第六章：電感式傳感器

1、學(xué)學(xué) 習(xí)習(xí) 要要 求求1 1、掌握三種不同類型的電感傳感器的工作原理和特點；、掌握三種不同類型的電感傳感器的工作原理和特點；3 3、掌握電感傳感器的典型應(yīng)用和創(chuàng)新應(yīng)用。、掌握電感傳感器的典型應(yīng)用和創(chuàng)新應(yīng)用。2 2、熟悉電感傳感器的基本檢測電路的原理；、熟悉電感傳感器的基本檢測電路的原理；磁通鏈磁通鏈mRnI0002RRssRFeiiim1.1 1.1 閉磁路式自感傳感器閉磁路式自感傳感器磁路總磁阻磁路總磁阻: :InIL安匝安匝導(dǎo)磁體磁阻導(dǎo)磁體磁阻氣隙磁阻氣隙磁阻I I 0 0 i i磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率 FeFe 0 0RRFe0忽略忽略R Rfefe，得：，得：I nS/200第一節(jié)第一節(jié) 自感式

2、傳感器原理及應(yīng)用自感式傳感器原理及應(yīng)用I nS/200由由知知, , 0 0在外界位移下改變在外界位移下改變 隨隨 0 0變化變化則：則：LnSK200021L L 0 0LnS 200202傳感器的靈敏度為：傳感器的靈敏度為：KLnSS 020022 顯然，根據(jù)其特性曲線，要使傳感器工作在線性區(qū)，顯然，根據(jù)其特性曲線，要使傳感器工作在線性區(qū)，只能在只能在a a段或段或b b段小范圍內(nèi)，而且，段小范圍內(nèi)，而且，a a段的靈敏度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)段的靈敏度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于大于b b段。這種傳感器用于檢測很小的位移，段。這種傳感器用于檢測很小的位移，10106 6米級。米級。a ab b例如原始?xì)庀独缭細(xì)庀?0

3、 00.10.10.5mm0.5mm， 0 0的最大值的最大值 0 0/5/5。1.2 1.2 螺管型自感傳感器螺管型自感傳感器要測量較大的位移，可以采用螺管結(jié)構(gòu)的電感傳感器。要測量較大的位移，可以采用螺管結(jié)構(gòu)的電感傳感器。線圈線圈銜鐵銜鐵l lr rl lrarLnrlllrrrra2022211 式中：式中： 0 0真空導(dǎo)磁率真空導(dǎo)磁率 r r 鐵芯相對導(dǎo)磁率鐵芯相對導(dǎo)磁率靈敏度為：靈敏度為：KnrlSar20221 ()螺管型自感傳感器的銜鐵移動范圍大，但靈敏度較低。螺管型自感傳感器的銜鐵移動范圍大，但靈敏度較低。1.3 1.3 空氣隙差動式自感傳感器空氣隙差動式自感傳感器x x 1 1

4、 2 2LnS12012LnS22022LLL12當(dāng)銜鐵處于中間位置當(dāng)銜鐵處于中間位置, ,有有: :LLL120LLL120當(dāng)銜鐵偏離中間位置當(dāng)銜鐵偏離中間位置, ,有有: :10 20 則則, ,LnS12002LnS22002LLLnSL 122002200221()其中其中0靈敏度靈敏度KL 211002約提高一倍約提高一倍, ,非線性減小。非線性減小。1.4 1.4 差動自感傳感器測量電路差動自感傳感器測量電路 1 1 2 2u uSCSCu uz z3 3z z4 4u uu uSCSCz z3 3z z4 4z z1 1z z2 2等效電路等效電路設(shè)設(shè)Z Z3 3Z Z4 4Z

5、Z0 0Z Z1 1Z Z0 0 Z Z1 1 ， Z Z2 2Z Z0 0 Z Z2 2 則，電橋電路輸出為：則，電橋電路輸出為：UUzzzzzSC2212012在理想情況下，有在理想情況下，有 Z Z1 1= = Z Z2 2 且且 Z Z與與L L成正比，成正比，L L又與又與 成正比，成正比，UUSC20所以：所以：靈敏度：靈敏度：KUUSC210u uSCSCu uz z3 3z z4 41.51.5其它測量電路其它測量電路(a)(a)調(diào)頻檢測電路調(diào)頻檢測電路 自感線圈作為振蕩器諧振回路的一部分，當(dāng)電感隨被自感線圈作為振蕩器諧振回路的一部分，當(dāng)電感隨被測量變化時，振蕩頻率發(fā)生相應(yīng)的變

