第四章_電感式傳感器

1、項目四項目四 電感式傳感器電感式傳感器項目四項目四 電感式傳感器電感式傳感器項目四項目四 電感式傳感器電感式傳感器 任務(wù)一任務(wù)一 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器 任務(wù)二任務(wù)二 互感式傳感器互感式傳感器任務(wù)三任務(wù)三 電渦流式傳感器電渦流式傳感器內(nèi)容提要內(nèi)容提要學(xué)習(xí)目標學(xué)習(xí)目標 掌握變隙式、變面積式、差動自感傳感器掌握變隙式、變面積式、差動自感傳感器原理；理解測量電路原理；了解互感傳感器工原理；理解測量電路原理；了解互感傳感器工作原理；掌握相敏檢波原理；掌握電渦流傳感作原理；掌握相敏檢波原理；掌握電渦流傳感器原理及其種類；了解電感傳感器應(yīng)用。器原理及其種類；了解電感傳感器應(yīng)用。項目四項目四 電感式傳

2、感器電感式傳感器 被測非電量被測非電量自感系數(shù)自感系數(shù)L L互感系數(shù)互感系數(shù)M M U U、I I、f f定義：定義：是一種利用線圈是一種利用線圈自感自感和和互感互感的變化實現(xiàn)非電量電的變化實現(xiàn)非電量電測的裝置。測的裝置。應(yīng)用：測量位移、振動、壓力、應(yīng)變、流量、比重等。應(yīng)用：測量位移、振動、壓力、應(yīng)變、流量、比重等。種類：種類：根據(jù)轉(zhuǎn)換原理分：根據(jù)轉(zhuǎn)換原理分：自感式自感式、互感式互感式、電渦流式電渦流式； 根據(jù)結(jié)構(gòu)型式分：根據(jù)結(jié)構(gòu)型式分：氣隙型氣隙型、面積型面積型和和螺管型螺管型。項目四項目四 電感式傳感器電感式傳感器優(yōu)點：優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、可靠，測量力小結(jié)構(gòu)簡單、可靠，測量力小分辨力高分辨力高

3、機械位移機械位移0.1m0.1m，甚至更??；角位移，甚至更??；角位移0.10.1角秒。角秒。輸出信號強，電壓靈敏度可達數(shù)百輸出信號強，電壓靈敏度可達數(shù)百mV/mm mV/mm 。重復(fù)性好，線性度優(yōu)良重復(fù)性好，線性度優(yōu)良在幾十在幾十mm到數(shù)百到數(shù)百mmmm的位移范圍內(nèi)，輸出特性的線的位移范圍內(nèi)，輸出特性的線性度較好，且比較穩(wěn)定。性度較好，且比較穩(wěn)定。能實現(xiàn)遠距離傳輸、記錄、顯示和控制。能實現(xiàn)遠距離傳輸、記錄、顯示和控制。不足：存在交流零位信號，不宜高頻動態(tài)測量。不足：存在交流零位信號，不宜高頻動態(tài)測量。 項目四項目四 電感式傳感器電感式傳感器任務(wù)一任務(wù)一 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器活動一、變隙

4、式自感傳感器活動一、變隙式自感傳感器活動二、變面積自感傳感器活動二、變面積自感傳感器活動三、螺管式自感傳感器活動三、螺管式自感傳感器活動四、差動自感傳感器活動四、差動自感傳感器活動六、變磁阻式傳感器的應(yīng)用活動六、變磁阻式傳感器的應(yīng)用活動五、測量電路活動五、測量電路項目四項目四 電感式傳感器電感式傳感器活動一、變隙式自感傳感器活動一、變隙式自感傳感器1 1、結(jié)構(gòu)和工作原理、結(jié)構(gòu)和工作原理線圈線圈鐵芯鐵芯銜鐵銜鐵MRNL2l1：鐵芯磁路總長；鐵芯磁路總長；l2：銜鐵的磁路長；銜鐵的磁路長；A：氣隙磁通截面積；氣隙磁通截面積；A1：鐵芯橫截面積；鐵芯橫截面積；A2：銜鐵橫截面積；銜鐵橫截面積；0=4

5、10-7Hm； ：空氣隙厚度?？諝庀逗穸?。項目四項目四 電感式傳感器電感式傳感器 2202ANRNL 空氣磁導(dǎo)率空氣磁導(dǎo)率 RRRFM RRF 222111ALALRF AR02 鐵芯與銜鐵磁阻鐵芯與銜鐵磁阻空氣隙磁阻空氣隙磁阻項目四項目四 電感式傳感器電感式傳感器 2202ANRNL 項目四項目四 電感式傳感器電感式傳感器 2202ANRNL 項目四項目四 電感式傳感器電感式傳感器 ，A AL 2202ANRNL 項目四項目四 電感式傳感器電感式傳感器2 2、變氣隙式輸出特性、變氣隙式輸出特性00220 ANL 銜鐵下移銜鐵下移 0000111 LL線圈線圈鐵芯鐵芯銜鐵銜鐵 0, 00000

