第六章電感式傳感器

1、 第第6 6章章 電感式傳感器電感式傳感器 6.1 6.1 電感式傳感器電感式傳感器 6.1.1 6.1.1 電感傳感器的工作原理和等效電路電感傳感器的工作原理和等效電路 6.1.2 6.1.2 電感式傳感器的結(jié)構(gòu)類型及特性電感式傳感器的結(jié)構(gòu)類型及特性 6.1.3 6.1.3 電感傳感器的測量電路電感傳感器的測量電路 6.2 6.2 差動(dòng)變壓器式電感傳感器差動(dòng)變壓器式電感傳感器 6.2.1 6.2.1 工作原理工作原理 6.2.2 6.2.2 差動(dòng)變壓器式傳感器的特性差動(dòng)變壓器式傳感器的特性 6.3 6.3 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 6.3.1 6.3.1 電渦流式傳感器的工作原理及特性電

2、渦流式傳感器的工作原理及特性 6.3.2 6.3.2 電渦流式傳感器結(jié)構(gòu)型式及特點(diǎn)電渦流式傳感器結(jié)構(gòu)型式及特點(diǎn) 6.3.3 6.3.3 影響渦流傳感器靈敏度的因素影響渦流傳感器靈敏度的因素 6.3.4 6.3.4 測量電路測量電路 6.4 6.4 電感式傳感器的應(yīng)用電感式傳感器的應(yīng)用 6.4.1 6.4.1 電感傳感器的應(yīng)用電感傳感器的應(yīng)用 6.4.2 6.4.2 電渦流傳感器的應(yīng)用電渦流傳感器的應(yīng)用 電感式傳感器電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理，將被測的物理是利用電磁感應(yīng)原理，將被測的物理量如位移、壓力、流量、振動(dòng)等轉(zhuǎn)換成線圈的自感系數(shù)量如位移、壓力、流量、振動(dòng)等轉(zhuǎn)換成線圈的自感系數(shù)L L或互

3、感系數(shù)或互感系數(shù)M M的變化，再由測量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的的變化，再由測量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出，實(shí)現(xiàn)由非電量到電量轉(zhuǎn)換的裝置。變化量輸出，實(shí)現(xiàn)由非電量到電量轉(zhuǎn)換的裝置。 自感式傳感器自感式傳感器（又稱電感式傳感器）即（又稱電感式傳感器）即將非電量轉(zhuǎn)換將非電量轉(zhuǎn)換成自感系數(shù)變化的傳感器成自感系數(shù)變化的傳感器。 互感式傳感器互感式傳感器（又稱差動(dòng)變壓器式傳感器）即（又稱差動(dòng)變壓器式傳感器）即將非電將非電量轉(zhuǎn)換成互感系數(shù)變化的傳感器量轉(zhuǎn)換成互感系數(shù)變化的傳感器。 本章主要介紹本章主要介紹自感式、互感式和渦流式自感式、互感式和渦流式三種傳感器。三種傳感器。X 自感式傳感器原理圖銜 鐵線

4、圈鐵 芯 I A l1 S1 l2 S2 Usr . 6.1 6.1 電感式傳感器電感式傳感器 6.1.1 6.1.1 電感傳感器的工作原理和等效電路電感傳感器的工作原理和等效電路 6.1 6.1 電感式傳感器電感式傳感器 6.1.1 6.1.1 電感傳感器的工作原理和等效電路電感傳感器的工作原理和等效電路 1工作原理工作原理 電感傳感器有銜鐵、鐵芯和匝數(shù)為電感傳感器有銜鐵、鐵芯和匝數(shù)為W的線圈三部分構(gòu)成。傳感器測量的線圈三部分構(gòu)成。傳感器測量 物理量時(shí)銜鐵的運(yùn)動(dòng)部分產(chǎn)生位移，導(dǎo)致線圈的電感值發(fā)生變化，根據(jù)定物理量時(shí)銜鐵的運(yùn)動(dòng)部分產(chǎn)生位移，導(dǎo)致線圈的電感值發(fā)生變化，根據(jù)定 義，線圈的電感為義，

5、線圈的電感為 式中式中 RM磁阻，它包括鐵芯磁阻和空氣隙的磁阻，即磁阻，它包括鐵芯磁阻和空氣隙的磁阻，即 鐵磁材料各段的磁阻之和，當(dāng)鐵芯一定時(shí)，其值為一定；鐵磁材料各段的磁阻之和，當(dāng)鐵芯一定時(shí)，其值為一定； li 各段鐵芯長度；各段鐵芯長度； m mi 各段鐵芯的磁導(dǎo)率；各段鐵芯的磁導(dǎo)率； Si 各段鐵芯的截面積；各段鐵芯的截面積； R -空氣隙的磁阻，空氣隙的磁阻，R = 2= 2 / /m m0 0S。M2RWL=M2RWL =mRSlRiii=MiiiSlmX 即可得電感為即可得電感為 因?yàn)殍F磁材料其磁阻與空氣隙磁阻相比較小，計(jì)算時(shí)可忽略因?yàn)殍F磁材料其磁阻與空氣隙磁阻相比較小，計(jì)算時(shí)可忽

