第4章 電感式傳感器

1、第第4 4章章 電感式傳感器電感式傳感器 2022-5-182一、教學(xué)目標(biāo)一、教學(xué)目標(biāo)1 1、知識目標(biāo)、知識目標(biāo)（1 1）了解自感式傳感器工作原理、轉(zhuǎn)換電路與使用方法）了解自感式傳感器工作原理、轉(zhuǎn)換電路與使用方法。（2 2）掌握差動變壓器式傳感器的工作原理、轉(zhuǎn)換電路掌握差動變壓器式傳感器的工作原理、轉(zhuǎn)換電路。（3 3）掌握電渦流式傳感器的工作原理和實際應(yīng)用方法。掌握電渦流式傳感器的工作原理和實際應(yīng)用方法。二、教學(xué)重點和難點二、教學(xué)重點和難點1 1、重點：、重點：電感式傳感器的工作原理和應(yīng)用。電感式傳感器的工作原理和應(yīng)用。2 2、難點：、難點：電感式傳感器的測量電路。電感式傳感器的測量電路。三、

2、教學(xué)學(xué)時三、教學(xué)學(xué)時 6 6學(xué)時學(xué)時電磁感應(yīng)原理電磁感應(yīng)原理因因磁通量磁通量變化產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的現(xiàn)象，閉變化產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的現(xiàn)象，閉合電路的一部分導(dǎo)體在合電路的一部分導(dǎo)體在磁場磁場里做切割磁感里做切割磁感線的運動時，導(dǎo)體中就會產(chǎn)生線的運動時，導(dǎo)體中就會產(chǎn)生電流電流，這種，這種現(xiàn)象叫電磁感應(yīng)。現(xiàn)象叫電磁感應(yīng)。公式的來歷：公式的來歷： diULdtnnEttttLiLiidiELLttdt2022-5-185 利用利用電磁感應(yīng)原理電磁感應(yīng)原理將被測非電量將被測非電量如位移、壓力、流量、如位移、壓力、流量、 振動等轉(zhuǎn)換振動等轉(zhuǎn)換成線圈自感量成線圈自感量L L或互感量或互感量M M的變化的變化, ,

3、再再由測量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化由測量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出量輸出, , 這種裝置稱為電感式傳感器。這種裝置稱為電感式傳感器。1.1.優(yōu)點優(yōu)點: : 結(jié)構(gòu)簡單結(jié)構(gòu)簡單, , 工作可靠工作可靠, , 測量精度高測量精度高, , 零零點穩(wěn)定點穩(wěn)定, , 輸出功率較大等一系列優(yōu)點輸出功率較大等一系列優(yōu)點, , 這種傳這種傳感器能實現(xiàn)信息的感器能實現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸、記錄、顯示遠(yuǎn)距離傳輸、記錄、顯示和控制和控制, , 在工業(yè)自動控制系統(tǒng)中被廣泛采用。在工業(yè)自動控制系統(tǒng)中被廣泛采用。 2. 2. 缺點缺點: :是靈敏度、線性度和測量范圍相互制是靈敏度、線性度和測量范圍相互制約約, , 傳感

4、器自身頻率響應(yīng)低傳感器自身頻率響應(yīng)低, , 不適用于快速動不適用于快速動態(tài)測量。態(tài)測量。電感式傳感器電感式傳感器特點：特點：電感式傳感器種類很多電感式傳感器種類很多, , 本章主要介紹本章主要介紹自感式自感式、差動變壓器式（互感式）差動變壓器式（互感式）、電電渦流式傳感器渦流式傳感器這三大類傳感器。這三大類傳感器。 2022-5-182022-5-188 84.1 4.1 自感式傳感器自感式傳感器 4.1.1 自感式傳感器的工作原理自感式傳感器的工作原理先看一個實驗：先看一個實驗： 將一只將一只380V交流接觸器線圈與交流毫安表交流接觸器線圈與交流毫安表串聯(lián)后，接到機床用控制變壓器的串聯(lián)后，接

