路的諧振曲線如圖3.29所示。圖3.29 變頻調(diào)幅諧振曲線88 無(wú)被測(cè)導(dǎo)體時(shí)，振蕩回路的無(wú)被測(cè)導(dǎo)體時(shí)，振蕩回路的Q值最高，振蕩電壓幅值最大，振蕩值最高，振蕩電壓幅值最大，振蕩頻率為頻率為f0。當(dāng)有金屬導(dǎo)體接近線圈時(shí)，渦流效應(yīng)使回路。當(dāng)有金屬導(dǎo)體接近線圈時(shí)，渦流效應(yīng)使回路Q值降低，值降低，諧振曲線變鈍，振蕩幅度降低，振蕩頻率也發(fā)生變化。當(dāng)被測(cè)導(dǎo)諧振曲

23、線變鈍，振蕩幅度降低，振蕩頻率也發(fā)生變化。當(dāng)被測(cè)導(dǎo)體為軟磁材料時(shí)，由于磁效應(yīng)的作用，諧振頻率降低，曲線左移；體為軟磁材料時(shí)，由于磁效應(yīng)的作用，諧振頻率降低，曲線左移；被測(cè)導(dǎo)體為非軟磁材料時(shí)，諧振頻率升高，曲線右移。所不同的被測(cè)導(dǎo)體為非軟磁材料時(shí)，諧振頻率升高，曲線右移。所不同的是，振蕩器輸出電壓不是各諧振曲線與是，振蕩器輸出電壓不是各諧振曲線與f0的交點(diǎn)，而是各諧振曲的交點(diǎn)，而是各諧振曲線峰點(diǎn)的連線。線峰點(diǎn)的連線。 89這種電路除結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低外，還具這種電路除結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低外，還具有靈敏度高、線性范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，因此監(jiān)有靈敏度高、線性范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，因此監(jiān)控等場(chǎng)合常采用它。必須指出，該電

24、路用控等場(chǎng)合常采用它。必須指出，該電路用于被測(cè)導(dǎo)體為軟磁材料時(shí)，雖由于磁效應(yīng)于被測(cè)導(dǎo)體為軟磁材料時(shí)，雖由于磁效應(yīng)的作用使靈敏度有所下降，但磁效應(yīng)時(shí)對(duì)的作用使靈敏度有所下降，但磁效應(yīng)時(shí)對(duì)渦流效應(yīng)的作用相當(dāng)于在振蕩器中加入負(fù)渦流效應(yīng)的作用相當(dāng)于在振蕩器中加入負(fù)反饋，因而能獲得很寬的線性范圍。所以反饋，因而能獲得很寬的線性范圍。所以如果配用渦流板進(jìn)行測(cè)量，應(yīng)選用軟磁材如果配用渦流板進(jìn)行測(cè)量，應(yīng)選用軟磁材料。料。90 3.調(diào)頻電路調(diào)頻電路 調(diào)頻電路與變頻調(diào)幅電路一樣，將傳感器線圈接入調(diào)頻電路與變頻調(diào)幅電路一樣，將傳感器線圈接入電容三點(diǎn)式振蕩回路，所不同的是，以振蕩頻率的電容三點(diǎn)式振蕩回路，所不同的是，

25、以振蕩頻率的變化作為輸出信號(hào)。如欲以電壓作為輸出信號(hào)，則變化作為輸出信號(hào)。如欲以電壓作為輸出信號(hào)，則應(yīng)后接鑒頻器。應(yīng)后接鑒頻器。 這種電路的關(guān)鍵是提高振蕩器的頻率穩(wěn)定度。通常這種電路的關(guān)鍵是提高振蕩器的頻率穩(wěn)定度。通?？梢詮沫h(huán)境溫度變化、電纜電容變化及負(fù)載影響三可以從環(huán)境溫度變化、電纜電容變化及負(fù)載影響三方面考慮。方面考慮。 提高諧振回路元件本身的穩(wěn)定性也是提高頻率穩(wěn)定提高諧振回路元件本身的穩(wěn)定性也是提高頻率穩(wěn)定度的一個(gè)措施。為此，傳感器線圈度的一個(gè)措施。為此，傳感器線圈L可采用熱繞工藝可采用熱繞工藝?yán)@制在低膨脹系數(shù)材料的骨架上，并配以高穩(wěn)定的繞制在低膨脹系數(shù)材料的骨架上，并配以高穩(wěn)定的云母電

