《感測(cè)技術(shù)》第三章電感傳感器

1、 第三章 電感傳感器 第一節(jié) 自感式傳感器 第二節(jié) 差動(dòng)變壓器 第三節(jié) 電渦流傳感器 第四節(jié) 電感傳感器的應(yīng)用主要特點(diǎn)：P42 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，壽命長(zhǎng)； 靈敏度高，能分辨0.01m的位移變化； 精度高，線性好，非線性誤差一般為0.05%0.1%。利用磁路磁阻變化引起傳感器線圈的電感（自感L或互感M）變化來檢測(cè)非電量的機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置。P42分類：（根據(jù)變化電感的性質(zhì)劃分）自感L變化：自感式互感M變化：互感式自感L和互感M均變化： 電渦流式 自感式傳感器亦稱變隙式自感傳感器l2SS線圈線圈鐵芯鐵芯銜鐵銜鐵Usr 1.工作原理 磁路氣隙改變磁路磁阻的改變改變線圈自感氣隙氣隙）（線圈的電感：HINL

2、vN: :線圈的匝數(shù)線圈的匝數(shù) I: :線圈中的電流線圈中的電流 v：磁路磁通：磁路磁通 Rm: :磁路總磁阻磁路總磁阻mRNI mRNL2式中 l1、l2、l0 分別為鐵芯、銜鐵和氣隙的長(zhǎng)度； s1、s2、s0 分別為鐵芯、銜鐵和氣隙的截面積； 1、2、0 分別為鐵芯、銜鐵和氣隙的導(dǎo)磁率， 式中1=2 ，0=410-7 H/m。 000222111SlSlSlRRmim 鐵芯的導(dǎo)磁率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣的導(dǎo)磁率磁路的總磁阻主要由氣隙長(zhǎng)度決定0002SlNL改變氣隙的長(zhǎng)度或截面積改變線圈自感mRNL2000222111SlSlSlRRmim000SlRm若氣隙長(zhǎng)度為，截面積為S，則：202SNL 變氣

3、隙長(zhǎng)度型變氣隙截面積S型 2.工作特性 變氣隙長(zhǎng)度型L0L0-+L1-L2銜鐵向上移動(dòng)： 0)(2002SNL)(000LLLL00011LL.)()(1 302000 2.工作特性 變氣隙長(zhǎng)度型L0L0-+L1-L2銜鐵向下移動(dòng)： 0)(2002SNL)(000LLLL00011LL.)()(1 3020001）越小，靈敏度越大，一般取0=0.10.5mm；2）L與為非線性關(guān)系，且/ 越大，非線性越大；3）非線性與測(cè)量范圍的要求相矛盾，一般取/ =0.10.2，所以變隙式電感式傳感器用于測(cè)量微小位移時(shí)是比較精確的；4） 減小與增大時(shí)引起的L變化大小不同，且越大， L相差越大。變氣隙長(zhǎng)度型20

4、22SNddLK202SNL 靈敏度為變氣隙式自感傳感器的激勵(lì)線圈匝數(shù)N=2500，銜鐵斷面積 S=44mm2，氣隙初始長(zhǎng)度l=2=0.8mm，最大位移l= =0.08mm，磁導(dǎo)率0=410-7H/m，求線圈初始電感，電感最大變化量。mHlSNL157108 . 0104410425003672020mHllSNL1311008. 02108 . 010441042500233672021mHllSNL1961008. 02108 . 010441042500233672022mHLLL26011mHLLL39022變氣隙截面積型靈敏度為自感L與S成線性關(guān)系，靈敏度較低0002SlNL2,20

5、0lSSSNL0222000(2)2NNSLLLSS 202NS202SNdLKdS螺管式電感傳感器工作原理:基于線圈磁力線泄漏路徑上磁阻變化；線圈電感量:與銜鐵插入深度有關(guān)；當(dāng)鐵芯在線圈中運(yùn)動(dòng)時(shí)，使線圈自感發(fā)生變化。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易，靈敏度低，適用于較大位移(數(shù)毫米)測(cè)量。令線圈的長(zhǎng)徑比（l/r）足夠大，則線圈內(nèi)部的磁場(chǎng)是均勻的。此時(shí)，未插入銜鐵的空心線圈自感為：lrNlSNL22000020當(dāng)銜鐵局部插入線圈時(shí)，被線圈覆蓋的部分電感增大。令x為銜鐵的插入深度，rc為銜鐵的半徑，Nx為覆蓋銜鐵的線圈匝數(shù)，r為銜鐵的導(dǎo)磁率，則其增量為：xrNLcxr220) 1(xrNLcxr220)

