位移檢測傳感器之電感式

1、第二章電感式位移傳感器第二章電感式位移傳感器電感式位移傳感器：是將被測物理電感式位移傳感器：是將被測物理量的位移轉化為自感量的位移轉化為自感L L，互感，互感M M的變的變化，并通過測量電感量的變化確定化，并通過測量電感量的變化確定位移量。位移量。電感式位移傳感器的主要類型：電感式位移傳感器的主要類型：輸出功率大、靈敏度高、穩(wěn)定性好輸出功率大、靈敏度高、穩(wěn)定性好電感式位移傳感器的特點：電感式位移傳感器的特點：電感式位移傳感器的主要類型有：電感式位移傳感器的主要類型有：自感式、互感式、渦流式和壓磁式自感式、互感式、渦流式和壓磁式等等n電感式傳感器的工作基礎：電感式傳感器的工作基礎：電磁感應電磁感

2、應n即利用線圈電感或互感的改變來實現非電即利用線圈電感或互感的改變來實現非電量測量量測量（一）自感式電感位移傳感器（一）自感式電感位移傳感器1. 工作原理與結構工作原理與結構自感式位移傳感器由自感式位移傳感器由線圈、鐵芯和銜鐵線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。鐵芯和三部分組成。鐵芯和銜鐵由導磁材料制成。銜鐵由導磁材料制成。自感式傳感器是把被測量變化轉換成自感自感式傳感器是把被測量變化轉換成自感L的變化，通過一定的變化，通過一定的轉換電路轉換成電壓或電流輸出。的轉換電路轉換成電壓或電流輸出。在纏繞在鐵心上的線圈中通以交變電流在纏繞在鐵心上的線圈中通以交變電流i，產生磁通，產生磁通m,m,形成形成磁通回

3、路。磁通回路。1. 工作原理與結構工作原理與結構磁通與電流之間的關系磁通與電流之間的關系LiNm)(;HLN自感線圈的匝數根據磁路歐姆定律mmRNi)(1HRm磁阻1. 工作原理與結構工作原理與結構mRNL2則002SSlRm);m/);)m/);2002mSHmmSHml氣隙的導磁橫截面積（真空磁導率（氣隙厚度（積（鐵心與銜鐵中的導磁面，鐵心與銜鐵的磁導率（度（鐵心與銜鐵中的導磁長磁阻磁阻Rm在本例中包括三部分，鐵芯、銜鐵和氣隙中在本例中包括三部分，鐵芯、銜鐵和氣隙中的磁阻。的磁阻。1. 工作原理與結構工作原理與結構通常氣隙的磁阻遠大于鐵芯和銜鐵的磁阻 SlS002002sRm則20022s

4、NRNLm1. 工作原理與結構工作原理與結構20022sNRNLm1. 工作原理與結構工作原理與結構n當鐵芯的結構和材料確定后，自感當鐵芯的結構和材料確定后，自感L是氣隙厚度是氣隙厚度 和氣隙磁和氣隙磁通截面積通截面積S的函數。的函數。n因此自感式位移傳感器可分為變氣隙型、變面積型和螺管型。因此自感式位移傳感器可分為變氣隙型、變面積型和螺管型。1. 工作原理與結構工作原理與結構變氣隙型自感傳感器變氣隙型自感傳感器如果如果S保持不變，則保持不變，則L為為 的單值函數，可構成變氣隙型自感傳的單值函數，可構成變氣隙型自感傳感器感器1. 工作原理與結構工作原理與結構 變面積型自感傳感器變面積型自感傳感

5、器如果保持如果保持 不變，不變，使使S隨位移而變，則可構成變面積型自感傳隨位移而變，則可構成變面積型自感傳感器；感器；1. 工作原理與結構工作原理與結構 螺線管型自感傳感器螺線管型自感傳感器如果在線圈中放入圓柱形銜鐵，當如果在線圈中放入圓柱形銜鐵，當銜鐵上下移動時，自感量將相應變化，就構成了螺線管型自銜鐵上下移動時，自感量將相應變化，就構成了螺線管型自感傳感器。感傳感器。輸出特性：輸出特性：L與之間是非線性關系， 特性曲線如下圖20022ANRNLm變氣隙式電壓傳感器的L-特性變氣隙型自感傳感器變氣隙型自感傳感器(略）略）分析：分析：當銜鐵處于初始位置時，初始電感量為 020002NSL 當銜