6、略不計(jì)，這時(shí)有不計(jì)，這時(shí)有: : 由上式可知，當(dāng)線圈及鐵芯一定時(shí)，由上式可知，當(dāng)線圈及鐵芯一定時(shí)，W W為常數(shù)，如果改變?yōu)槌?shù)，如果改變d d 或或S S時(shí)，時(shí)，L L值就會(huì)引起相應(yīng)的變化。電感傳感器就是利用這一原理值就會(huì)引起相應(yīng)的變化。電感傳感器就是利用這一原理做成的。最常用的是變氣隙長度做成的。最常用的是變氣隙長度d d 的電感傳感器。由于改變的電感傳感器。由于改變d d 和和S S都是使氣隙磁阻變化，從而使電感發(fā)生變化，所以這種傳感器都是使氣隙磁阻變化，從而使電感發(fā)生變化，所以這種傳感器也叫變磁阻式傳感器。也叫變磁阻式傳感器。=SSlWLiii022mmm202SWL =X X 2 2、

7、等效電路、等效電路 電感傳感器是一個(gè)帶鐵芯的可變電感，由于線圈的銅耗、鐵芯的渦電感傳感器是一個(gè)帶鐵芯的可變電感，由于線圈的銅耗、鐵芯的渦流損耗、磁滯損耗以及分布電容的影響，它并非呈現(xiàn)純電感。等效電路流損耗、磁滯損耗以及分布電容的影響，它并非呈現(xiàn)純電感。等效電路如圖所示，其中如圖所示，其中L L為電感，為電感，R Rc c為銅損電阻，為銅損電阻，R Re e電渦流損耗電阻，磁滯損耗電渦流損耗電阻，磁滯損耗電阻電阻R Rh h，C C為傳感器等效電路的等效電容。等效電容為傳感器等效電路的等效電容。等效電容C C主要是由線圈繞組主要是由線圈繞組的固有電容和電纜分布電容引起。電纜長度的變化，將引起的固

8、有電容和電纜分布電容引起。電纜長度的變化，將引起C C的變化。的變化。當(dāng)電感傳感器確定后，這些參數(shù)即為已知量。當(dāng)電感傳感器確定后，這些參數(shù)即為已知量。 C L Rc Rh ReX 自感式傳感器等效電路自感式傳感器等效電路 * *這里需要注意的是傳感器等效電路的等效電容這里需要注意的是傳感器等效電路的等效電容C，它主要是由線圈繞組的分布電容，它主要是由線圈繞組的分布電容和電纜電容引起。電纜長度的變化，將引起和電纜電容引起。電纜長度的變化，將引起C的變化的變化。 C L Rc Rh ReX 忽略分布電容且不考慮各種損耗時(shí)，電感傳感器阻抗為忽略分布電容且不考慮各種損耗時(shí)，電感傳感器阻抗為: : 當(dāng)考

9、慮并聯(lián)分布電容時(shí)，阻抗為當(dāng)考慮并聯(lián)分布電容時(shí)，阻抗為Z Zs sLRZj=CLRCLRZsj1jj1j= 2222222222211j1QLCLCQLCLCLQLCLCR-=X Q Q品質(zhì)因數(shù)，品質(zhì)因數(shù)，Q Q= =wL/RwL/R。 當(dāng)電感傳感器當(dāng)電感傳感器 Q Q值高時(shí)，即值高時(shí)，即1/1/Q Q2 21 1，則上式可變?yōu)椋?，則上式可變?yōu)椋?考慮分布電容時(shí)，電感傳感器的有效串聯(lián)電阻和有效電感都增加了，考慮分布電容時(shí)，電感傳感器的有效串聯(lián)電阻和有效電感都增加了， 而線圈的有效品質(zhì)因數(shù)卻減小。而線圈的有效品質(zhì)因數(shù)卻減小。 電感傳感器有效靈敏度為：電感傳感器有效靈敏度為： 考慮分布電容后，電感傳

10、感器的靈敏度增加了。因此，必須根據(jù)測試考慮分布電容后，電感傳感器的靈敏度增加了。因此，必須根據(jù)測試 時(shí)所用電纜長度對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，或者相應(yīng)調(diào)整并聯(lián)電容。時(shí)所用電纜長度對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，或者相應(yīng)調(diào)整并聯(lián)電容。ss222sj1j1LRLCLLCRZ=-LLLCLLd11d2ss-=X 6.1.2 6.1.2 自感式傳感器的結(jié)構(gòu)類型及特性自感式傳感器的結(jié)構(gòu)類型及特性 常見的自感式傳感器有常見的自感式傳感器有變間隙式、變面積式和螺線管式變間隙式、變面積式和螺線管式三類。三類。 1 1、變間隙式電感傳感器、變間隙式電感傳感器 銜 鐵線 圈鐵 芯 I A l1 S1 l2 S2 Usr .?？纱_定測出x

11、LZLRxm)(X 若使得銜鐵向上移動(dòng)取為若使得銜鐵向上移動(dòng)取為- ，得此時(shí)電感為，得此時(shí)電感為： 則電感增量為：則電感增量為： 線圈電感的相對(duì)變化量為：線圈電感的相對(duì)變化量為： 若若 0l，則可得則可得m-=0022SWL-=-=1100LLLL-=110LL =40302000LLX 同理可得當(dāng)銜鐵向下移動(dòng)時(shí)的同理可得當(dāng)銜鐵向下移動(dòng)時(shí)的 LL0為為 由上式可見，線圈電感與氣隙長度的關(guān)系為非線性關(guān)系，非線性由上式可見，線圈電感與氣隙長度的關(guān)系為非線性關(guān)系，非線性度隨氣隙變化量的增大而增大，只有當(dāng)度隨氣隙變化量的增大而增大，只有當(dāng) 很小時(shí)，忽略高次項(xiàng)的存很小時(shí)，忽略高次項(xiàng)的存在，可得近似的線性