6、化，經(jīng)鑒頻器把頻率測量變化時，振蕩頻率發(fā)生相應(yīng)的變化，經(jīng)鑒頻器把頻率變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化，得到檢測輸出信號。變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化，得到檢測輸出信號。調(diào)頻振蕩調(diào)頻振蕩放大限幅放大限幅鑒頻器鑒頻器放大器放大器輸出輸出(b)(b)調(diào)幅檢測電路調(diào)幅檢測電路 自感自感L L為諧振回路的一部分，由穩(wěn)頻限幅的高頻振蕩器為諧振回路的一部分，由穩(wěn)頻限幅的高頻振蕩器供電，調(diào)整電容供電，調(diào)整電容C C，使回路工作在諧振頻率附近。檢測時，使回路工作在諧振頻率附近。檢測時L L變化，輸出電壓幅度在變化，輸出電壓幅度在U UM M附近變化，經(jīng)放大整流得到信號附近變化，經(jīng)放大整流得到信號. .L LU/UU/U0 0振振蕩

7、蕩器器整流整流放大放大L LC C1.1 1.1 工作原理工作原理W Wp pW WS SUpIpUps 根據(jù)電磁感應(yīng)原理根據(jù)電磁感應(yīng)原理, ,當(dāng)初級線圈當(dāng)初級線圈W Wp p通入激勵通入激勵電流電流I Ip p時時, ,次級線圈次級線圈W WS S將將產(chǎn)生感應(yīng)電勢產(chǎn)生感應(yīng)電勢: :UMd Id tp sp 式中式中M M是初次級線圈間的互感，其大小與兩線圈的相對是初次級線圈間的互感，其大小與兩線圈的相對位置，周圍介質(zhì)的導(dǎo)磁性等因素有關(guān)。位置，周圍介質(zhì)的導(dǎo)磁性等因素有關(guān)。 互感傳感器實質(zhì)上是一個變壓器，它利用互感互感傳感器實質(zhì)上是一個變壓器，它利用互感M M變化變化引起輸出電壓的變化來檢測有關(guān)

8、的物理量。引起輸出電壓的變化來檢測有關(guān)的物理量。 實際的互感傳感器的次級線圈一般有兩個，可接成差動實際的互感傳感器的次級線圈一般有兩個，可接成差動形式，故互感傳感器又稱為形式，故互感傳感器又稱為“差動變壓器差動變壓器”。第二節(jié)第二節(jié) 互感傳感器原理及應(yīng)用互感傳感器原理及應(yīng)用1.2 1.2 螺管型互感傳感器螺管型互感傳感器S1次級線圈S2次級線圈P初級線圈鐵芯r rp pL Lp pLs1Ls2rs1rs2RL等效等效電路電路dIdtj Ipp 則，則，設(shè)設(shè)I Ip p= =I Ipmpme e-j-j t tU Us1s1=-j=-j M M1 1I Ip pU Us2s2=-j=-j M M

9、2 2I Ip pU U0 0=U=Upsps=U=Us1s1-U-Us2s2 =-j =-j (M1-M2)I(M1-M2)Ip pUpIpUs2Us1U0IL又又IUrjLppp所以，輸出有效值為：所以，輸出有效值為：UMMrLUopp()()2122差動變壓器的輸出電壓有效值與銜鐵之間的關(guān)系如圖。差動變壓器的輸出電壓有效值與銜鐵之間的關(guān)系如圖。 當(dāng)差動變壓器接入負(fù)載當(dāng)差動變壓器接入負(fù)載R RL L后，負(fù)載電流會影響初后，負(fù)載電流會影響初級回路。但采用輸入電阻級回路。但采用輸入電阻較高的放大器，則可以忽較高的放大器，則可以忽略其影響，得到負(fù)載上的略其影響，得到負(fù)載上的輸出電壓為：輸出電壓為