6、鐵上移時，傳感器氣隙減小，即=0， 則此時輸出電感為00000201)(2LSNLLL變氣隙型自感傳感器變氣隙型自感傳感器當/01時： 30200001LLLL可求得電感增量L和相對增量L/L0的表達式，即 200002000011LLLL變氣隙型自感傳感器變氣隙型自感傳感器對上式作線性處理，即忽略高次項后，可得 00LL靈敏度為 00LLK可見：可見：變間隙式電感傳感器的線性度差，示值范圍窄（測量變間隙式電感傳感器的線性度差，示值范圍窄（測量范圍），自由行程小，但在小位移下靈敏度高，范圍），自由行程小，但在小位移下靈敏度高，因此變隙，因此變隙式電感式傳感器式電感式傳感器適用于測量微小位移適用

7、于測量微小位移的場合。的場合。 為了減小非線形誤差，實際中廣泛采用差動變隙式電感傳感器差動變隙式電感傳感器差動變隙式電感傳感器 1-鐵芯；2-線圈；3-銜鐵當銜鐵向上移動時，兩個線圈的電感變化量L1、L2 靈敏度k為002LLk（1）差動變間隙式自感傳感器的靈敏度是單線圈式傳感器的兩倍。 因此差動式自感式傳感器，提高了精度、靈敏度，明顯改善了線性度。差動變隙式電感傳感器差動變隙式電感傳感器 （1）損耗問題）損耗問題2. 在改善電感位移傳感器性能要考慮的因素在改善電感位移傳感器性能要考慮的因素電感線圈、銜鐵系統(tǒng)在高頻電流激勵下工作必然存在功率損電感線圈、銜鐵系統(tǒng)在高頻電流激勵下工作必然存在功率損

8、耗。主要損耗有線圈和鐵心。耗。主要損耗有線圈和鐵心。（2）氣隙邊緣效應的影響）氣隙邊緣效應的影響（3）溫度誤差）溫度誤差（4）差動式電感位移傳感器的零點剩余電壓問題）差動式電感位移傳感器的零點剩余電壓問題 課堂練習課堂練習16、自感式位移傳感器可分為變氣隙型、變面積型和、自感式位移傳感器可分為變氣隙型、變面積型和（ ）（測一）。）（測一）。16、自感式位移傳感器可分為變氣隙型、變面積型和、自感式位移傳感器可分為變氣隙型、變面積型和（螺管型）。（螺管型）。27、改善電感式位移傳感器的性能時需要考慮哪些因、改善電感式位移傳感器的性能時需要考慮哪些因素？（測一）素？（測一）（1）損耗問題）損耗問題2

9、. 在改善電感位移傳感器性能要考慮的因素在改善電感位移傳感器性能要考慮的因素電感線圈、銜鐵系統(tǒng)在高頻電流激勵下工作必然存在功率損電感線圈、銜鐵系統(tǒng)在高頻電流激勵下工作必然存在功率損耗。主要損耗有線圈和鐵心。耗。主要損耗有線圈和鐵心。（2）氣隙邊緣效應的影響）氣隙邊緣效應的影響（3）溫度誤差）溫度誤差（4）差動式電感位移傳感器的零點剩余電壓問題）差動式電感位移傳感器的零點剩余電壓問題 互感式位移傳感器是利用電磁原理，將被互感式位移傳感器是利用電磁原理，將被測位移量的變化轉換為測位移量的變化轉換為線圈互感系數的變化，線圈互感系數的變化，這種傳感器是根據變壓器的基本原理制成的，這種傳感器是根據變壓器

10、的基本原理制成的，故又稱變壓器式位移傳感器。故又稱變壓器式位移傳感器。（二）互感式位移傳感器（二）互感式位移傳感器差動變壓器差動變壓器（二）互感式位移傳感器（二）互感式位移傳感器差動變壓器差動變壓器感應電動勢：感應電動勢： dtdiME1式中式中M互感系數（互感系數（H)M的大小與兩線圈之間相對位置以及周圍介質的大小與兩線圈之間相對位置以及周圍介質的導磁能力等因素有關。的導磁能力等因素有關。 表明：表明：兩線圈之間的耦合程度；兩線圈之間的耦合程度；工作原理工作原理線圈線圈1為一次側線圈，線圈為一次側線圈，線圈2為二次側線圈，當一次側通過交流為二次側線圈，當一次側通過交流電流時，在二次側上將產生