12、關(guān)系（這里未考慮漏磁的影響）。所以，在，可得近似的線性關(guān)系（這里未考慮漏磁的影響）。所以，單邊變單邊變間隙式電感傳感器存在線性度要求與測量范圍要求的矛盾間隙式電感傳感器存在線性度要求與測量范圍要求的矛盾。 電感電感L與氣隙長度與氣隙長度 的關(guān)系如圖所示。它是一條雙曲線，所以非的關(guān)系如圖所示。它是一條雙曲線，所以非線性是較嚴(yán)重的。為了得到一定的線性度，一般取線性是較嚴(yán)重的。為了得到一定的線性度，一般取 / 0=0.10.2。- - -=40302000LL 0 - L L0+ L- LX 差動(dòng)式變間隙電感傳感器，要求上、下兩鐵芯和線圈的幾何尺寸與差動(dòng)式變間隙電感傳感器，要求上、下兩鐵芯和線圈的幾

13、何尺寸與電氣參數(shù)完全對(duì)稱，當(dāng)銜鐵偏離對(duì)稱位置移動(dòng)時(shí)，使一邊間隙增大，而電氣參數(shù)完全對(duì)稱，當(dāng)銜鐵偏離對(duì)稱位置移動(dòng)時(shí)，使一邊間隙增大，而另一邊減小，兩個(gè)線圈電感的總變化量為另一邊減小，兩個(gè)線圈電感的總變化量為 忽略高次項(xiàng)，其電感的變化量為忽略高次項(xiàng)，其電感的變化量為 可見，差動(dòng)式的靈敏度比單邊式的增加了近一倍，而且差動(dòng)式的可見，差動(dòng)式的靈敏度比單邊式的增加了近一倍，而且差動(dòng)式的（ L1+ L2）L0式中不包含（式中不包含（ 0）的偶次項(xiàng)，所以在相同的（）的偶次項(xiàng)，所以在相同的（ 0）下，其非線性誤差比單邊的要小得多。所以，實(shí)用中經(jīng)常采用差）下，其非線性誤差比單邊的要小得多。所以，實(shí)用中經(jīng)常采用差動(dòng)

14、式結(jié)構(gòu)。差動(dòng)變間隙電感傳感器的線性工作范圍一般取動(dòng)式結(jié)構(gòu)。差動(dòng)變間隙電感傳感器的線性工作范圍一般取 0 = 0.30.4。 =503002LL2LLX 2 2、變面積式電感傳感器、變面積式電感傳感器 對(duì)單邊式結(jié)構(gòu)，在起始狀態(tài)時(shí)，鐵芯與銜鐵在氣隙處正對(duì)著，其對(duì)單邊式結(jié)構(gòu)，在起始狀態(tài)時(shí)，鐵芯與銜鐵在氣隙處正對(duì)著，其截面積為截面積為S S00= =abab。當(dāng)銜鐵隨被測量上、下移動(dòng)時(shí)，。當(dāng)銜鐵隨被測量上、下移動(dòng)時(shí)，( a ) ( b ) b a x 0 bxaS-=X 則線圈電感則線圈電感L L為為: : 線圈電感線圈電感L L與面積與面積S S（或（或x x）呈線性關(guān)系，其靈敏度）呈線性關(guān)系，其靈

15、敏度k k為一常數(shù)，即為一常數(shù)，即 正確選擇線圈匝數(shù)、鐵芯尺寸，可提高靈敏度，但是采用圖（正確選擇線圈匝數(shù)、鐵芯尺寸，可提高靈敏度，但是采用圖（b b）差動(dòng)式結(jié)構(gòu)更好。差動(dòng)式結(jié)構(gòu)更好。xabWL-=0202m0202mbWxLk=X 3 3、螺線管式、螺線管式 螺線管式電感傳感器如圖所示。它由螺線管式電感傳感器如圖所示。它由螺線管形線圈、磁性材料制成的柱形鐵芯螺線管形線圈、磁性材料制成的柱形鐵芯和外套組成。螺管式電感傳感器建立在磁和外套組成。螺管式電感傳感器建立在磁路磁阻隨著銜鐵長度不同而變化的基礎(chǔ)上。路磁阻隨著銜鐵長度不同而變化的基礎(chǔ)上。設(shè)線圈長度和平均半徑分別為設(shè)線圈長度和平均半徑分別為l

16、 l和和r r，鐵芯，鐵芯進(jìn)入線圈的長度和鐵芯半徑分別為進(jìn)入線圈的長度和鐵芯半徑分別為x x和和r ra a，鐵芯有效磁導(dǎo)率為鐵芯有效磁導(dǎo)率為0 0 。 x (b) l (a) l x r ra r raX 線圈的電感量線圈的電感量L L為為 L L與與x x呈線性關(guān)系，其靈敏度呈線性關(guān)系，其靈敏度K K為為 實(shí)際上，由于漏磁因素等的影響，管內(nèi)磁場強(qiáng)度實(shí)際上，由于漏磁因素等的影響，管內(nèi)磁場強(qiáng)度B B的分布并非完的分布并非完全均勻，故特性具有非線性。但是，在鐵芯移動(dòng)范圍內(nèi)，能夠?qū)ふ乙蝗鶆颍侍匦跃哂蟹蔷€性。但是，在鐵芯移動(dòng)范圍內(nèi)，能夠?qū)ふ乙欢畏蔷€性誤差較小的區(qū)域或者采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，如圖（段非線