6、112222 ANANLLL 00000122202LAN項目四項目四 電感式傳感器電感式傳感器001 LL時時，當當 1 0 .LL 3020001 0000111 LL0010LLK項目四項目四 電感式傳感器電感式傳感器時，當 10002 LL 0, 0022200000222LANANLLL.LL 3020002 0010LLK項目四項目四 電感式傳感器電感式傳感器活動二、變面積自感傳感器活動二、變面積自感傳感器銜鐵移動位移銜鐵移動位移x,則則 xabxARM00 axLaxabNxANRNxLM11002022電感變化與移動位移電感變化與移動位移x成線性關(guān)系。成線性關(guān)系。x xa a項

7、目四項目四 電感式傳感器電感式傳感器三、螺管式自感傳感器三、螺管式自感傳感器 鐵鐵 芯芯位移位移x0lAxlRM00 00002211lxLxlANRNxLM 鐵芯在線圈中伸入長度變化，引起螺管線圈自感鐵芯在線圈中伸入長度變化，引起螺管線圈自感值變化。值變化。項目四項目四 電感式傳感器電感式傳感器 當銜鐵當銜鐵3 3移動時，一個線圈的電感量增加，移動時，一個線圈的電感量增加，另一個線圈的電感量減少，形成差動形式。另一個線圈的電感量減少，形成差動形式。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1 12 23 34 44 4四、差動自感傳感器四、差動自感傳感器項目四項目

8、四 電感式傳感器電感式傳感器43 32 21 13 31 14 41-1-線圈線圈 2-2-鐵芯鐵芯 3-3-銜鐵銜鐵 4-4-導(dǎo)桿導(dǎo)桿項目四項目四 電感式傳感器電感式傳感器變隙式差動自感傳感器變隙式差動自感傳感器銜鐵銜鐵R1R2L2L1ACU0U .LL32000011 .LL30200021 )(ANL 00122)(ANL 002220LL0K項目四項目四 電感式傳感器電感式傳感器 .LLLL530000122 .LLLLL5300000122 0002LLK%100%100|/|2|)/( |220030r002LL項目四項目四 電感式傳感器電感式傳感器 差動式差動式與與單線圈單線圈電

9、感式傳感器相比電感式傳感器相比: : 線性度較好；線性度較好； 靈敏度提高一倍；靈敏度提高一倍； 溫度變化、電源波動、外界干擾等對傳感器溫度變化、電源波動、外界干擾等對傳感器精度的影響，由于能互相抵消而減??；精度的影響，由于能互相抵消而減小； 電磁吸力對測力變化的影響也由于能相互抵電磁吸力對測力變化的影響也由于能相互抵消而減小。消而減小。 項目四項目四 電感式傳感器電感式傳感器五、測量電路五、測量電路1. 1. 電感式傳感器的等效電路電感式傳感器的等效電路RC ：線圈的線圈的銅損電阻銅損電阻； Re ：鐵芯的：鐵芯的渦流損耗電阻渦流損耗電阻 ； C ：線圈線圈固有電容和電纜的分布電容固有電容和

10、電纜的分布電容. .ZCLRcRe項目四項目四 電感式傳感器電感式傳感器上圖的等效線圈阻抗為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)將上式有理化并應(yīng)用品質(zhì)因數(shù)Q=L/R，可得，可得 22222222222)1 (1)1 (QLCLCQLCLCLjQLCLCRZ項目四項目四 電感式傳感器電感式傳感器當當Q2LC且且2LC 0 0，與與同頻同相同頻同相時：時： 正半周時正半周時LRReui214L2RReui23i3故故i i，流經(jīng)，流經(jīng)RL的電流為的電流為i= i i e1e2-+-+RL項目四項目四 電感式傳感器電感式傳感器-+-u1u2+R-RD3D2D1

11、D4RRT1T2-+01U2U負半周時負半周時L121RReuiL112RReui故故i i，流經(jīng)流經(jīng)RL的電流為的電流為i= i i i2i1e1+e2RL項目四項目四 電感式傳感器電感式傳感器u1u2-R+RD3D2D1D4RRT1T2+-01U2U正半周正半周負半周負半周LRReui214L2RReui23故故i i i i。流經(jīng)。流經(jīng)R RL L的電流為的電流為i i= = i i i i 銜鐵在零位以下，銜鐵在零位以下，x(t)0 x(t)0，與與同頻反相時：同頻反相時： e1e2+-+-i4i3RL項目四項目四 電感式傳感器電感式傳感器u1u2+R-RD3D2D1D4RRT1T2-