11、感應電動勢。當兩者間的互感量變電流時，在二次側上將產生感應電動勢。當兩者間的互感量變化時，感應電動勢也相應變化?；瘯r，感應電動勢也相應變化。n互感位移傳感器常采用差動形式，即兩個二次互感位移傳感器常采用差動形式，即兩個二次線圈采用差動接法，故又稱為差動變壓器式位線圈采用差動接法，故又稱為差動變壓器式位移傳感器。移傳感器。差動變壓器式位移傳感器差動變壓器式位移傳感器差動變壓器式位移傳感器有變隙式、變面積式和差動變壓器式位移傳感器有變隙式、變面積式和螺管式等。螺管式等。非電量測量中，應用最多的是螺管式差動變壓器，非電量測量中，應用最多的是螺管式差動變壓器，它可以測量范圍內的機械位移，并具有測量精度

12、高、它可以測量范圍內的機械位移，并具有測量精度高、靈敏度高、結構簡單、性能可靠等優(yōu)點靈敏度高、結構簡單、性能可靠等優(yōu)點(e)、(f) 變截面式差動變壓器變截面式差動變壓器 (a)、(b) 變間隙式差動變壓器變間隙式差動變壓器(c)、(d) 螺線管式差動變壓器螺線管式差動變壓器差動變壓器式位移傳感器之差動變壓器式位移傳感器之螺管式差動變壓器位移傳感器螺管式差動變壓器位移傳感器E1E2E0傳感器主要由線圈、鐵芯和活動銜鐵三部分組傳感器主要由線圈、鐵芯和活動銜鐵三部分組成。成。線圈包括一個初級線圈線圈包括一個初級線圈1和和2個次級線圈個次級線圈2,3組組成，成， 兩個次級線圈結構參數完全相同，兩個次

13、級線兩個次級線圈結構參數完全相同，兩個次級線圈圈2,3反極性串接。反極性串接。線圈中心插入導磁性極好的圓形鐵心線圈中心插入導磁性極好的圓形鐵心4.螺管式差動變壓器位移傳感器螺管式差動變壓器位移傳感器 1. 結構結構 螺管式差動變壓器位移傳感器螺管式差動變壓器位移傳感器 當初級線圈輸入交流激勵電當初級線圈輸入交流激勵電壓時，兩個二次側線圈將產生感壓時，兩個二次側線圈將產生感應電動勢應電動勢E1和和E2由于兩個次級線由于兩個次級線圈反接，因此傳感器的輸出電壓圈反接，因此傳感器的輸出電壓為兩者之差。為兩者之差。 2. 工作原理工作原理dtdiME111dtdiME122dtdiMMEEE121210

14、)(螺管式差動變壓器位移傳感器螺管式差動變壓器位移傳感器 2. 工作原理工作原理0,02121EEEMM，故則 當鐵心處于當鐵心處于零位時，即零位時，即中間對稱中間對稱位置時（位置時（鐵心的原始平衡位置）鐵心的原始平衡位置） 當鐵心偏離當鐵心偏離零位向上移動時由于磁阻的影響，上面線圈中零位向上移動時由于磁阻的影響，上面線圈中的磁通將大于下面線圈中的磁通，所以的磁通將大于下面線圈中的磁通，所以關系大小與鐵心位移成線性同相位與輸出電壓，故則1002121, 0,EEEEEMMdtdiMMEEE121210)(螺管式差動變壓器位移傳感器螺管式差動變壓器位移傳感器 2. 工作原理工作原理 當鐵心偏離當

15、鐵心偏離零位向下移動時零位向下移動時關系大小與鐵心位移成線性同相位與輸出電壓，故則, 0,2002121EEEEEMMdtdiMMEEE121210)(螺管式差動變壓器位移傳感器螺管式差動變壓器位移傳感器 2. 工作原理工作原理 差動變壓器式傳感器輸出需要接相敏檢波電路差動變壓器式傳感器輸出需要接相敏檢波電路當鐵心偏離當鐵心偏離零位上下移動時，移動的零位上下移動時，移動的距離和方向的信息，可以反映在二次側線距離和方向的信息，可以反映在二次側線圈輸出電動勢圈輸出電動勢E0的幅值和相位中。的幅值和相位中。差動變壓器式傳感器輸出的電壓是交流電壓量，如用交流電壓表測差動變壓器式傳感器輸出的電壓是交流電

16、壓量，如用交流電壓表測量，則輸出值只能反映鐵心位移的大小，而不能反映移動的方向，因此量，則輸出值只能反映鐵心位移的大小，而不能反映移動的方向，因此需要將需要將E0 進行放大和相敏檢波才能得到被測位移進行放大和相敏檢波才能得到被測位移x的大小和方向。的大小和方向。螺管式差動變壓器位移傳感器螺管式差動變壓器位移傳感器 交流電壓輸出存在一定的零點殘余電壓。交流電壓輸出存在一定的零點殘余電壓。交流電壓輸出存在一定的零點殘余電壓。交流電壓輸出存在一定的零點殘余電壓。鐵心處于零位時，很難做到鐵心處于零位時，很難做到E1與與E2在幅值、相位、諧波成分上完全相等，在幅值、相位、諧波成分上完全相等，實際上實際上