26、容或具有適當(dāng)負(fù)溫度系數(shù)的電容云母電容或具有適當(dāng)負(fù)溫度系數(shù)的電容(進(jìn)行溫度補(bǔ)進(jìn)行溫度補(bǔ)償償)作為諧振電容作為諧振電容C。此外，提高傳感器探頭的靈敏。此外，提高傳感器探頭的靈敏度也能提高儀器的相對(duì)穩(wěn)定性。度也能提高儀器的相對(duì)穩(wěn)定性。91低頻透射式渦流傳感器 透射式渦流傳感器原理透射式渦流傳感器原理 線圈感應(yīng)電勢(shì)與厚度關(guān)系曲線線圈感應(yīng)電勢(shì)與厚度關(guān)系曲線測(cè)厚的依據(jù)測(cè)厚的依據(jù): E的大小間接反映了的大小間接反映了M的厚度的厚度t92當(dāng)選用不同的測(cè)試頻率時(shí)，滲透深度當(dāng)選用不同的測(cè)試頻率時(shí)，滲透深度Q滲滲的值是不同的，的值是不同的，從而使從而使Et曲線的形狀發(fā)生變化。曲線的形狀發(fā)生變化。 在在t較小的情況下

27、，較小的情況下，Q小小曲線的斜率大于曲線的斜率大于Q大大曲線的斜率曲線的斜率而在而在t較大的情況下，較大的情況下，Q大大曲線的斜率大于曲線的斜率大于Q小小曲線的斜曲線的斜率。率。 測(cè)量薄板時(shí)應(yīng)選較高的頻率，測(cè)量厚材時(shí)應(yīng)選較測(cè)量薄板時(shí)應(yīng)選較高的頻率，測(cè)量厚材時(shí)應(yīng)選較低的頻率。低的頻率。93x, x被被 測(cè)測(cè) 參參 數(shù)數(shù)變變 換換 量量特特 征征位移、厚度、振動(dòng)位移、厚度、振動(dòng) （1） 非接觸測(cè)量，連續(xù)測(cè)非接觸測(cè)量，連續(xù)測(cè)量量 （2） 受剩磁的影響。受剩磁的影響。表面溫度、電解質(zhì)表面溫度、電解質(zhì)濃度濃度材質(zhì)判別、速度（材質(zhì)判別、速度（溫度）溫度） （1） 非接觸測(cè)量，連續(xù)測(cè)非接觸測(cè)量，連續(xù)測(cè)量；量

28、； （2） 對(duì)溫度變化進(jìn)行補(bǔ)償對(duì)溫度變化進(jìn)行補(bǔ)償應(yīng)力、硬度應(yīng)力、硬度 （1） 非接觸測(cè)量，連續(xù)測(cè)非接觸測(cè)量，連續(xù)測(cè)量；量； （2） 受剩磁和材質(zhì)影響受剩磁和材質(zhì)影響探傷探傷 可以定量測(cè)量可以定量測(cè)量941位移測(cè)量位移測(cè)量(a) 汽輪機(jī)主軸的軸向位移測(cè)量示意圖汽輪機(jī)主軸的軸向位移測(cè)量示意圖(b) 磨床換向閥、先導(dǎo)閥的位移測(cè)量示意圖磨床換向閥、先導(dǎo)閥的位移測(cè)量示意圖(c) 金屬試件的熱膨脹系數(shù)測(cè)量示意圖金屬試件的熱膨脹系數(shù)測(cè)量示意圖 952 振幅測(cè)量振幅測(cè)量(a)汽輪機(jī)和空氣壓縮機(jī)用監(jiān)控主軸的徑向振動(dòng)的示意圖汽輪機(jī)和空氣壓縮機(jī)用監(jiān)控主軸的徑向振動(dòng)的示意圖(b)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的振幅的示意圖測(cè)量發(fā)

29、動(dòng)機(jī)渦輪葉片的振幅的示意圖(c) 通常使用數(shù)個(gè)傳感器探頭并排地安置在軸附近通常使用數(shù)個(gè)傳感器探頭并排地安置在軸附近96973厚度測(cè)量厚度測(cè)量電渦流式厚度計(jì)的測(cè)量原理圖電渦流式厚度計(jì)的測(cè)量原理圖 984轉(zhuǎn)速測(cè)量轉(zhuǎn)速測(cè)量60nfN f頻率值頻率值(Hz)； n旋轉(zhuǎn)體的槽旋轉(zhuǎn)體的槽(齒齒)數(shù)；數(shù)； N被測(cè)軸的轉(zhuǎn)速被測(cè)軸的轉(zhuǎn)速(rmin)。 991005. 渦流探傷渦流探傷 可以用來(lái)檢查金屬的表面裂紋、熱處理裂紋以及用于可以用來(lái)檢查金屬的表面裂紋、熱處理裂紋以及用于焊接部位的探傷等。焊接部位的探傷等。 綜合參數(shù)綜合參數(shù)(x, , )的變化將引起傳感器參數(shù)的變化，通的變化將引起傳感器參數(shù)的變化，通過(guò)測(cè)量