17、性誤差較小的區(qū)域或者采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，如圖（b b）所示，則）所示，則可得到較理想的改善。可得到較理想的改善。 2aa220 xrlrlWLmm=2aa20rlWxLKmm=X 在差動(dòng)式結(jié)構(gòu)中，由于兩線圈部分完全對(duì)稱，故當(dāng)鐵芯處于中央對(duì)在差動(dòng)式結(jié)構(gòu)中，由于兩線圈部分完全對(duì)稱，故當(dāng)鐵芯處于中央對(duì)稱位置時(shí)，兩線圈電感相等，即稱位置時(shí)，兩線圈電感相等，即=22aa2202010 xrlrlWLLmmxrlWLxrlWL-=2aa2022aa201mmmm2aa202rlWKmm=X 6.1.3 6.1.3 電感傳感器的測量電路電感傳感器的測量電路 電感傳感器最常用的測量電路是交流電橋式測量電路，它有三

18、種基電感傳感器最常用的測量電路是交流電橋式測量電路，它有三種基本形式，即電阻平衡臂電橋、變壓器電橋、緊耦合電感比例臂電橋。本形式，即電阻平衡臂電橋、變壓器電橋、緊耦合電感比例臂電橋。Usr .Z1 Z2 L1 L2 R1 R2 Rs1 Rs2 ZL UscUsr .Z1Z2 I . A B . UscUsr . I1 I2Z1Z2 Lc Lc M Usc . 1 2 3 (a) (b) (c)X 1電阻平衡臂電橋電阻平衡臂電橋 圖（圖（a）所示是差動(dòng)電感傳感器所用的電阻平衡臂電橋，它把傳感）所示是差動(dòng)電感傳感器所用的電阻平衡臂電橋，它把傳感器的兩個(gè)線圈作為電橋的兩個(gè)橋臂器的兩個(gè)線圈作為電橋的兩

19、個(gè)橋臂Z1和和Z2，另兩個(gè)相鄰的橋臂用純電，另兩個(gè)相鄰的橋臂用純電阻阻R代替，對(duì)于高代替，對(duì)于高Q值的差動(dòng)電感傳感器，其輸出為值的差動(dòng)電感傳感器，其輸出為 電橋輸出電壓與電橋輸出電壓與 有關(guān)，相位與銜鐵的移動(dòng)方向有關(guān)。有關(guān)，相位與銜鐵的移動(dòng)方向有關(guān)。=0srsc2UUX 2 2、變壓器式電橋電路、變壓器式電橋電路 相鄰兩工作臂為相鄰兩工作臂為Z Z1 1、Z Z2 2，是差動(dòng)電感傳感器的兩個(gè)線圈的阻抗。另，是差動(dòng)電感傳感器的兩個(gè)線圈的阻抗。另兩臂為變壓器次級(jí)線圈的兩半，輸出電壓取自兩臂為變壓器次級(jí)線圈的兩半，輸出電壓取自A A、B B兩點(diǎn)。且傳感器線圈兩點(diǎn)。且傳感器線圈為高為高 Q Q值，那么

20、我們就可以推導(dǎo)其輸出特性公式為值，那么我們就可以推導(dǎo)其輸出特性公式為UUZZZUUU21211BAsc-=-=X 當(dāng)銜鐵上移時(shí)當(dāng)銜鐵上移時(shí) 因?yàn)樵谝驗(yàn)樵赒值很高時(shí)，線圈內(nèi)阻可以忽略，所以值很高時(shí)，線圈內(nèi)阻可以忽略，所以 同理可推出同理可推出 由式可見，銜鐵上移和下移時(shí)，輸出電壓相位相反，且隨由式可見，銜鐵上移和下移時(shí)，輸出電壓相位相反，且隨 的變的變化輸出電壓也相應(yīng)地改變。化輸出電壓也相應(yīng)地改變。ZZZ=1ZZZ-=2UZZUUZZZZU221211sc=-=ULLULLU2j2jsc=ULLU2sc-=X 3 3、緊耦合電感比例臂電橋、緊耦合電感比例臂電橋（詳見教科書（詳見教科書） 緊耦合電

21、感比例臂電橋常用于差動(dòng)式電感或電容傳感器，它由以緊耦合電感比例臂電橋常用于差動(dòng)式電感或電容傳感器，它由以差動(dòng)形式工作的傳感器的兩個(gè)阻抗作電橋的工作臂，而緊耦合的兩個(gè)差動(dòng)形式工作的傳感器的兩個(gè)阻抗作電橋的工作臂，而緊耦合的兩個(gè)電感作為固定臂電感作為固定臂，組成電橋電路。緊耦合電感及其組成電橋電路。緊耦合電感及其T T型等效變換如圖型等效變換如圖所示。所示。 1 1 2 2 2 2 3 3 M LC LC Z13 Z12 Zp Zs Zs (a) (b) X 6.2 6.2 差動(dòng)變壓器式電感傳感器差動(dòng)變壓器式電感傳感器 差動(dòng)變壓器式電感傳感器：是把被測量變換轉(zhuǎn)換為線圈互感變化來檢測的傳感器，即:互