17、E000，此時輸出電壓，此時輸出電壓E0稱為零點殘余電壓。零點殘余電壓可能造稱為零點殘余電壓。零點殘余電壓可能造成誤差，使后級放大電路飽和。因此應設法消除和減小零點殘余電壓成誤差，使后級放大電路飽和。因此應設法消除和減小零點殘余電壓E0產生零點殘余電壓的原因是由于兩個次級線圈的結構不對稱，以及初產生零點殘余電壓的原因是由于兩個次級線圈的結構不對稱，以及初級線圈銅損電阻的存在、鐵磁材質不均勻、線圈間分布電容等因素形成的，級線圈銅損電阻的存在、鐵磁材質不均勻、線圈間分布電容等因素形成的，因此后接電路采用相敏檢波電路。這樣既能反應鐵心位移極性，又能補償因此后接電路采用相敏檢波電路。這樣既能反應鐵心位

18、移極性，又能補償零點殘余電壓的差動直流輸出電路零點殘余電壓的差動直流輸出電路差動變壓器相敏檢波電路差動變壓器相敏檢波電路 （見（見P22，圖，圖2-18）移相器RP 當鐵心處于中間位置時，調節(jié)電阻當鐵心處于中間位置時，調節(jié)電阻Rp可以使零點殘余電可以使零點殘余電壓減小。壓減小。差動變壓器式電感位移傳感器的優(yōu)點：差動變壓器式電感位移傳感器的優(yōu)點： 差動變壓器式電感位移傳感器測量精度高，差動變壓器式電感位移傳感器測量精度高，分辨力可達分辨力可達0.1m,線性范圍大，有的能達到線性范圍大，有的能達到250mm,穩(wěn)定性好，使用方便。這種傳感器廣泛穩(wěn)定性好，使用方便。這種傳感器廣泛用于直線位移、角位移以

19、及可轉換成位移的其用于直線位移、角位移以及可轉換成位移的其他機械量，如壓力、重量、膨脹等。他機械量，如壓力、重量、膨脹等?？偨Y傳感元件傳感元件或傳感器或傳感器原始原始輸入量輸入量變換變換原理原理物理物理現象現象能量能量關系關系輸出量輸出量差動差動變壓器式變壓器式位移位移電磁電磁感應感應結構型結構型控制型控制型互感互感系數系數 課堂練習課堂練習6、利用差動變壓器式位移傳感器進行位移測量時，、利用差動變壓器式位移傳感器進行位移測量時，為辨別物體的移動方向，處理電路中必須有的為辨別物體的移動方向，處理電路中必須有的環(huán)節(jié)是（測一）環(huán)節(jié)是（測一）A.濾波濾波B.放大放大C.整流整流D.相敏檢波相敏檢波6

20、、利用差動變壓器式位移傳感器進行位移測量時，、利用差動變壓器式位移傳感器進行位移測量時，為辨別物體的移動方向，處理電路中必須有的為辨別物體的移動方向，處理電路中必須有的環(huán)節(jié)是環(huán)節(jié)是D.相敏檢波相敏檢波26、簡述互感式位移傳感器的優(yōu)點。（模擬一）、簡述互感式位移傳感器的優(yōu)點。（模擬一）26、簡述互感式位移傳感器的優(yōu)點。、簡述互感式位移傳感器的優(yōu)點。 差動變壓器式電感位移傳感器測量精度高，差動變壓器式電感位移傳感器測量精度高，分辨力可達分辨力可達0.1m,線性范圍大，有的能達到線性范圍大，有的能達到250mm,穩(wěn)定性好，使用方便。這種傳感器廣泛穩(wěn)定性好，使用方便。這種傳感器廣泛用于直線位移、角位移

21、以及可轉換成位移的其用于直線位移、角位移以及可轉換成位移的其他機械量，如壓力、重量、膨脹等。他機械量，如壓力、重量、膨脹等。電渦流式傳感器的工作原理電渦流式傳感器的工作原理 塊狀金屬置于變化的磁場中或在磁場中運動時，塊狀金屬置于變化的磁場中或在磁場中運動時，金屬體內都要產生感應電流，在金屬體內自己金屬體內都要產生感應電流，在金屬體內自己閉合，所以稱之為電渦流或渦流，這種現象稱閉合，所以稱之為電渦流或渦流，這種現象稱為渦流效應。為渦流效應。渦流式位移傳感器是利用電渦流效應，將被測渦流式位移傳感器是利用電渦流效應，將被測量的變化轉換為傳感器線圈阻抗量的變化轉換為傳感器線圈阻抗Z的變化的一種的變化的