12、+01U2U同理同理: :負半周負半周正半周時正半周時i i i i。流經(jīng)。流經(jīng)R RL L的電流為的電流為i i= = i i i i 表示表示i i0 0的方向也與規(guī)定的正方向相反。的方向也與規(guī)定的正方向相反。L121RReuiL112RReuii2i1RL-+-e1e2項目四項目四 電感式傳感器電感式傳感器 結(jié)論：結(jié)論：銜鐵在中間位置時，無論參考電壓是正半周銜鐵在中間位置時，無論參考電壓是正半周還是負半周，在負載還是負半周，在負載R RL L上的輸出電壓始終為上的輸出電壓始終為0 0。銜鐵在零位以上移動時，無論參考電壓是正銜鐵在零位以上移動時，無論參考電壓是正半周還是負半周，在負載半周還

13、是負半周，在負載R RL L上得到的輸出電壓始終上得到的輸出電壓始終為正。為正。 銜鐵在零位以下移動時，無論參考電壓是正銜鐵在零位以下移動時，無論參考電壓是正半周還是負半周，在負載半周還是負半周，在負載R RL L上得到的輸出電壓始終上得到的輸出電壓始終為負。為負。 由此可見，該電路能判別鐵芯移動的方向。由此可見，該電路能判別鐵芯移動的方向。項目四項目四 電感式傳感器電感式傳感器tttttt1U2U2i1i4i3iMit項目四項目四 電感式傳感器電感式傳感器 經(jīng)過相敏檢波電路后，正位移輸出正電壓，負位經(jīng)過相敏檢波電路后，正位移輸出正電壓，負位移輸出負電壓。差動變壓器的輸出經(jīng)過相敏檢波以后，移輸

14、出負電壓。差動變壓器的輸出經(jīng)過相敏檢波以后，特性曲線由圖（特性曲線由圖（a a）變成（）變成（b b），殘存電壓自動消失。），殘存電壓自動消失。 項目四項目四 電感式傳感器電感式傳感器 四、互感式傳感器的應(yīng)用四、互感式傳感器的應(yīng)用 測量振動、厚度、應(yīng)變、壓力、加速度等測量振動、厚度、應(yīng)變、壓力、加速度等 1. 1. 差動變壓器式加速度傳感器差動變壓器式加速度傳感器穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓電源振蕩器振蕩器檢檢波波器器濾濾波波器器220Va輸出輸出1 1 懸臂梁；懸臂梁；2 2 差動變壓器；差動變壓器；3 3 銜鐵銜鐵1 12 2a3 3 用于測定振動物體的頻率用于測定振動物體的頻率和振幅時其激磁頻率必須是振

15、和振幅時其激磁頻率必須是振動頻率的十倍以上，才能得到動頻率的十倍以上，才能得到精確的測量結(jié)果。可測量的振精確的測量結(jié)果。可測量的振幅為幅為(0.1(0.15)mm5)mm，振動頻率為，振動頻率為(0(0150)Hz150)Hz。項目四項目四 電感式傳感器電感式傳感器1 1 接頭；接頭；2 2 膜盒；膜盒；3 3 底座；底座；4 4 線路板；線路板；5 5 差動變壓器；差動變壓器；6 6 銜鐵；銜鐵；7 7 罩殼罩殼1 12 23 34 45 56 67 7 2. 2. 微壓力變送器微壓力變送器可分檔測量可分檔測量(5(510105 56 610105 5)N/m)N/m2 2壓力，輸壓力，輸出

16、信號電壓為出信號電壓為(0(050)mV50)mV，精度為，精度為1.51.5級。級。項目四項目四 電感式傳感器電感式傳感器3 3、電感測微儀、電感測微儀探頭探頭測量測量電橋電橋交流交流放大放大相敏相敏檢波檢波指示器指示器振蕩器振蕩器項目四項目四 電感式傳感器電感式傳感器4 4、測量力或壓力、測量力或壓力例：例：張力測量張力測量項目四項目四 電感式傳感器電感式傳感器第二節(jié)第二節(jié) 電渦流式傳感器電渦流式傳感器一、基本工作原理一、基本工作原理 二、電渦流傳感器等效電路二、電渦流傳感器等效電路三、電渦流傳感器的種類三、電渦流傳感器的種類四、電渦流傳感器測量電路四、電渦流傳感器測量電路五、電渦傳感器的