22、感系數(shù)M 差動(dòng)變壓器本身是一個(gè)差動(dòng)變壓器本身是一個(gè)變壓器變壓器，初級(jí)線圈輸入，初級(jí)線圈輸入交流電壓，次級(jí)線圈感應(yīng)出電信號(hào)，當(dāng)互感受外界影交流電壓，次級(jí)線圈感應(yīng)出電信號(hào)，當(dāng)互感受外界影響變化時(shí)，其感應(yīng)電壓也隨之起相應(yīng)的變化。響變化時(shí)，其感應(yīng)電壓也隨之起相應(yīng)的變化。 由于變壓器的次級(jí)線圈接成由于變壓器的次級(jí)線圈接成差動(dòng)差動(dòng)的形式，故稱為差的形式，故稱為差動(dòng)變壓器。動(dòng)變壓器。X (e)(e)、(f) (f) 變面積式差動(dòng)變壓器變面積式差動(dòng)變壓器 (a)(a)、(b) (b) 變隙式差動(dòng)變壓器變隙式差動(dòng)變壓器(c)(c)、(d) (d) 螺線管式差動(dòng)變壓器螺線管式差動(dòng)變壓器X 6.2.1 6.2.1

23、工作原理工作原理 差動(dòng)變壓器，有兩個(gè)鐵芯，上下兩只鐵芯上均有一個(gè)初級(jí)線圈差動(dòng)變壓器，有兩個(gè)鐵芯，上下兩只鐵芯上均有一個(gè)初級(jí)線圈W W1 1（也稱勵(lì)磁線圈）和一個(gè)次級(jí)線圈（也稱勵(lì)磁線圈）和一個(gè)次級(jí)線圈W W2 2（也叫輸出線圈）。上下兩個(gè)初級(jí)（也叫輸出線圈）。上下兩個(gè)初級(jí)線圈串聯(lián)后接交流勵(lì)磁電源電壓線圈串聯(lián)后接交流勵(lì)磁電源電壓U Usrsr，兩個(gè)次級(jí)線圈則，兩個(gè)次級(jí)線圈則按電勢反相串聯(lián)按電勢反相串聯(lián)。 1 Usr (a) 2 2 1 UscUsr (b) UscX 6.2.2 6.2.2 差動(dòng)變壓器式傳感器的特性差動(dòng)變壓器式傳感器的特性 U Usrsr 初級(jí)線圈激勵(lì)電壓；初級(jí)線圈激勵(lì)電壓； L

24、L1 1、R R1 1 初級(jí)線圈電感和電阻；初級(jí)線圈電感和電阻； M M1 1、M M2 2 分別為初級(jí)與次級(jí)線圈分別為初級(jí)與次級(jí)線圈 l l、2 2間的互感；間的互感； L L2121、L L22 22 兩個(gè)次級(jí)線圈的電感；兩個(gè)次級(jí)線圈的電感； R R2121、R R22 22 兩個(gè)次級(jí)線圈的電阻；兩個(gè)次級(jí)線圈的電阻； 初級(jí)初級(jí) 次級(jí)線圈的匝數(shù)分別為次級(jí)線圈的匝數(shù)分別為 W W1 1、 W W2 2，當(dāng)有氣隙時(shí)，當(dāng)有氣隙時(shí)， 傳感器的磁回路中的總磁阻傳感器的磁回路中的總磁阻 近似值為近似值為R R UscUsr R1R21R22 L21 L22 L1 e21 e22 M1 M2X 在初始狀態(tài)

25、時(shí)，初級(jí)線圈電感為在初始狀態(tài)時(shí)，初級(jí)線圈電感為 初始時(shí)，初級(jí)線圈的阻抗分別為初始時(shí)，初級(jí)線圈的阻抗分別為 此時(shí)初級(jí)線圈的電流為此時(shí)初級(jí)線圈的電流為 當(dāng)有氣隙變化當(dāng)有氣隙變化d d 時(shí)，兩個(gè)初級(jí)線圈的電感值分別為時(shí)，兩個(gè)初級(jí)線圈的電感值分別為 211211RWLL=11111LRZj=12112LRZj j=11sr12LRUIj=m=SWL0212Xm-=SWL0211 次級(jí)線圈的輸出電壓次級(jí)線圈的輸出電壓U USCSC為兩個(gè)線圈感應(yīng)電勢之差為兩個(gè)線圈感應(yīng)電勢之差而感應(yīng)電勢分別為而感應(yīng)電勢分別為式中式中M M1 1及及M M2 2為初級(jí)與次級(jí)之間的互感系數(shù)，其值分別為為初級(jí)與次級(jí)之間的互感系數(shù)

26、，其值分別為 得得 2221SCEEU-=-=-=12221121IMEIMEjj=-=mmSWWIWMSWWIWM02112220211121-=-=220211121sc2mSWWIIMMUjjX 整理上式整理上式 當(dāng)當(dāng)w wR R 時(shí)：時(shí)： 傳感器的靈敏度：傳感器的靈敏度： 因此：差動(dòng)變壓器式傳感器的特性是因此：差動(dòng)變壓器式傳感器的特性是線性的線性的； 其靈敏度取決于：其靈敏度取決于：磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、初、次級(jí)線圈的匝磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、初、次級(jí)線圈的匝數(shù)比、激磁電源電壓的大小數(shù)比、激磁電源電壓的大小。 可以通過可以通過改變匝數(shù)比改變匝數(shù)比及及提高電源電壓提高電源電壓的辦法來提高靈敏度。的