10、：URZRULLoLo其中，差動變壓器的輸出阻抗為：其中，差動變壓器的輸出阻抗為：Zrrj Lj Lrj Lssssss01212最后得到負(fù)載電壓的有效值：最后得到負(fù)載電壓的有效值：URrRLMMrLULLsLsppP()()()()222122U0US1US20 x殘余電壓1.3 1.3 互感傳感器的應(yīng)用互感傳感器的應(yīng)用1)1)呼吸測定呼吸測定2)2)流量測量流量測量3)3)氣壓測量氣壓測量電感傳感器系列電感傳感器系列渦流渦流塊狀金屬在變化磁場中運動時產(chǎn)生的電流塊狀金屬在變化磁場中運動時產(chǎn)生的電流. .第三節(jié)第三節(jié) 電渦流式傳感器原理及應(yīng)用電渦流式傳感器原理及應(yīng)用電渦流的應(yīng)用電渦流的應(yīng)用在我

11、們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)?？梢杂龅皆谖覀?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常可以遇到干凈、高效的干凈、高效的電磁爐電磁爐電磁爐內(nèi)部的勵磁線圈電磁爐內(nèi)部的勵磁線圈電磁爐的工作原理電磁爐的工作原理 高頻電高頻電流通過勵磁流通過勵磁線圈，產(chǎn)生線圈，產(chǎn)生交變磁場，交變磁場，在鐵質(zhì)鍋底在鐵質(zhì)鍋底會產(chǎn)生無數(shù)會產(chǎn)生無數(shù)的電渦流，的電渦流，使鍋底自行使鍋底自行發(fā)熱，燒開發(fā)熱，燒開鍋鍋 內(nèi)內(nèi) 的的 食食 物。物。渦流傳感器原理渦流傳感器原理: : 渦流大小與金屬板的磁導(dǎo)率渦流大小與金屬板的磁導(dǎo)率 ，電阻率，電阻率 ，厚度，厚度 以以及激磁線圈與金屬板的的距離、激磁電流的頻率及激磁線圈與金屬板的的距離、激磁電流的頻率 等參等參數(shù)有關(guān)，固定其中一

12、些參數(shù)，就能根據(jù)渦流的大小測出數(shù)有關(guān)，固定其中一些參數(shù)，就能根據(jù)渦流的大小測出另外的參數(shù)。另外的參數(shù)。 渦流傳感器在金屬體上生產(chǎn)的渦流，由于渦流渦流傳感器在金屬體上生產(chǎn)的渦流，由于渦流的集膚效應(yīng)，其滲透深度的集膚效應(yīng)，其滲透深度h h與傳感器的激磁電流的與傳感器的激磁電流的頻率頻率f f有關(guān)，它們的關(guān)系是：有關(guān)，它們的關(guān)系是：hf5 0 3. 因為渦流的大小與滲透深度均與激磁電流頻率因為渦流的大小與滲透深度均與激磁電流頻率密切相關(guān)，所以根據(jù)激磁電流的頻率進(jìn)行分類，渦密切相關(guān)，所以根據(jù)激磁電流的頻率進(jìn)行分類，渦流傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩種。流傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩種。1

13、.11.1高頻反射渦流傳感器高頻反射渦流傳感器工作原理工作原理：線圈通以高頻交流電流：線圈通以高頻交流電流I I1 1，線圈周圍產(chǎn)生交變磁通線圈周圍產(chǎn)生交變磁通 1 1，它通過，它通過金屬板形成閉路。金屬導(dǎo)體便產(chǎn)生金屬板形成閉路。金屬導(dǎo)體便產(chǎn)生渦流渦流i i2 2，由于集膚效應(yīng)，高頻電磁，由于集膚效應(yīng)，高頻電磁場不能透過具有一定厚度的金屬板，場不能透過具有一定厚度的金屬板，而僅作用于表面的薄層內(nèi)，電渦流而僅作用于表面的薄層內(nèi)，電渦流i i2 2除要消耗在金屬板發(fā)熱之外，還除要消耗在金屬板發(fā)熱之外，還將產(chǎn)生交變磁通將產(chǎn)生交變磁通 2 2。x xi iU Ui i 根據(jù)楞次定律，根據(jù)楞次定律， 2