5、到機床用控制變壓器的36V交流電交流電壓源上，如圖壓源上，如圖4-1所示。這時毫安表的示值約所示。這時毫安表的示值約為幾十毫安。用手慢慢將接觸器的活動鐵心為幾十毫安。用手慢慢將接觸器的活動鐵心（稱為銜鐵）往下按，我們會發(fā)現(xiàn)毫安表的讀（稱為銜鐵）往下按，我們會發(fā)現(xiàn)毫安表的讀數(shù)逐漸減小。當(dāng)銜鐵與固定鐵心之間的氣隙等數(shù)逐漸減小。當(dāng)銜鐵與固定鐵心之間的氣隙等于零時，毫安表的讀數(shù)只剩下十幾毫安。于零時，毫安表的讀數(shù)只剩下十幾毫安。 把被測信號的變化轉(zhuǎn)化成自感的變化把被測信號的變化轉(zhuǎn)化成自感的變化2022-5-182022-5-189 9電感傳感器的基本工作電感傳感器的基本工作原理演示原理演示F F220

6、V準(zhǔn)備工作準(zhǔn)備工作2022-5-182022-5-181010電感傳感器的基本工作原理演示電感傳感器的基本工作原理演示氣隙變小，電感變大，電流變小氣隙變小，電感變大，電流變小F F2022-5-1811 2210mmmNNLRRR10mmRR20mNLR0002mRAlRs2002ANL2022-5-182022-5-181313電感量計算公式電感量計算公式 ： 請分析電感量請分析電感量L與氣隙厚度與氣隙厚度 及氣隙的有效截面積及氣隙的有效截面積A之之間的關(guān)系，并討論有關(guān)線性度的問題。間的關(guān)系，并討論有關(guān)線性度的問題。N：線圈匝數(shù)；：線圈匝數(shù)；A ：氣隙的有效截面積；：氣隙的有效截面積； 0

7、：真空磁導(dǎo)率；：真空磁導(dǎo)率； o ：氣隙厚度。氣隙厚度。 200 2NAL2022-5-182022-5-181414自感式電感傳感器常見的形式自感式電感傳感器常見的形式 變隙式變隙式 變截面式變截面式 螺線管式螺線管式 2022-5-1815 變隙式自感傳感器的測量范圍與靈敏度及線性度是變隙式自感傳感器的測量范圍與靈敏度及線性度是相矛盾的，因此變隙式自感式傳感器適用于測量相矛盾的，因此變隙式自感式傳感器適用于測量微小位微小位移移場合。場合。 為了減小非線形誤差，實際中廣泛采用差動變隙式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。電感傳感器。L-特性曲線特性曲線1.變隙式變隙式 變

8、隙式傳感器特點：靈敏度高，非線性嚴(yán)重，為限制線性誤差，示值范圍小，因銜鐵在運動方向上受鐵心的限制，自由行程小，制造和裝配困難。2022-5-1817由上式可知理論上電感量由上式可知理論上電感量L L與氣隙截面與氣隙截面積積A A成正比。成正比。20 2NAL2.變截面式變截面式圖圖4-4 4-4 變截面式自感傳感器的輸出特性變截面式自感傳感器的輸出特性 1 1實際輸出特性；實際輸出特性； 2 2理想輸出特性理想輸出特性變截面式傳感器特點：靈敏度低具有較好的線性度，測量范圍可稍大一點。2022-5-18193.螺線管式螺線管式1 1）電感量）電感量L L與銜鐵插入深與銜鐵插入深度度l l1 1成

9、正比（在螺線管成正比（在螺線管中部時）中部時）2 2）適應(yīng)于測量）適應(yīng)于測量較大位移較大位移3 3）靈敏度較低）靈敏度較低 螺線管式傳感器特點：靈敏度比變面積式更低，但示值范圍大，線性度也較好，得到廣泛應(yīng)用。上述三種傳感器的線圈中均通有交流上述三種傳感器的線圈中均通有交流勵磁電流，因而銜鐵始終承受電磁吸勵磁電流，因而銜鐵始終承受電磁吸力，會引起力，會引起附加誤差附加誤差，且，且非線性誤差非線性誤差較大較大。另外，外界的干擾。另外，外界的干擾( (如電源電壓、如電源電壓、頻率、溫度的變化頻率、溫度的變化) )也會使輸出產(chǎn)生誤也會使輸出產(chǎn)生誤差，所以在實際工作中常采用差，所以在實際工作中常采用差動