27、辦法來提高靈敏度。11sr1211sc22LRUWWLUjj-=sr012scUWWU-=0sr12SCUWWUS=X 6.3 6.3 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 電渦流傳感器屬電渦流傳感器屬主動(dòng)測量技術(shù)主動(dòng)測量技術(shù)，即：在測試中，測量儀器主動(dòng)發(fā)射能，即：在測試中，測量儀器主動(dòng)發(fā)射能量，觀察被測對(duì)象吸收（透射式）或反射能量，不需要被測對(duì)象主動(dòng)作量，觀察被測對(duì)象吸收（透射式）或反射能量，不需要被測對(duì)象主動(dòng)作功。功。 渦流傳感器的測量屬于渦流傳感器的測量屬于非接觸測量非接觸測量，特別是用于測量運(yùn)動(dòng)的物體。，特別是用于測量運(yùn)動(dòng)的物體。 電渦流式傳感器特點(diǎn)：電渦流式傳感器特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡單、體積小、頻

28、率響應(yīng)寬、靈敏度高等特點(diǎn)，在測試技術(shù)中日結(jié)構(gòu)簡單、體積小、頻率響應(yīng)寬、靈敏度高等特點(diǎn)，在測試技術(shù)中日益得到重視和推廣應(yīng)用。益得到重視和推廣應(yīng)用。 電渦流傳感器的應(yīng)用沒有特定的目標(biāo)電渦流傳感器的應(yīng)用沒有特定的目標(biāo) ，一切與渦流有關(guān)的因素，在，一切與渦流有關(guān)的因素，在原則上都可用于測量目的。原則上都可用于測量目的。X 6.3.1 6.3.1 電渦流式傳感器的工作原理及特性電渦流式傳感器的工作原理及特性 電感線圈產(chǎn)生的電感線圈產(chǎn)生的磁力線經(jīng)過金屬導(dǎo)體磁力線經(jīng)過金屬導(dǎo)體時(shí)，金屬導(dǎo)體就會(huì)產(chǎn)生時(shí)，金屬導(dǎo)體就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電感應(yīng)電流流，該電流的流線呈閉合回線，類似水渦形狀，故稱之為，該電流的流線呈閉合回線，類似

29、水渦形狀，故稱之為電渦流電渦流。 原理：原理： 電渦流式傳感器是以電渦流式傳感器是以電渦流效應(yīng)電渦流效應(yīng)為基礎(chǔ)，由一個(gè)線圈和與線圈為基礎(chǔ)，由一個(gè)線圈和與線圈鄰近的金屬體組成。當(dāng)線圈通入交變電流時(shí)，在線圈的周圍產(chǎn)生一交變鄰近的金屬體組成。當(dāng)線圈通入交變電流時(shí)，在線圈的周圍產(chǎn)生一交變磁場磁場H H1 1，處于該磁場中的金屬體上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，并形成渦流。金屬體，處于該磁場中的金屬體上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，并形成渦流。金屬體上流動(dòng)的電渦流也將產(chǎn)生相應(yīng)的磁場上流動(dòng)的電渦流也將產(chǎn)生相應(yīng)的磁場H H2 2。H H2 2與與H H1 1方向相反，對(duì)線圈磁場方向相反，對(duì)線圈磁場H H1 1起抵消作用。從而引起起抵消

30、作用。從而引起線圈等效阻抗線圈等效阻抗 Z Z或或等效電感等效電感L L或或品質(zhì)因數(shù)品質(zhì)因數(shù)相應(yīng)變化。相應(yīng)變化。 金屬體上的電渦流越大，這些參數(shù)的變化亦越大。金屬體上的電渦流越大，這些參數(shù)的變化亦越大。 X R R1 1、L L1 1線圈原有的電阻、電感（周圍無金屬體）；線圈原有的電阻、電感（周圍無金屬體）； R R2 2、L L2 2電渦流等效短路環(huán)的電阻和電感；電渦流等效短路環(huán)的電阻和電感； 勵(lì)磁電流的角頻率；勵(lì)磁電流的角頻率； M M 線圈與金屬體之間的互感系數(shù)；線圈與金屬體之間的互感系數(shù)； 電源電壓。電源電壓。 H 電 渦 流 L 磁 通 I R2 R1 M I2 L2 I1 L1 U

31、 UX電渦流式傳感器的工作原理及等效電路電渦流式傳感器的工作原理及等效電路 根據(jù)其等效電路，列出電路方程根據(jù)其等效電路，列出電路方程 解方程組，其結(jié)果為解方程組，其結(jié)果為 =-=-0jjjj2212121111ILIRIMUIMILIR2222222122222221222222211jLLRMLLLLRMLRLRMRIUZ-=-= H 電渦流 L 磁通 I R2 R1 M I2 L2 I1 L1 U X 結(jié)論：結(jié)論：Z Z、L L、M M均為互感的函數(shù)。均為互感的函數(shù)。 對(duì)于已定的線對(duì)于已定的線 圈，圈，Z Z、L L 和和 Q Q 取決于：金屬取決于：金屬 體與線體與線 圈的相對(duì)圈的相對(duì)位

32、置，金屬體的材料、尺寸、形狀等。位置，金屬體的材料、尺寸、形狀等。 當(dāng)一個(gè)參數(shù)隨被測量而變化，其它參數(shù)不變時(shí)，采用電當(dāng)一個(gè)參數(shù)隨被測量而變化，其它參數(shù)不變時(shí)，采用電渦流式傳感器，并配用相應(yīng)的測量線路，可得到與該被測量相渦流式傳感器，并配用相應(yīng)的測量線路，可得到與該被測量相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)（電壓、電流或頻率）輸出。對(duì)應(yīng)的電信號(hào)（電壓、電流或頻率）輸出。 應(yīng)用：應(yīng)用： 測量位移、金屬體厚度、溫度等參數(shù)，并可作探傷用。測量位移、金屬體厚度、溫度等參數(shù)，并可作探傷用。 22222212222222121111LRMRRLRMLLRLQ-=X 6.3.2 6.3.2 電渦流式傳感器結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)電渦流式傳感器結(jié)