6、 1(NlxNx2220) 1(lxrNLcrlrNlSNL22000020lxrrLLcr220) 1(自感L與x成線性關(guān)系，靈敏度較低螺管式電感傳感器測(cè)量位移推桿與傳感器棒內(nèi)孔同心度沒有要求無接觸測(cè)量，工作壽命長(zhǎng)應(yīng)用：電感式傳感器測(cè)液位三種自感式傳感器的性能比較：1）變氣隙式靈敏度最高，螺管式靈敏度最低；2）變氣隙式非線性嚴(yán)重，變截面式和螺管式線性好；3）變氣隙式示值范圍較小，變截面式和螺管式的示值范 圍較大。靈敏度低可由放大電路方面解決（采用差動(dòng)電橋方式），故，目前螺管式自感傳感器的應(yīng)用越來越多。 三、差動(dòng)自感傳感器測(cè)量電路 1. 基本交流測(cè)量電橋工作時(shí)兩線圈的自感呈反相變化，形成差動(dòng)輸

7、出，稱之為差動(dòng)自感傳感器。當(dāng)銜鐵有位移變化時(shí)，一個(gè)線圈自感增加，另一個(gè)線圈自感減小。將兩線圈接于電橋的相鄰橋臂時(shí)，其輸出靈敏度提高一倍，并改善了線性特性。Z1Z2R3R4UiABCDUo0021021oULLL起始時(shí)，銜鐵處于中間位置021oULL021oULLZ1Z2R3R4UiABCDUo0201向左移動(dòng)：0201向右移動(dòng)：ioUZZZZZZZZU)(43213241043002010RZZjLRZZZ其中：10101LjZZZZ20202LjZZZZioUZZZZZZZZU)(43213241ioULjLjZLjLjU)2(221021)(4210LLLjRjUi令銜鐵左移為正方向L0L

8、0-+L1-L2氣隙減小時(shí)：.)()(1 3020000LL即：.)()(1 30200001LL氣隙增大時(shí)：.)()(1 3020000LL即：.)()(1 30200002LL.)()(1 30200001LL.)()(1 30200002LL.)(1 2200021LLL002 L)(4210LLLjRjUUio00212LLL0002LjRLjUUio輸出靈敏度提高一倍，改善了線性特性0002LjRLjUUio00000)()(2LjRLjRLjRLjUi2022000)()(2LRLRLjUi1)(122000LRLRjUi1)(122000LRLRjUUioRL串聯(lián)諧振電路的品質(zhì)因

9、數(shù)Q為：RLQ代入上式得：1)1(11220QQjUUio1）輸出包含與電源同相和正交兩個(gè)分量。2）Q值大可以減小正交分量。輸出電壓的大小可以反映銜鐵的位移大小；輸出電壓的極性可以反映銜鐵的位移方向。 2帶相敏整流的交流電橋交流電壓表不能指示輸出極性無法確定動(dòng)鐵位移方向引入相敏整流電路，以直流電壓表測(cè)量電橋輸出電壓+ +- - + +- -1）交流電表測(cè)得的曲線2）直流電表測(cè)得的曲線 3緊耦合測(cè)量電橋 緊耦合測(cè)量電橋具有較高的穩(wěn)定性和靈敏度靜態(tài)時(shí)：Z1=Z2=Z ，N1=N2兩線圈N1與N2的耦合互感為M，且 M = KL0L0：兩線圈N1和N2的自感K為耦合系數(shù)緊耦合兩線圈中電流方向相反：耦

10、合系數(shù)K=-1緊耦合線圈的T 形等效電路 ZS =j（L0M）=j 2L 0 ZP =jM =jL 0 ZAC =2ZS =j 4L 0 ZAE =ZCE =ZS+ZP =jL 0 緊耦合測(cè)量電橋等效電路 （1）測(cè)量橋輸出電壓 初態(tài)時(shí)， 動(dòng)鐵左移時(shí)，Z1=Z +Z，Z2=ZZ 則 SSBDZZZZZ21/2)(2)(22SSSZZZZZZZ0ACoUUUUZZZUPBDBDBDUZZZZZSPS2UZZZZZUSPSBD2ADCDoUUUBDSSBDSSUZZZZUZZZZBDSSUZZZZZ22)(2BDSSUZZZZ2)(2UZZZZZZZZZSPSSS2)(22SPSSZZZUZZZZ2