14、 2與與 1 1方向相反。由于方向相反。由于 2 2的反作用，的反作用，抵銷部分抵銷部分 1 1，故兩個磁場疊加后，使原來的電感量減小，故兩個磁場疊加后，使原來的電感量減小，導(dǎo)致其阻抗的變化，隨之線圈電流導(dǎo)致其阻抗的變化，隨之線圈電流i i1 1的大小和相位都要發(fā)的大小和相位都要發(fā)生變化，變化的程度與生變化，變化的程度與x x有關(guān)，據(jù)此可進(jìn)行測量。有關(guān)，據(jù)此可進(jìn)行測量。1.2 1.2 低頻透射渦流傳感器低頻透射渦流傳感器 根據(jù)電路理論，由于集膚效應(yīng)，金屬導(dǎo)體產(chǎn)生的電渦根據(jù)電路理論，由于集膚效應(yīng)，金屬導(dǎo)體產(chǎn)生的電渦流貫穿深度與傳感器線圈激磁電流的頻率有關(guān)。頻率越流貫穿深度與傳感器線圈激磁電流的頻

15、率有關(guān)。頻率越低，電渦流的貫穿深度越厚。利用此原理，制成低頻透低，電渦流的貫穿深度越厚。利用此原理，制成低頻透射渦流傳感器，適合測量金屬材料的厚度。射渦流傳感器，適合測量金屬材料的厚度。工作原理：工作原理：圖中圖中L L1 1為發(fā)射線圈為發(fā)射線圈L L2 2為接收線圈，為接收線圈，L L1 1通入音頻信通入音頻信號后，產(chǎn)生交變磁場。磁力線號后，產(chǎn)生交變磁場。磁力線在金屬板上產(chǎn)生渦流在金屬板上產(chǎn)生渦流I I，渦流，渦流I I產(chǎn)生的磁場抵銷產(chǎn)生的磁場抵銷L L1 1的部分磁力的部分磁力線，使線，使L L2 2接收的磁力線減少，接收的磁力線減少，感應(yīng)電壓感應(yīng)電壓U U2 2減小，金屬板越厚，減小，金

16、屬板越厚，渦流損耗越大，渦流損耗越大，U U2 2越小，由此越小，由此可以檢測出金屬板的厚度?？梢詸z測出金屬板的厚度。u2u1L1L21.3 1.3 渦流傳感器的應(yīng)用渦流傳感器的應(yīng)用1 1軸向位移測定軸向位移測定2 2 軸徑向振動測量軸徑向振動測量3線膨脹系數(shù)測量線膨脹系數(shù)測量4 4接近檢測開關(guān)接近檢測開關(guān)5 5轉(zhuǎn)速測量轉(zhuǎn)速測量6 6零件數(shù)的檢測零件數(shù)的檢測7 7表面光潔度測量表面光潔度測量大直徑電渦流探雷器大直徑電渦流探雷器 偏心和振動檢測偏心和振動檢測通過測量間隙來測量徑向跳動通過測量間隙來測量徑向跳動測量彎曲、波動、變形測量彎曲、波動、變形 對橋梁、絲桿等機械結(jié)構(gòu)的振動測對橋梁、絲桿等機

17、械結(jié)構(gòu)的振動測量，須使用多個傳感器。量，須使用多個傳感器。測量金屬薄膜、板材厚度電渦流測厚儀測量金屬薄膜、板材厚度電渦流測厚儀 測量冷軋板厚度測量冷軋板厚度測量封口機工作間隙測量封口機工作間隙間隙越大，間隙越大，電渦流越小電渦流越小振動測量振動測量 汽輪機葉片測試汽輪機葉片測試 測量懸臂梁的測量懸臂梁的振幅及頻率振幅及頻率轉(zhuǎn)速測量轉(zhuǎn)速測量 若轉(zhuǎn)軸上開若轉(zhuǎn)軸上開z 個槽個槽(或齒或齒)，頻率計的讀數(shù)為，頻率計的讀數(shù)為f（單位為單位為Hz），），則轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速則轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速n（單位為單位為r/min）的計算公式的計算公式為為 :60 fnz電渦流涂層厚度儀電渦流涂層厚度儀 由于存在集膚效由于存在集膚效應(yīng)，鍍層或箔層應(yīng)，鍍層或箔層越薄，電渦流越越薄，電渦流越小。測量前，可小。測量前，可先用電渦流測厚先用電渦流測厚儀對標(biāo)準(zhǔn)厚度的儀對標(biāo)準(zhǔn)厚度的鍍層和銅箔作出鍍層和銅箔作出“厚度厚度- -輸出輸出”電電壓的標(biāo)定曲線，壓的標(biāo)定曲線，以便測量時對照。以便測量時對照。