10、形差動形式式，這樣既可以提高傳感器的靈敏度，這樣既可以提高傳感器的靈敏度，又可以減小測量誤差又可以減小測量誤差。2022-5-182022-5-182222差動電感傳感器的特點差動電感傳感器的特點 在變隙式差動在變隙式差動電感傳感器中，電感傳感器中，當(dāng)銜鐵隨被測當(dāng)銜鐵隨被測量移動而偏離量移動而偏離中間位置時，中間位置時，兩個線圈的電兩個線圈的電感量一個增加，感量一個增加，一個減小，形一個減小，形成差動形式。成差動形式。 1-1-差動線圈差動線圈 2-2-鐵心鐵心 3-3-銜鐵銜鐵 4-4-測桿測桿 5-5-工件工件 曲線曲線1 1、2 2為為L L1 1、L L2 2 的特性，的特性，3 3為

11、差動特性為差動特性2022-5-182022-5-182424差動式電感傳感器的特性差動式電感傳感器的特性 從曲線圖可以看出，差動式電感傳感器的從曲線圖可以看出，差動式電感傳感器的線性較好，且輸出曲線較陡，靈敏度約為非線性較好，且輸出曲線較陡，靈敏度約為非差動式電感傳感器的兩倍。差動式電感傳感器的兩倍。 從結(jié)構(gòu)圖可以看出，從結(jié)構(gòu)圖可以看出，差動式電感傳感器差動式電感傳感器對外界影響對外界影響，如溫度的變化、電源頻率的變，如溫度的變化、電源頻率的變化等基本上化等基本上可以互相抵消可以互相抵消，銜鐵承受的電磁，銜鐵承受的電磁吸力也較小，從而吸力也較小，從而減小了測量誤差減小了測量誤差。 2022-

12、5-182022-5-1825254.1.2 4.1.2 自感式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路自感式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路 測量轉(zhuǎn)換電路的作用測量轉(zhuǎn)換電路的作用是將電感量的變化轉(zhuǎn)換成是將電感量的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化，以電壓或電流的變化，以便用儀表指示出來。但若僅便用儀表指示出來。但若僅采用電橋電路和普通的檢波電路，則只能判別位移采用電橋電路和普通的檢波電路，則只能判別位移的大小，卻無法判別輸出的相位和位移的方向。的大小，卻無法判別輸出的相位和位移的方向。 如果在輸出電壓送到指示儀前，經(jīng)過一個能判如果在輸出電壓送到指示儀前，經(jīng)過一個能判別相位的檢波電路，則別相位的檢波電路，則不但可以反映位移的大小不但

13、可以反映位移的大?。ǚ担€可以反映位移的方向（相位）（幅值），還可以反映位移的方向（相位）。這種。這種檢波電路稱為檢波電路稱為相敏檢波電路相敏檢波電路。2022-5-1826 1. 1. 變壓器式交流電橋變壓器式交流電橋 變壓器式交流電橋測量電路如圖變壓器式交流電橋測量電路如圖 3- 53- 5所示所示, , 電橋兩臂電橋兩臂Z1Z1、 Z2Z2為傳感器線圈阻抗為傳感器線圈阻抗, , 另外兩橋臂為交流變壓器次級線圈的另外兩橋臂為交流變壓器次級線圈的 1/2 1/2 阻抗。當(dāng)負(fù)截阻抗為無窮大時阻抗。當(dāng)負(fù)截阻抗為無窮大時, , 橋路輸出電壓橋路輸出電壓222112212UZZZZUZZUZU

14、當(dāng)傳感器的銜鐵處于中間位置當(dāng)傳感器的銜鐵處于中間位置, , 即即Z Z1 1= Z= Z2 2=Z=Z時有時有 =0, =0, 電橋平衡電橋平衡。 0U圖圖4-74-7變壓器式交流電橋變壓器式交流電橋2022-5-1827 當(dāng)傳感器銜鐵下移時當(dāng)傳感器銜鐵下移時, , 此時此時Z1=Z-Z, Z2=Z+ZZ1=Z-Z, Z2=Z+Z 從上兩式可知從上兩式可知, , 銜鐵上下移動相同距離時銜鐵上下移動相同距離時, , 輸出電壓的大輸出電壓的大小相等小相等, , 但方向但方向( (相位相位) )相反相反, , 由于由于 是交流電壓是交流電壓, , 輸出指示輸出指示無法判斷位移方向無法判斷位移方向,