22、一種裝置。裝置。（三）渦流式位移傳感器（三）渦流式位移傳感器渦流渦流 成塊的金屬物體成塊的金屬物體置于變化著的磁場中，置于變化著的磁場中，或者在磁場中運動時，或者在磁場中運動時，在金屬導體中會感應在金屬導體中會感應出一圈圈自相閉合的出一圈圈自相閉合的電流，這就是渦流。電流，這就是渦流。 渦流的大小與金屬體的電阻率渦流的大小與金屬體的電阻率、磁導率、磁導率、厚度厚度t t以及線圈與金屬體的距離以及線圈與金屬體的距離x x、線圈的激勵、線圈的激勵電流強度電流強度i,i,角頻率角頻率等有關。如果固定其中某等有關。如果固定其中某些參數，就能由電渦流的大小測量出另外一些些參數，就能由電渦流的大小測量出另

23、外一些參數。參數。 渦流位移渦流位移傳感器在金屬體上產生的渦流，其滲傳感器在金屬體上產生的渦流，其滲透深度與傳感器線圈的激勵電流的頻率有關，透深度與傳感器線圈的激勵電流的頻率有關，所以渦流位移傳感器主要分為高頻反射和低頻所以渦流位移傳感器主要分為高頻反射和低頻透射兩類，前者應用較廣泛。透射兩類，前者應用較廣泛。（三）渦流式位移傳感器（三）渦流式位移傳感器Z=F(x) 渦流式位移傳感器就是根據上述原理制成的渦流式位移傳感器就是根據上述原理制成的當電源頻率當電源頻率f、線圈激勵電流強度、線圈激勵電流強度I、線圈尺寸參數、線圈尺寸參數、金屬導體的電阻率金屬導體的電阻率等參數一定時，等參數一定時，Z是

24、位移是位移x的單值的單值函數。函數。一、一、高頻反射式渦流傳感器高頻反射式渦流傳感器 線圈上通交變高頻電流線圈上通交變高頻電流線圈產生高頻交變磁場線圈產生高頻交變磁場產生高頻交變渦流產生高頻交變渦流渦流產生反磁場渦流產生反磁場阻礙線圈電流交換作用阻礙線圈電流交換作用等效于等效于L或阻抗的改變或阻抗的改變二、低頻透射式渦流傳感器二、低頻透射式渦流傳感器 這種傳感器采用低頻激勵，因這種傳感器采用低頻激勵，因而有較大的貫穿深度，適合于測量而有較大的貫穿深度，適合于測量金屬材料的厚度。金屬材料的厚度。傳感器包括發(fā)射線圈和接收線圈，傳感器包括發(fā)射線圈和接收線圈，并分別位于被測材料上、下方。由振并分別位于

25、被測材料上、下方。由振蕩器產生的低頻電壓蕩器產生的低頻電壓u1加到發(fā)射線圈加到發(fā)射線圈L1兩端，于是在接收線圈兩端，于是在接收線圈L2兩端將兩端將產生感應電壓產生感應電壓u2，它的大小與，它的大小與u1的的幅值、頻率以及兩個線圈的匝數、結幅值、頻率以及兩個線圈的匝數、結構和兩者的相對位置有關。構和兩者的相對位置有關。若兩線圈間無金屬導體，則若兩線圈間無金屬導體，則L2的磁力能較多穿過的磁力能較多穿過L2，在，在L2上產生的上產生的感應電壓感應電壓u2最大。最大。若兩線圈間設置一個金屬板，由于在金屬板內產生電渦流，該電渦流若兩線圈間設置一個金屬板，由于在金屬板內產生電渦流，該電渦流消耗了部分能量，使到達線圈消耗了部分能量，使到達線圈L2的磁力線減小，從而引起的磁力線減小，從而引起u2的下降。的下降。 金屬板厚度越大，電渦流損耗越大，金屬板厚度越大，電渦流損耗越大，u2就越小。圖中可見就越小。圖中可見u2的大小間的大小間接反映了金屬板的厚度。接反映了金屬板的厚度。 渦流傳感器結構簡單，渦流傳感器結構簡單，使用方便，不受油液等介使用方便，不受油液等介質的影響；質的影響； 易于進行動態(tài)非接觸測量，靈敏度高，易于進行動態(tài)非接觸測量，靈敏度高，應用廣泛，可測量位移、厚度、振動等應用廣泛，可測量