33、構(gòu)及特點(diǎn) 1 1變間隙式變間隙式 變間隙式傳感器通常變間隙式傳感器通常采用采用扁平線圈扁平線圈，金屬體與線圈平面平行放，金屬體與線圈平面平行放置，如圖（置，如圖（a a）所示。）所示。 金屬體是傳感器的另一組成部分，它的物理性質(zhì)、尺寸與形狀金屬體是傳感器的另一組成部分，它的物理性質(zhì)、尺寸與形狀也與傳感器特性密切相關(guān)。也與傳感器特性密切相關(guān)。 金屬體的電導(dǎo)率高、磁導(dǎo)率低者，其靈敏度高。同時(shí)，金屬體金屬體的電導(dǎo)率高、磁導(dǎo)率低者，其靈敏度高。同時(shí)，金屬體不應(yīng)過小、過薄，否則對(duì)測量結(jié)果均有影響。不應(yīng)過小、過薄，否則對(duì)測量結(jié)果均有影響。X 2 2變面積式變面積式 組成同變間隙式相似。組成同變間隙式相似。

34、 原理：原理：是利用金屬體與傳感器線圈之間是利用金屬體與傳感器線圈之間相對(duì)覆蓋面積相對(duì)覆蓋面積的變化，的變化，引起渦流效應(yīng)變化的原理工作的。引起渦流效應(yīng)變化的原理工作的。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：其靈敏度和線性范圍比變間隙式好。其靈敏度和線性范圍比變間隙式好。 為了減小軸向間隙的影響，常采用圖（為了減小軸向間隙的影響，常采用圖（b b）所示的差動(dòng)形式，）所示的差動(dòng)形式，將兩線圈串聯(lián)，以補(bǔ)償軸向間隙變化的影響。將兩線圈串聯(lián)，以補(bǔ)償軸向間隙變化的影響。 6.3.2 6.3.2 電渦流式傳感器結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)電渦流式傳感器結(jié)構(gòu)及特點(diǎn) 3 3螺線管式螺線管式 組成：組成：由繞在同一骨架上的兩個(gè)線圈由繞在同一骨架上的兩個(gè)

35、線圈 l l、2 2和套在線圈外的金屬短和套在線圈外的金屬短路套筒所組成，筒長約為線圈的路套筒所組成，筒長約為線圈的6060。 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 線性比較好，但靈敏度不太高。線性比較好，但靈敏度不太高。 線圈 2 短路套筒 線圈 1X 6.3.2 6.3.2 電渦流式傳感器結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)電渦流式傳感器結(jié)構(gòu)及特點(diǎn) 4 4低頻透射式低頻透射式 勵(lì)磁電壓勵(lì)磁電壓U U1 1 施加于線圈施加于線圈L L1 1 的兩端，在的兩端，在L L2 2兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢U U2 2。 當(dāng)當(dāng)L L1 1與與L L2 2之間無金屬體時(shí)，之間無金屬體時(shí)，L L1 1產(chǎn)生的磁場產(chǎn)生的磁場全部貫穿全部貫穿L L

36、2 2，U U2 2最大；當(dāng)有金屬體時(shí)，因渦最大；當(dāng)有金屬體時(shí)，因渦流形成的反磁場作用，流形成的反磁場作用，U U2 2將降低。將降低。 渦流越大，即金屬導(dǎo)電性越好或金屬板渦流越大，即金屬導(dǎo)電性越好或金屬板越厚，越厚，U U2 2將越小。將越小。 當(dāng)金屬體材料一定時(shí)，當(dāng)金屬體材料一定時(shí)，U U2 2將與金屬板厚度相對(duì)應(yīng)。將與金屬板厚度相對(duì)應(yīng)。X 6.3.2 6.3.2 電渦流式傳感器結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)電渦流式傳感器結(jié)構(gòu)及特點(diǎn) 注意：注意：電渦流傳感器的線圈與被測金屬體之間是電渦流傳感器的線圈與被測金屬體之間是磁性耦合磁性耦合的，利用的，利用耦耦合程度的變化作為測試值合程度的變化作為測試值。因此，傳感器

37、的線圈裝置僅為因此，傳感器的線圈裝置僅為“實(shí)際測試傳實(shí)際測試傳感器的一半感器的一半”，另一半是被測體。，另一半是被測體。 被測體的被測體的物理性質(zhì)、尺寸和形狀物理性質(zhì)、尺寸和形狀都與測量裝置的特性密切相關(guān)。都與測量裝置的特性密切相關(guān)。 在在電渦流式傳感器的使用中，必須考慮電渦流式傳感器的使用中，必須考慮。 6.3.3 6.3.3 影響渦流傳感器靈敏度的因素影響渦流傳感器靈敏度的因素 1 1被測體材料對(duì)測量影響被測體材料對(duì)測量影響 線圈的阻抗線圈的阻抗 Z Z與材料電阻率與材料電阻率r r 、磁導(dǎo)率、磁導(dǎo)率有關(guān)，它們將影響電渦有關(guān)，它們將影響電渦流的貫穿深度，影響損耗功率，也就引起傳感器靈敏度的