15、, 必須配合相敏檢波電路來解決。必須配合相敏檢波電路來解決。 0ULLUZZUU220當(dāng)傳感器銜鐵上移時當(dāng)傳感器銜鐵上移時, , 即即Z1=Z+Z, Z2=Z-ZZ1=Z+Z, Z2=Z-ZLLUZZUU220相敏檢波電路2022-5-1828 當(dāng)銜鐵偏離中間位置而使當(dāng)銜鐵偏離中間位置而使Z Z1 1=Z+Z=Z+Z增加，則增加，則Z Z2 2=Z-Z=Z-Z減少。減少。 這時當(dāng)電源這時當(dāng)電源u u上端為正，下端為負(fù)時，上端為正，下端為負(fù)時，VDVD1 1、VDVD4 4導(dǎo)通導(dǎo)通，電阻電阻R R1 1上上的壓降大于的壓降大于R R2 2上的壓降，電壓表上的壓降，電壓表V V輸出上端為正，下端為

16、負(fù)；輸出上端為正，下端為負(fù)； 當(dāng)當(dāng)u u上端為負(fù)，下端為正時，上端為負(fù)，下端為正時， VDVD2 2、VDVD3 3導(dǎo)通，導(dǎo)通，R R1 1上壓降則大于上壓降則大于R R2 2上的壓降，電壓表上的壓降，電壓表V V輸出上端為負(fù)，下端為正。輸出上端為負(fù)，下端為正。2022-5-1829非相敏整流和相敏整流電路輸出電壓比較非相敏整流和相敏整流電路輸出電壓比較(a) (a) 非相敏整流電路；（非相敏整流電路；（b b） 相敏整流電路相敏整流電路使用相敏整流，輸出電壓使用相敏整流，輸出電壓U U0 0能反映銜鐵位移的大小和方向。能反映銜鐵位移的大小和方向。 2022-5-1830圖圖4-84-8交流電

17、橋測量電路交流電橋測量電路 Z1Z2Z3 RZ4 RoUU2. 2. 交流電橋式測量電路交流電橋式測量電路2022-5-1831圖圖 4 - 84 - 8所示為交流電橋測量電路所示為交流電橋測量電路, , 把傳感器的兩個把傳感器的兩個線圈作為電橋的兩個橋臂線圈作為電橋的兩個橋臂Z1Z1和和Z2, Z2, 另外二個相鄰的橋另外二個相鄰的橋臂用純電阻代替臂用純電阻代替, , 對于高對于高Q Q值（值（Q = L/RQ = L/R）的差動式）的差動式電感傳感器電感傳感器, , 其輸出電壓其輸出電壓 式中式中: L: L0 0銜鐵在中間位置時單個線圈的電感銜鐵在中間位置時單個線圈的電感; ; L L單

18、線圈電感的變化量。單線圈電感的變化量。將將L /LL /L0 0=2=2（/0 0）代入式得）代入式得 （/0）,電電橋輸出電壓與橋輸出電壓與有關(guān)。有關(guān)。 000110222LLUjwLRLjwUZZUU0U 1引線電纜 2固定磁筒 3銜鐵 4線圈 5測力彈簧 6防轉(zhuǎn)銷 7鋼球?qū)к墸ㄖ本€軸承） 8測桿 9密封套 10測端 11被測工件 12基準(zhǔn)面 1. 軸向式電感測微器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)2022-5-18324.1.3 4.1.3 自感式傳感器的應(yīng)用自感式傳感器的應(yīng)用圖4-22 自感式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖 2.自感式壓力傳感器2022-5-182022-5-1834344.24.2 差動變壓器式傳感

19、器（差動變壓器式傳感器（ 互感式）互感式） 電源中用到的電源中用到的“單相變壓器單相變壓器”有一個一次線圈（又稱為初級線有一個一次線圈（又稱為初級線圈），有若干個二次線圈（又稱次級線圈）。當(dāng)一次線圈加上圈），有若干個二次線圈（又稱次級線圈）。當(dāng)一次線圈加上交流激磁電壓交流激磁電壓Ui后，將在二次線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓后，將在二次線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓UO O。在全波。在全波整流電路中，兩個二次線圈串聯(lián)，總電壓等于兩個二次線圈的整流電路中，兩個二次線圈串聯(lián)，總電壓等于兩個二次線圈的電壓之和。電壓之和。 請將單相變壓器請將單相變壓器二次線圈二次線圈N N2121、N N2222的有關(guān)端點按的有關(guān)端點按全波

