第43章 電感式傳感器

1、4.34.3 電感式傳感器電感式傳感器電感式傳感器電感式傳感器 電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，將輸入量轉(zhuǎn)換成電感變化量的一種裝置。常配以不同的敏感元件用來(lái)測(cè)量位移、壓力、振動(dòng)等物理參數(shù)。自感L與氣隙成反比，而與氣隙導(dǎo)磁截面積A成正比。W線圈匝數(shù)，0空氣磁導(dǎo)率。變磁阻式自感傳感器 變氣隙式自感傳感器 變面積式自感傳感器變面積式自感傳感器 也可認(rèn)為是也可認(rèn)為是有效線圈匝數(shù)有效線圈匝數(shù)變化變化引起自感變化。引起自感變化。螺管式自感傳感器螺管式自感傳感器 兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的自感線圈組合在一起形成差動(dòng)結(jié)構(gòu)，可提高靈敏度，改善輸出特性的非線性，實(shí)際中常用。差動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)差動(dòng)測(cè)量系統(tǒng) 差動(dòng)測(cè)量系統(tǒng) 差動(dòng)式電

2、感傳感器工作原理及輸出特性 差動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)差動(dòng)測(cè)量系統(tǒng) 差動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)差動(dòng)測(cè)量系統(tǒng) ，間隙改變量與，間隙改變量與 呈理想線性關(guān)系呈理想線性關(guān)系1212LLLL1212LLLL差動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)差動(dòng)測(cè)量系統(tǒng) 差動(dòng)式自感傳感器的線圈可以用復(fù)阻抗Z等效，常采用交流電橋、諧振電路等測(cè)量。交流電橋交流電橋平衡條件為：若阻抗寫(xiě)成復(fù)指數(shù)形式時(shí)，平衡條件為:1324Z ZZ ZZ Z1 1Z Z2 2Z Z4 4Z Z3 3b ba ac cd de ex xe eo oI I1 1I I2 2 自感傳感器測(cè)量電路 R R1 1R R2 2R R4 4R R3 3b ba ac cd de ex xe eo o L L

3、4 4L L1 1113442Rj L RRj LR令實(shí)部、虛部分別相等。令實(shí)部、虛部分別相等。電感式電橋電感式電橋 輸出電壓，以d為參考點(diǎn)221121222oacZZZuuuuuuZZZZ當(dāng)感抗遠(yuǎn)大于直流電阻時(shí)：當(dāng)感抗遠(yuǎn)大于直流電阻時(shí)：L1和和L2是差動(dòng)電感傳感器相鄰兩個(gè)橋臂，輸出電壓的大小和是差動(dòng)電感傳感器相鄰兩個(gè)橋臂，輸出電壓的大小和極性反映了被測(cè)量的性質(zhì)（如位移的大小及方向）。由于輸極性反映了被測(cè)量的性質(zhì)（如位移的大小及方向）。由于輸出是交流電壓，需要專門(mén)的電路來(lái)鑒別輸出電壓的極性，以出是交流電壓，需要專門(mén)的電路來(lái)鑒別輸出電壓的極性，以確定銜鐵的位移方向。確定銜鐵的位移方向。10200

4、2oLLLuLuLLLL 變壓器電橋互感型傳感器的工作原理是利用電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象，將被測(cè)量(位移)轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電勢(shì)的變化。由于常采用兩個(gè)次級(jí)線圈組成差動(dòng)式，故又稱差動(dòng)變壓器式傳感器。實(shí)際中多采用螺管線圈型差動(dòng)變壓器。 傳感器輸出電壓(調(diào)幅波)反映了位移的大小及方向，但因?yàn)榻涣餍盘?hào)，只有接入相應(yīng)電路（相敏檢波、差動(dòng)整流等），才能提取出這兩種信息。M1M2i dieMdt感應(yīng)電勢(shì)感應(yīng)電勢(shì)互感傳感器互感傳感器 銜鐵均為板形，靈敏度高，范圍則較窄，測(cè)量幾到幾百微米銜鐵均為板形，靈敏度高，范圍則較窄，測(cè)量幾到幾百微米 圓柱形銜鐵的螺管型圓柱形銜鐵的螺管型 測(cè)量轉(zhuǎn)角的差動(dòng)變壓器測(cè)量轉(zhuǎn)角的差動(dòng)變壓器圓柱形