11、2動(dòng)鐵左移時(shí)：SPSSoZZZUZZZZU22同理可得，動(dòng)鐵右移時(shí)：SPSSoZZZUZZZZU22SPSSoZZZUZZZZU22 （2）測(cè)量橋靈敏度KB 將Z=R+jL，Z=R+jL，ZS=j2L0，ZP= -jL0分別代入緊耦合測(cè)量橋的靈敏度為 ULLUKoBLLLL/21/400 由于RL，R線圈間互感的變化量 其本質(zhì)是差動(dòng)輸出的開磁路變壓器 P49 一、工作原理 abcdcdVV鐵芯線圈組合銜鐵VVVoutR1、L1：初級(jí)線圈電阻與自感R21、R22：次級(jí)線圈電阻L21、L22：次級(jí)線圈自感M1、M2：初級(jí)線圈與兩次級(jí)線圈間互感e21、e22：感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)u2 ：差動(dòng)輸出電壓，次級(jí)線圈

12、反向串聯(lián)u2=e21-e22 初級(jí)線圈中激磁電流為：1111LjRUI次級(jí)線圈中的磁通為：2112211121,mmRINRINN1：初級(jí)線圈匝數(shù)；次級(jí)線圈匝數(shù)：N21=N22=N2Rm1、Rm2： 和 的通道磁阻2122 初級(jí)線圈與兩次級(jí)線圈的互感為：221122222121121211;mmRNNINMRNNINM 次級(jí)線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)12221121;IMjEIMjE是初級(jí)線圈電流的角頻率差動(dòng)變壓器空載時(shí)的輸出電壓為：11222212)(IMMjEEU11112)(LjRUMMj111122)(LjRUMMjU12121122)()(ULRMMU有效值：22212221LjLjRRZ22

13、22122221LLRRZ輸出阻抗其大小為：MMM21銜鐵在中間位置時(shí)：銜鐵左移：MMMMMM21;12121122)()(ULRMMU02U121212)(2ULRMU0銜鐵右移:MMMMMM21;121212)(2ULRMU0可測(cè)量位移的大小，亦能判定位移的方向。 二、工作特性 1輸出電壓特性Um：動(dòng)鐵與次級(jí)某線圈完全耦合時(shí)的輸出電壓；該線圈磁路的磁阻最小，互感M 最大，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e 最大Uo:動(dòng)鐵與次線某線圈完全不耦合時(shí)的輸出電壓，稱為殘余電壓X :動(dòng)鐵與次級(jí)某線圈實(shí)際位移的范圍單個(gè)次級(jí)線圈輸出電壓與動(dòng)鐵位移的關(guān)系曲線差動(dòng)兩線圈輸出電壓線性工作范圍大大增加次級(jí)線圈反向串聯(lián)時(shí)，差動(dòng)輸出電壓

14、與動(dòng)鐵位移關(guān)系曲線 2靈敏度 差動(dòng)變壓器在單位電壓激勵(lì)下，動(dòng)鐵移動(dòng)單位距離時(shí)所產(chǎn)生的輸出電壓，以mv/mm/V表示，一般大于50mv/mm/V 在初級(jí)線圈熱容量允許范圍內(nèi)適當(dāng)增加激勵(lì)電壓 適當(dāng)增加動(dòng)鐵截面積，以減小磁路磁阻，同時(shí)減小鐵損:M ,M , R 適當(dāng)增加次級(jí)線圈的匝數(shù)N2，一般取N2=（12）N1 在低頻段，若R1L1 此時(shí)，適當(dāng)，也可以提高靈敏度11212)(UMMRU3 頻率特性12121122)()(ULRMMU低頻時(shí)：11LR112MURU中頻時(shí)：11LR112ULMU與無關(guān)高頻時(shí)： 當(dāng)增加到某一數(shù)值時(shí)（視鐵芯材料而異），導(dǎo)線存在趨膚效應(yīng)使得R大幅提升。導(dǎo)致靈敏度下降趨膚效應(yīng)