38、變化。流的貫穿深度，影響損耗功率，也就引起傳感器靈敏度的變化。 2 2被測體大小和形狀對(duì)測量的影響被測體大小和形狀對(duì)測量的影響 被測物體的面積比傳感器的面積大很多時(shí)，靈敏度不發(fā)生變化；當(dāng)被測物體的面積比傳感器的面積大很多時(shí)，靈敏度不發(fā)生變化；當(dāng)被測物體面積為傳感器線圈面積的一半時(shí)，其靈敏度減少一半；面積更被測物體面積為傳感器線圈面積的一半時(shí)，其靈敏度減少一半；面積更小時(shí)，靈敏度顯著下降。小時(shí)，靈敏度顯著下降。 被測體為圓柱體時(shí)，它的直徑被測體為圓柱體時(shí)，它的直徑D D必須為線圈直徑必須為線圈直徑d d的的3.53.5倍以上，才倍以上，才不影響被測結(jié)果，在不影響被測結(jié)果，在D Dd d為為 l

39、l時(shí)，靈敏度將降低為時(shí)，靈敏度將降低為7070左右。左右。 被測體的厚度也不能太薄。但一般來說，只要有被測體的厚度也不能太薄。但一般來說，只要有0.2mm0.2mm以上的厚度，以上的厚度，測量不會(huì)受到影響（銅、鋁箔等為測量不會(huì)受到影響（銅、鋁箔等為0.07mm0.07mm以上）。以上）。 3 3傳感器形狀和大小對(duì)傳感器的靈敏度影響傳感器形狀和大小對(duì)傳感器的靈敏度影響 傳感器的主要構(gòu)成是線圈，它的形狀和尺寸關(guān)系到傳感器的靈敏度傳感器的主要構(gòu)成是線圈，它的形狀和尺寸關(guān)系到傳感器的靈敏度和測量范圍，而靈敏度和線性范圍是與線圈產(chǎn)生的磁場分布有關(guān)。和測量范圍，而靈敏度和線性范圍是與線圈產(chǎn)生的磁場分布有關(guān)

40、。X 單匝載流圓導(dǎo)線在軸上的磁感應(yīng)強(qiáng)度單匝載流圓導(dǎo)線在軸上的磁感應(yīng)強(qiáng)度，根據(jù)畢奧根據(jù)畢奧沙伐沙伐拉普拉斯拉普拉斯定律計(jì)算可得定律計(jì)算可得： 由圖由圖：半徑小的載流圓導(dǎo)線，在靠近圓導(dǎo)線處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度大；半徑小的載流圓導(dǎo)線，在靠近圓導(dǎo)線處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度大；而在遠(yuǎn)離圓導(dǎo)線處，則是半徑大的磁感應(yīng)強(qiáng)度大。而在遠(yuǎn)離圓導(dǎo)線處，則是半徑大的磁感應(yīng)強(qiáng)度大。 這說明，線圈外徑大的，線圈的磁場軸向分布大，測量范圍大，線這說明，線圈外徑大的，線圈的磁場軸向分布大，測量范圍大，線性范圍相應(yīng)就大，但磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化梯度小，因此靈敏度就低；性范圍相應(yīng)就大，但磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化梯度小，因此靈敏度就低；232220P2xr

41、IrB=mX 6.3.4 6.3.4 測量電路測量電路 1.1.調(diào)頻式電路調(diào)頻式電路 傳感器線圈接入傳感器線圈接入LCLC振蕩回路，當(dāng)傳感器與被測導(dǎo)體距離振蕩回路，當(dāng)傳感器與被測導(dǎo)體距離x x改變時(shí)，改變時(shí)，在渦流影響下，傳感器的電感變化，導(dǎo)致振蕩頻率的變化。在渦流影響下，傳感器的電感變化，導(dǎo)致振蕩頻率的變化。 變化的頻率是距離變化的頻率是距離x x的函數(shù)的函數(shù) ：f f = = L L( (x x) )。 頻率可由數(shù)字頻率計(jì)直接測量，或者通過頻率可由數(shù)字頻率計(jì)直接測量，或者通過f fV V變換，用數(shù)字電壓變換，用數(shù)字電壓表測量對(duì)應(yīng)的電壓。表測量對(duì)應(yīng)的電壓。 頻 率 計(jì) 電 壓 表 F V 振

42、蕩器 C L xX 2調(diào)幅式電路調(diào)幅式電路 傳感器線圈傳感器線圈L L和電容器和電容器C C并聯(lián)組成并聯(lián)組成諧振回路諧振回路，石英晶體組成石英晶體，石英晶體組成石英晶體振蕩電路。石英晶體振蕩器是一個(gè)恒流源，給諧振回路提供一個(gè)頻率振蕩電路。石英晶體振蕩器是一個(gè)恒流源，給諧振回路提供一個(gè)頻率（f f0 0）穩(wěn)定的激勵(lì)電流）穩(wěn)定的激勵(lì)電流I I0 0，LCLC回路輸出電壓為回路輸出電壓為 原理：原理：當(dāng)金屬導(dǎo)體遠(yuǎn)離或被去掉時(shí)，當(dāng)金屬導(dǎo)體遠(yuǎn)離或被去掉時(shí)，LCLC并聯(lián)諧振回路頻率即為石英振并聯(lián)諧振回路頻率即為石英振蕩頻率蕩頻率f f0 0，回路呈現(xiàn)的阻抗最大，諧振回路上的輸出電壓也最大；，回路呈現(xiàn)的阻抗最大，諧振回路上