5、銜鐵的螺管型圓柱形銜鐵的螺管型 102 2差動(dòng)變壓器式傳感器的結(jié)構(gòu)類(lèi)型和主要特性差動(dòng)變壓器式傳感器的結(jié)構(gòu)類(lèi)型和主要特性結(jié)構(gòu)類(lèi)型及測(cè)量電路結(jié)構(gòu)類(lèi)型及測(cè)量電路 幅值調(diào)制的解調(diào)幅值調(diào)制的解調(diào) 幅值調(diào)制的解調(diào)幅值調(diào)制的解調(diào) 二極管相敏檢波電路及波形二極管相敏檢波電路及波形VD1VD2VD4VD3Mu1u1u1u2u2u2T1T2i4(i1)i3(i2)VD1VD2VD4VD3Mu1u1u1u2u2u2T1T2(a) u1= 0(b) u1 0OOOOOOO(c) u1、u2同相時(shí)的波形u1u2i1i2i3i4iMttttttt+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-i3(i2)i4(i1)iM=i1+

6、i4-i2-i3二極管相敏檢波電路及波形 u1為輸入信號(hào)為輸入信號(hào)交流電橋輸出的調(diào)幅信號(hào)，交流電橋輸出的調(diào)幅信號(hào)，u2為基準(zhǔn)信號(hào)，二者頻率相同，幅值上為基準(zhǔn)信號(hào)，二者頻率相同，幅值上u2u1； 當(dāng)當(dāng)u1=0時(shí)，在時(shí)，在u2作用下，在正半周時(shí)，作用下，在正半周時(shí)，VD3、VD4導(dǎo)通；在負(fù)半周時(shí)，導(dǎo)通；在負(fù)半周時(shí)，VD1、VD2導(dǎo)通，電流導(dǎo)通，電流表輸出始終為零；表輸出始終為零； 當(dāng)當(dāng)u10時(shí)，若時(shí)，若u1和和u2相位相同，相位相同，iM = ( i1 + i4 ) - ( i2 + i3 ) , 輸出電流始終為正值；輸出電流始終為正值； 當(dāng)當(dāng)u10時(shí)，若時(shí)，若u1和和u2相位相反，相位相反，iM

7、 = ( i2 + i3 ) - ( i1 + i4 ) , 輸出電流始終為負(fù)值；輸出電流始終為負(fù)值；判斷鐵芯移動(dòng)大小和方向，判斷鐵芯移動(dòng)大小和方向，消除零點(diǎn)殘余電壓消除零點(diǎn)殘余電壓1 2 3 41 2 3 4互感傳感器互感傳感器 電感式傳感器應(yīng)用電感式傳感器應(yīng)用測(cè)量振動(dòng)、厚度、應(yīng)變、壓力、加速度等各種物理量。1. 1. 差動(dòng)變壓器式加速度傳感器差動(dòng)變壓器式加速度傳感器用于測(cè)定振動(dòng)物體的頻率和振幅時(shí)其激磁頻率必須是振動(dòng)頻率的十倍以上，才能得到精確的測(cè)量結(jié)果?？蓽y(cè)量的振幅為(0.15)mm，振動(dòng)頻率為(0150)Hz。 穩(wěn)壓電源振蕩器檢波器濾波器(b)(a)220V加速度a方向a輸出1211 彈