20、整流電路的全波整流電路的要求正確地連接要求正確地連接起來。起來。2022-5-182022-5-1835354.2.14.2.1差動變壓器式傳感器的工作原理差動變壓器式傳感器的工作原理 差動變壓器式傳感器是把被測位移量轉(zhuǎn)換差動變壓器式傳感器是把被測位移量轉(zhuǎn)換為一次線圈與二次線圈間的互感量為一次線圈與二次線圈間的互感量M的變化的的變化的裝置。裝置。當(dāng)一次線圈接入激勵電源之后，二次線當(dāng)一次線圈接入激勵電源之后，二次線圈就將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，當(dāng)兩者間的互感量變?nèi)蛯a(chǎn)生感應(yīng)電動勢，當(dāng)兩者間的互感量變化時，感應(yīng)電動勢也相應(yīng)變化。由于兩個二次化時，感應(yīng)電動勢也相應(yīng)變化。由于兩個二次線圈采用差動接法，故稱為

21、差動變壓器。目前線圈采用差動接法，故稱為差動變壓器。目前應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)型式是螺線管式差動變壓器。應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)型式是螺線管式差動變壓器。 差動變壓器的結(jié)構(gòu)原理如圖差動變壓器的結(jié)構(gòu)原理如圖4-84-8所示。在線所示。在線框上繞有一組輸入線圈（稱一次線圈）；在框上繞有一組輸入線圈（稱一次線圈）；在同一線框的上端和下端再繞制兩組完全對稱同一線框的上端和下端再繞制兩組完全對稱的線圈（稱二次線圈），它們的線圈（稱二次線圈），它們反向串聯(lián)反向串聯(lián)，組，組成差動輸出形式。成差動輸出形式。 理想差動變壓器的原理如圖理想差動變壓器的原理如圖4-94-9。圖中標(biāo)有。圖中標(biāo)有黑點的一端稱為同名端，通俗說法是指線

22、圈黑點的一端稱為同名端，通俗說法是指線圈的的“頭頭”。 圖4-10 差動變壓器式傳感器的結(jié)構(gòu)圖4-11 差動變壓器式傳感器的等效電路2022-5-182022-5-183838差動變壓器式傳感器的等效電路差動變壓器式傳感器的等效電路 結(jié)構(gòu)特點：結(jié)構(gòu)特點： 兩個二次線圈反向串兩個二次線圈反向串聯(lián)，組成差動輸出形聯(lián)，組成差動輸出形式。式。 請將二次線圈請將二次線圈N21、N22的有關(guān)的有關(guān)端點正確地連接端點正確地連接起來，并指出哪起來，并指出哪兩個為輸出端點。兩個為輸出端點。 從圖4-12中可看出，當(dāng)銜鐵位于中心位置，輸出電壓 并不是零電位，這個電壓就是零點殘余電壓點殘余電壓 它的存在使差動變壓器

23、式傳感器的輸出特性曲線不經(jīng)過零點，造成實際特性和理論特性不完全一致。 2UxU，圖圖4-12 4-12 差動變壓器式傳感器輸出電壓特性曲線差動變壓器式傳感器輸出電壓特性曲線（a）半波電流輸出電路 （b）全波電流輸出電路圖4-13 差動整流電路4.2.2 差動變壓器式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路22468UUU2022-5-182022-5-184141差動整流的特點差動整流的特點 電路是以兩個橋路整流后的直流電壓之差電路是以兩個橋路整流后的直流電壓之差作為輸出的，所以稱為差動整流電路。它不但作為輸出的，所以稱為差動整流電路。它不但可以反映位移的大小（電壓的幅值），還可以可以反映位移的大?。妷旱姆担?/p>

24、，還可以反映位移的方向。反映位移的方向。 上圖中的上圖中的R0是用來微調(diào)電路平衡的，是用來微調(diào)電路平衡的，VD1VD4、VD5VD8組成普通橋式整流電路。組成普通橋式整流電路。2022-5-1842 相敏檢波電路圖4-14 相敏檢波電路2022-5-1843非相敏整流和相敏整流電路輸出電壓比較非相敏整流和相敏整流電路輸出電壓比較(a) (a) 非相敏整流電路；（非相敏整流電路；（b b） 相敏整流電路相敏整流電路 使用相敏整流，輸出電壓使用相敏整流，輸出電壓U U0 0不僅能反映銜不僅能反映銜鐵位移的大小和方向，而且還消除零點殘余電鐵位移的大小和方向，而且還消除零點殘余電壓的影響壓的影響. .