17、應(yīng)用五、電渦傳感器的應(yīng)用項目四項目四 電感式傳感器電感式傳感器電渦傳感器的應(yīng)用電渦傳感器的應(yīng)用項目四項目四 電感式傳感器電感式傳感器u電渦傳感器的應(yīng)用電渦傳感器的應(yīng)用項目四項目四 電感式傳感器電感式傳感器一、基本工作原理一、基本工作原理 1 1、電渦流效應(yīng)、電渦流效應(yīng) 根據(jù)法拉第定律，塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場中根據(jù)法拉第定律，塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運動時，導(dǎo)體內(nèi)部將產(chǎn)生漩或在磁場中作切割磁力線運動時，導(dǎo)體內(nèi)部將產(chǎn)生漩渦狀的感應(yīng)電流，稱為電渦流，這種現(xiàn)象稱為渦狀的感應(yīng)電流，稱為電渦流，這種現(xiàn)象稱為“電渦電渦流效應(yīng)流效應(yīng)”。 特點：特點：能對位移、厚度、表面溫度、速度

18、、應(yīng)力、能對位移、厚度、表面溫度、速度、應(yīng)力、材料損傷等進行非接觸式連續(xù)測量。材料損傷等進行非接觸式連續(xù)測量。項目四項目四 電感式傳感器電感式傳感器2 2、工作原理、工作原理 1I1H傳感器激勵線圈(a)(b)2H2I被測金屬導(dǎo)體傳感器激勵電流 渦流的大小與金渦流的大小與金屬板的電阻率屬板的電阻率、磁、磁導(dǎo)率導(dǎo)率、厚度、厚度h h、金、金屬板與線圈的距離屬板與線圈的距離、激勵電流角頻率激勵電流角頻率等等參數(shù)有關(guān)。參數(shù)有關(guān)。若固定某若固定某些參數(shù)，就可根據(jù)渦些參數(shù)，就可根據(jù)渦流的變化測量另一個流的變化測量另一個參數(shù)。參數(shù)。 項目四項目四 電感式傳感器電感式傳感器 3 3、電渦流強度與距離的關(guān)系、

19、電渦流強度與距離的關(guān)系22121DxxIII1：線圈激勵電流：線圈激勵電流 I2：金屬導(dǎo)體中等效電流：金屬導(dǎo)體中等效電流 x：線圈到金屬導(dǎo)體表面距離：線圈到金屬導(dǎo)體表面距離D：線圈外徑：線圈外徑 以上分析表明：以上分析表明： 電渦流強度與距離電渦流強度與距離x呈非線性關(guān)系，且隨著呈非線性關(guān)系，且隨著x/D的增加而迅速減小。的增加而迅速減小。 當利用電渦流式傳感器測量位移時，只有在當利用電渦流式傳感器測量位移時，只有在x/DlMHz)(lMHz)項目四項目四 電感式傳感器電感式傳感器高頻反射式渦流厚度傳感器高頻反射式渦流厚度傳感器 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xx1x2

20、項目四項目四 電感式傳感器電感式傳感器四、電渦流傳感器測量電路四、電渦流傳感器測量電路1. 1. 調(diào)頻式電路調(diào)頻式電路頻 率 計f-V電 壓 表振蕩器CLx(a)R1R2C1R3R4C2C3C4R5C6R6C5CL(x)Vcc(b)L1V1V2fCxLf)(21項目四項目四 電感式傳感器電感式傳感器ZiUooZ：LC回路的阻抗回路的阻抗 2. 2. 調(diào)幅式電路調(diào)幅式電路晶體振晶體振蕩器蕩器L LC C輸出輸出放大放大檢波檢波濾波濾波R R項目四項目四 電感式傳感器電感式傳感器項目四項目四 電感式傳感器電感式傳感器60( /min)fnrN齒輪齒齒輪齒數(shù)數(shù)f項目四項目四 電感式傳感器電感式傳感器0dxx項目四項目四 電感式傳感器電感式傳感器10101()tt10、項目四項目四 電感式傳感器電感式傳感器金屬物交流電流激勵線圈檢測線圈pH交變磁通sHpHsH項目四項目四 電感式傳感器電感式傳感器金屬物交流電流激勵線圈檢測線圈pH交變磁通sH裂紋 項目四項目四 電感式傳感器電感式傳感器電渦流表面探傷項目四項目四 電感式傳感器電感式傳感器電感式接近開關(guān)u識別出有無金屬物體接近識別出有無金屬物體接近項目四項目四 電感式傳感器