30、傳感器參數(shù)的變化即可達(dá)到探傷的目的。過(guò)測(cè)量傳感器參數(shù)的變化即可達(dá)到探傷的目的。 在探傷時(shí)導(dǎo)體與線圈之間是有著相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的，在在探傷時(shí)導(dǎo)體與線圈之間是有著相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的，在測(cè)量線圈上就會(huì)產(chǎn)生調(diào)制頻率信號(hào)測(cè)量線圈上就會(huì)產(chǎn)生調(diào)制頻率信號(hào) 101a)比較淺的裂縫信號(hào)比較淺的裂縫信號(hào) b)經(jīng)過(guò)幅值甄別后的信號(hào)經(jīng)過(guò)幅值甄別后的信號(hào) 在探傷時(shí)，重要的是缺陷信號(hào)和干擾信號(hào)比。在探傷時(shí)，重要的是缺陷信號(hào)和干擾信號(hào)比。為了獲得需要的頻率而采用濾波器，使某一頻率的信號(hào)通為了獲得需要的頻率而采用濾波器，使某一頻率的信號(hào)通過(guò)，而將干擾頻率信號(hào)衰減。過(guò)，而將干擾頻率信號(hào)衰減。 用渦流探傷時(shí)的測(cè)量信號(hào)用渦流探傷時(shí)的測(cè)量信

31、號(hào)102 電渦流傳感器測(cè)溫度，由于測(cè)量范圍寬、反應(yīng)速度快、可實(shí)現(xiàn)電渦流傳感器測(cè)溫度，由于測(cè)量范圍寬、反應(yīng)速度快、可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，常用于在線檢測(cè)非接觸測(cè)量，常用于在線檢測(cè)。圖3.32 測(cè)溫用渦流式傳感器1-補(bǔ)償線圈；2-管架；3-測(cè)量線圈；4-隔熱襯墊；5-溫度敏感元件1036.溫度測(cè)量 在較小的溫度范圍內(nèi)，導(dǎo)體的電阻率與溫度的關(guān)系為在較小的溫度范圍內(nèi)，導(dǎo)體的電阻率與溫度的關(guān)系為 式中式中 1、0分別為溫度分別為溫度t1與與t0時(shí)的電阻率；時(shí)的電阻率； a在給定溫度范圍內(nèi)的電阻溫度系數(shù)。在給定溫度范圍內(nèi)的電阻溫度系數(shù)。 若保持電渦流式傳感器的機(jī)、電、磁各參數(shù)不變，若保持電渦流式傳感器的機(jī)、電、

32、磁各參數(shù)不變，使傳感器的輸出只隨被測(cè)導(dǎo)體電阻率而變，就可使傳感器的輸出只隨被測(cè)導(dǎo)體電阻率而變，就可測(cè)得溫度的變化。上述原理可用來(lái)測(cè)量液體、氣測(cè)得溫度的變化。上述原理可用來(lái)測(cè)量液體、氣體介質(zhì)溫度或金屬材料的表面溫度，適合于低溫體介質(zhì)溫度或金屬材料的表面溫度，適合于低溫到常溫的測(cè)量。到常溫的測(cè)量。）（0101t -ta1104優(yōu)點(diǎn)是：(1)不受金屬表面涂料、油、水等介質(zhì)的影響；(2)可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量；(3)反應(yīng)快。 目前已制成熱慣性時(shí)間常數(shù)僅1ms的電渦流溫度計(jì)。 除上述應(yīng)用外，電渦流式傳感器還可利用磁導(dǎo)率與硬度有關(guān)的特性實(shí)現(xiàn)非接觸式硬度硬度連續(xù)測(cè)量等。105一、壓磁效應(yīng)一、壓磁效應(yīng)鐵磁材料在磁場(chǎng)