25、 1.差動變壓器式加速度傳感器圖 4-23 差動變壓器式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖1懸臂梁； 2差動變壓器4.2.3 差動變壓器式傳感器的應(yīng)用 1標(biāo)準(zhǔn)靠模樣板 2 測 端 （ 靠 模 輪 ） 3電感測微器 4銑刀龍門框架 5立柱 6伺服電動機 7銑刀 8毛坯 2.電感傳感器在仿形機床中的應(yīng)用 2022-5-1845 仿形機床采用 閉環(huán)工作方式仿形銑床外形2022-5-1846仿形頭仿形頭主主軸軸電感式滾珠直徑自動分選裝置電渦流式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、頻率響電渦流式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、頻率響應(yīng)快、靈敏度高、測量范圍大、抗干擾應(yīng)快、靈敏度高、測量范圍大、抗干擾能力強的優(yōu)點，在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)能力強的

26、優(yōu)點，在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的各個領(lǐng)域中都得到了廣泛的的各個領(lǐng)域中都得到了廣泛的 應(yīng)用。應(yīng)用。電渦流式傳感器可以對位移、振幅、表電渦流式傳感器可以對位移、振幅、表面溫度、速度、應(yīng)力、金屬板厚度及金面溫度、速度、應(yīng)力、金屬板厚度及金屬物件的無損探傷等物理量實現(xiàn)屬物件的無損探傷等物理量實現(xiàn)非接觸非接觸式式測量。測量。 4.3 4.3 電渦流式傳感器電渦流式傳感器根據(jù)根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律法拉第電磁感應(yīng)定律，金屬導(dǎo)體置于，金屬導(dǎo)體置于變化的磁場中時，導(dǎo)體表面就會有感應(yīng)電變化的磁場中時，導(dǎo)體表面就會有感應(yīng)電流產(chǎn)生。電流的流線在金屬體內(nèi)自行閉合，流產(chǎn)生。電流的流線在金屬體內(nèi)自行閉合，這種由電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生

27、的旋渦狀感應(yīng)電這種由電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生的旋渦狀感應(yīng)電流稱為流稱為電渦流電渦流。電渦流的產(chǎn)生必然要消耗一部分能量，從電渦流的產(chǎn)生必然要消耗一部分能量，從而使產(chǎn)生磁場的線圈阻抗發(fā)生變化，這一而使產(chǎn)生磁場的線圈阻抗發(fā)生變化，這一物理現(xiàn)象稱為物理現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)電渦流效應(yīng)。 4.3.1 4.3.1 電渦流效應(yīng)電渦流效應(yīng)4.3.2 4.3.2 電渦流式傳感器的工作原理電渦流式傳感器的工作原理電渦流效應(yīng)演示電渦流效應(yīng)演示 2022-5-1850電渦流式傳感器是利用電渦流效應(yīng)，將電渦流式傳感器是利用電渦流效應(yīng)，將非電非電量量轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換為阻抗的變化阻抗的變化而進(jìn)行測量的。而進(jìn)行測量的。根據(jù)電渦流在導(dǎo)體中的貫穿

28、情況，通常把電根據(jù)電渦流在導(dǎo)體中的貫穿情況，通常把電渦流式傳感器按勵磁電源頻率的高低分為渦流式傳感器按勵磁電源頻率的高低分為高高頻反射式傳感器頻反射式傳感器和和低頻透射式傳感器低頻透射式傳感器，前者，前者的應(yīng)用較為廣泛。的應(yīng)用較為廣泛。 圖4-15 電渦流式傳感器的結(jié)構(gòu)1線圈； 2框架； 3框架襯套； 4支架； 5電纜； 6插頭4.3.2 4.3.2 電渦流式傳感器的工作原理電渦流式傳感器的工作原理電渦流效應(yīng)演示電渦流效應(yīng)演示 2022-5-1853當(dāng)電渦流線圈與當(dāng)電渦流線圈與金屬板的距離金屬板的距離x x 減小時，電渦流減小時，電渦流線圈的等效電感線圈的等效電感L L 減小，流過電渦減小，流