8、性支承 2 差動(dòng)變壓器應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例1 1、電感測(cè)微儀、電感測(cè)微儀探頭探頭測(cè)量測(cè)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變氣隙式電感測(cè)微儀變氣隙式電感測(cè)微儀PAL電感壓力傳感器 變氣隙式結(jié)構(gòu)P變氣隙式差動(dòng)壓力傳感器CTkHzf3020電感式油壓傳感器 液壓傳動(dòng)的各種機(jī)械裝置2. 微壓力變送器微壓力變送器圖爾克公司生產(chǎn)的各種外形的標(biāo)準(zhǔn)型電感式接近開(kāi)關(guān)，包括環(huán)形傳感器、窄縫型傳感器、模擬量輸出型傳感器、耐高溫傳感器、耐高壓傳感器、抗強(qiáng)磁場(chǎng)干擾型傳感器、帶轉(zhuǎn)速監(jiān)控型傳感器、深水應(yīng)用型傳感器等。 電感式接近傳感器（接近開(kāi)關(guān)） http:/ H2被測(cè)導(dǎo)體被測(cè)導(dǎo)體H1傳感器激勵(lì)

9、電流傳感器激勵(lì)電流電渦流傳感器原理圖電渦流傳感器原理圖I1I2( , , , , )ZFr f x 其中：其中： 金屬電導(dǎo)率，金屬電導(dǎo)率， 金屬磁導(dǎo)率，金屬磁導(dǎo)率， r 線圈與被測(cè)物體的尺寸因子，線圈與被測(cè)物體的尺寸因子， f 激磁電流頻率，激磁電流頻率， x 線圈與導(dǎo)體間的距離線圈與導(dǎo)體間的距離 基于法拉第電磁感應(yīng)原理，當(dāng)傳感器線圈通以正弦交變電流 I1 時(shí)，線圈周?chē)臻g將產(chǎn)生正弦交變磁場(chǎng) H1，被測(cè)導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生呈渦旋狀的交變感應(yīng)電流I2 ，稱電渦流效應(yīng)。電渦流產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)H2與H1方向相反，它使傳感器線圈等效阻抗發(fā)生變化。電渦流式傳感器電渦流式傳感器 應(yīng)用：應(yīng)用：x位移、厚度、振幅；位移、

10、厚度、振幅； 表面溫度、電解質(zhì)濃度、材質(zhì)判別等；表面溫度、電解質(zhì)濃度、材質(zhì)判別等； ，無(wú)損探傷等。無(wú)損探傷等。特點(diǎn)：非接觸連續(xù)測(cè)量，靈敏度高、頻響寬、分辨率高特點(diǎn)：非接觸連續(xù)測(cè)量，靈敏度高、頻響寬、分辨率高渦流分布在導(dǎo)體表面渦流分布在導(dǎo)體表面 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 高頻反射式電渦流式傳感器：高頻(lMHz)激勵(lì)電流高頻反射式渦流傳感器多用于位移及與位移相關(guān)的厚度、振動(dòng)等測(cè)量。電渦流式傳感器電渦流式傳感器 低頻透射式電渦流式傳感器：音頻(20kHz)激勵(lì)電流低頻透射式渦流傳感器多用于測(cè)定材料厚度。電渦流式傳感器電渦流式傳感器 w

11、 測(cè)量電路測(cè)量電路交流電橋、諧振電路交流電橋、諧振電路電渦流式傳感器電渦流式傳感器 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 LC并聯(lián)阻抗電渦流式傳感器電渦流式傳感器 LC回路是振蕩器的一部分電渦流式傳感器電渦流式傳感器 電渦流式傳感器的特點(diǎn)：電渦流式傳感器的特點(diǎn)： 非接觸測(cè)量，不易受油液介質(zhì)影響；非接觸測(cè)量，不易受油液介質(zhì)影響； 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，靈敏度高，最高分辨率達(dá)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，靈敏度高，最高分辨率達(dá)0.05微米；微米； 頻率響應(yīng)范圍寬（頻率響應(yīng)范圍寬（010kHz），適合動(dòng)態(tài)測(cè)量。），適合動(dòng)態(tài)測(cè)量。無(wú)損探傷 電感式傳感器的應(yīng)用 電感式傳感器的應(yīng)用 測(cè)轉(zhuǎn)速 測(cè)厚度 計(jì)數(shù) 測(cè)裂紋 二、簡(jiǎn)答一、選擇與填空題 1.電渦流傳感器是利用 材料的電渦流效應(yīng)工作的。 A.金屬導(dǎo)體 B.半導(dǎo)體 C.非金屬材料 2.高頻反射式渦流傳感器是基于 和 效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)