33、中磁化時(shí)，在磁場(chǎng)方向會(huì)伸長(zhǎng)或縮短，這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮效應(yīng)。材料隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而伸長(zhǎng)或縮短不是無(wú)限制的，最終會(huì)達(dá)到飽和。各種材料的飽和伸縮比是定值，稱為磁致伸縮系數(shù)，用s表示，即 壓磁式傳感器壓磁式傳感器Sll /S(3-43)式中 伸縮比。ll /106在一定的磁場(chǎng)范圍內(nèi)，一些材料(如Fe)的s為正值，稱為正磁致伸縮；反之，一些材料(如Ni)的s為負(fù)值，稱為負(fù)磁致伸縮。測(cè)試表明，物體磁化時(shí)，不但磁化方向上會(huì)伸長(zhǎng)(或縮短)，在偏離磁化方向的其他方向上也同時(shí)伸長(zhǎng)(或縮短)，只是隨著偏離角度的增大其伸長(zhǎng)(或縮短)比逐漸減小，直到接近垂直于磁化方向反而要縮短(或伸長(zhǎng))。鐵磁材料的這種磁致伸縮，是由

34、于自發(fā)磁化時(shí)導(dǎo)致物質(zhì)的晶格結(jié)構(gòu)改變，使原子間距發(fā)生變化而產(chǎn)生的現(xiàn)象。鐵磁物體被磁化時(shí)如果受到限制而不能伸縮，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力。如果在它外部施力，也會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力。當(dāng)鐵磁物體因磁化而引起伸縮(且不管何種原因)產(chǎn)生應(yīng)力時(shí)，其內(nèi)部必然存在磁彈性能E。分析表明，E與s成正比，且同磁化方向與應(yīng)力方向之間的夾角有關(guān)。由于E的存在，將使鐵磁材料的磁化方向發(fā)生變化。107 對(duì)于正磁致伸縮材料，如果存在拉應(yīng)力，將使磁化方向轉(zhuǎn)向拉應(yīng)力方向，加強(qiáng)拉應(yīng)力方向的磁化，從而使拉應(yīng)力方向的磁導(dǎo)率增大。反之，壓應(yīng)力將使磁化方向轉(zhuǎn)向垂直于壓應(yīng)力的方向，削弱應(yīng)力方向的磁化，從而使壓應(yīng)力方向的磁導(dǎo)率減小。對(duì)于負(fù)磁致伸縮材料，情況正好相反

35、。 這種被磁化的鐵磁材料在應(yīng)力影響下形成磁彈性能，使磁化強(qiáng)度矢量重新取向從而改變應(yīng)力方向的磁導(dǎo)率的現(xiàn)象，稱為磁彈性效應(yīng)磁彈性效應(yīng)，或稱壓磁效應(yīng)。108 鐵磁材料的相對(duì)導(dǎo)磁率變化與應(yīng)力之間的關(guān)系為 式中 鐵磁材料的磁導(dǎo)率； BS飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。 從式(3-44)可知，用于磁彈性式傳感器的鐵磁材料要求能承受大的應(yīng)力、磁導(dǎo)率高、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度小。常用的材料是硅鋼片與鐵鎳軟磁合金，由于后者價(jià)貴且性能不夠穩(wěn)定，目前大都采用硅鋼片。22SSB109二壓磁式傳感器的工作原理二壓磁式傳感器的工作原理 壓磁式測(cè)力傳感器的壓磁元件由具有正磁致伸縮特性的硅鋼片粘疊而成。如圖3.33所示。圖3.33 壓磁式測(cè)力傳感器

36、的工作原理110三三. .壓磁式測(cè)力傳感器的結(jié)構(gòu)壓磁式測(cè)力傳感器的結(jié)構(gòu)壓磁式測(cè)力傳感器的核心部件是壓磁元件。組成壓磁元件的鐵心有四孔圓弧形、六孔圓弧形、“中”字形和“田”字形等多種，圖為一種典型的測(cè)力傳感器。可按測(cè)力大小、輸出特性的要求和靈敏度等選用。為擴(kuò)大測(cè)力范圍，可以將幾個(gè)沖片聯(lián)成多聯(lián)沖片。壓磁式測(cè)力傳感器的結(jié)構(gòu)111四四. .測(cè)量電路測(cè)量電路 壓磁式傳感器的輸出信號(hào)較大，一般不需要放大。所以測(cè)量電路主要由激磁電源、濾波電路、相敏整流和顯示器等組成，基本電路如圖所示。 由于鐵磁材料的磁化特性隨溫度而變，壓磁式傳感器通常要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。最常用的方法是將工作傳感器與不受載體作用的補(bǔ)償傳感器構(gòu)成差動(dòng)回路。112壓磁式傳感器的測(cè)量電路原理框圖