29、過電渦流線圈的電流流線圈的電流 i i1 1 增大。增大。 根據(jù)法拉第定律, 當(dāng)傳感器線圈通以正弦交變電流 時, 線圈周圍空間必然產(chǎn)生正弦交變磁場 , 使置于此磁場中的金屬導(dǎo)體中感應(yīng)電渦流 , 又產(chǎn)生新的交變磁場 。 根據(jù)愣次定律, 的作用將反抗原磁場 , 導(dǎo)致傳感器線圈的等效阻抗發(fā)生變化。 由上可知, 線圈阻抗的變化完全取決于被測金屬導(dǎo)體的電渦流效應(yīng)。 而電渦流效應(yīng)既與被測體的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率以及幾何形狀有關(guān), 又與線圈幾何參數(shù)、線圈中激磁電流頻率f 有關(guān), 還與線圈與導(dǎo)體間 的距離x有關(guān)。因此, 傳感器線圈受電渦流影響時的等效阻抗Z的函 數(shù)關(guān)系式為1I1H2022-5-18542I2I2H2

30、H1HZ=f（ i1， ， r， f， x） (4- 4) (4- 4) 如果保持上式中其它參數(shù)不變?nèi)绻３稚鲜街衅渌鼌?shù)不變, , 而使其中一而使其中一個參數(shù)隨被測量的變化而改變個參數(shù)隨被測量的變化而改變, , 傳感器線圈傳感器線圈阻抗阻抗Z Z就僅僅是這個參數(shù)的單值函數(shù)。通過就僅僅是這個參數(shù)的單值函數(shù)。通過與傳感器配用的測量電路測出阻抗與傳感器配用的測量電路測出阻抗Z Z的變化的變化量量, , 即可實現(xiàn)對被測量的測量。即可實現(xiàn)對被測量的測量。2022-5-1855)j( , ,ZRLFfx 電渦流式傳感器的線圈與被測金屬導(dǎo)體間的距離電渦流式傳感器的線圈與被測金屬導(dǎo)體間的距離x x的變化可以

31、轉(zhuǎn)換為品質(zhì)因數(shù)、阻抗、線圈電感的變化可以轉(zhuǎn)換為品質(zhì)因數(shù)、阻抗、線圈電感量三個參數(shù)的變化。利用量三個參數(shù)的變化。利用阻抗阻抗的測量轉(zhuǎn)換電路一的測量轉(zhuǎn)換電路一般采用般采用電橋電路，屬于調(diào)幅電路電橋電路，屬于調(diào)幅電路。利用。利用線圈電感線圈電感量量的測量轉(zhuǎn)換電路一般的測量轉(zhuǎn)換電路一般采用諧振電路采用諧振電路，根據(jù)輸出，根據(jù)輸出是電壓幅值還是電壓頻率，諧振電路又可分為是電壓幅值還是電壓頻率，諧振電路又可分為調(diào)調(diào)幅和調(diào)頻幅和調(diào)頻兩種。兩種。 4.3.3 4.3.3 電渦流式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路電渦流式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路1.電渦流式傳感器的電橋電路圖圖4-18 4-18 電渦流式傳感器的電橋電路電渦流式

32、傳感器的電橋電路線圈阻抗線圈阻抗的變化轉(zhuǎn)的變化轉(zhuǎn)化成電壓化成電壓幅值的變幅值的變化。化。電渦流式傳感器線圈與電容并聯(lián)組成并聯(lián)諧振電路電渦流式傳感器線圈與電容并聯(lián)組成并聯(lián)諧振電路。該并聯(lián)諧振電路的諧振頻率為式中，f0為諧振電路的諧振頻率（Hz）；L為電渦流式傳感器線圈的電感（H）；C為諧振電路的電容（F）。諧振電路的等效阻抗 為式中， 為諧振電路的等效損耗電阻（）。2.電渦流式傳感器的諧振電路012fLCRCRLZ0圖4-19 調(diào)幅式電路的原理圖1）調(diào)幅式電路 石英振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)頻、穩(wěn)幅高頻振蕩電壓石英振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)頻、穩(wěn)幅高頻振蕩電壓(100kHz1MHz）用于激勵電渦流線圈。金屬材料在高頻磁場中產(chǎn)生電渦流，引用于激勵電渦流線圈。金屬材料在高頻磁場中產(chǎn)生電渦流，引起電渦流線圈端電壓的衰減，再經(jīng)高放、檢波、低放電路，最起電渦流線圈端電壓的衰減，再經(jīng)高放、檢波、低放電路，最終終輸出的電壓輸出的電壓U Uo o的幅度大小反映了金屬體對電渦流線圈的影響的幅度大小反映了金屬體對電渦流線圈的影響（例如兩者之間的距離等參數(shù)）。（例如兩者之間的距離等參數(shù)）。圖4-20 調(diào)頻式電路