15、頻率低頻率低頻率高頻率高v直流:電流在導(dǎo)線截面上均勻分布流動(dòng)v交流:電流有集中在外部周圍流動(dòng)，而在中心部位不怎么流動(dòng)的傾向，這種現(xiàn)象叫趨膚效應(yīng) 4零點(diǎn)殘余電壓消除方法 差動(dòng)變壓器零點(diǎn)殘余電壓是由于結(jié)構(gòu)及電磁特性不對(duì)稱等多方面影響造成的，減小的方法主要是： 提高差動(dòng)變壓器的組成結(jié)構(gòu)及電磁特性的對(duì)稱性 引入相敏整流電路 采用外電路補(bǔ)償 三、測(cè)量電路 差動(dòng)整流電路電流輸出型:用于連接低阻抗負(fù)載電路電壓輸出型:用于連接高阻抗負(fù)載電路其他結(jié)構(gòu)差動(dòng)變壓器式傳感器1 1、電磁爐、電磁爐2 2、電渦流探雷器、電渦流探雷器電渦流現(xiàn)象與我們的生活電渦流現(xiàn)象與我們的生活第三節(jié)第三節(jié) 電渦流傳感器電渦流傳感器渦流效應(yīng)

16、：渦流效應(yīng)：線圈置于導(dǎo)體附近線圈置于導(dǎo)體附近: :金屬導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生渦流金屬導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生渦流線圈中通以高頻信號(hào)線圈中通以高頻信號(hào) i1 1正弦交變磁場(chǎng)正弦交變磁場(chǎng) H1H1渦流產(chǎn)生電磁場(chǎng)渦流產(chǎn)生電磁場(chǎng)反作用于線圈反作用于線圈 , ,改變了改變了電感電感式中式中, 導(dǎo)體電阻率導(dǎo)體電阻率(cm)； 導(dǎo)體磁導(dǎo)率；導(dǎo)體磁導(dǎo)率； 激磁電源頻率激磁電源頻率(Hz)。穿透深度h為：()hcmf根據(jù)激磁電源頻率的高低可分為：1、高頻反射式：適用于非接觸式位移測(cè)量；2、低頻透射式：僅適用于金屬板厚度測(cè)量。高頻反射式電渦流傳感器高頻反射式電渦流傳感器 2 2、基本原理、基本原理 3 3、等效電路、等效電路 1 1、傳感

17、器的結(jié)構(gòu)、傳感器的結(jié)構(gòu)1 1、傳感器的結(jié)構(gòu)：、傳感器的結(jié)構(gòu)：1234561-1-線圈線圈 2-2-框架框架 3-3-襯套襯套 4-4-支架支架 5-5-電纜電纜 6-6-插頭插頭高頻反射式電渦流傳感器高頻反射式電渦流傳感器 由安置在框架上的扁平圓形線圈構(gòu)成。此線圈可粘由安置在框架上的扁平圓形線圈構(gòu)成。此線圈可粘貼于框架上，或在框架上開一槽，將導(dǎo)線繞在槽內(nèi)。貼于框架上，或在框架上開一槽，將導(dǎo)線繞在槽內(nèi)。電渦流傳感器外形電渦流傳感器外形（參考德國(guó)圖爾克公司資料）（參考德國(guó)圖爾克公司資料）電渦流電渦流傳感器外形傳感器外形（參考德國(guó)圖爾克公司資料）（參考德國(guó)圖爾克公司資料）高頻反射式電渦流傳感器高頻反

18、射式電渦流傳感器2 2、基本原理、基本原理高頻信號(hào)使線圈產(chǎn)生高頻交高頻信號(hào)使線圈產(chǎn)生高頻交變磁場(chǎng)變磁場(chǎng)磁場(chǎng)作用范圍內(nèi)的導(dǎo)體表層磁場(chǎng)作用范圍內(nèi)的導(dǎo)體表層產(chǎn)生電渦流產(chǎn)生電渦流ie渦流產(chǎn)生交變磁場(chǎng)渦流產(chǎn)生交變磁場(chǎng)ee阻礙外阻礙外磁場(chǎng)的變化磁場(chǎng)的變化導(dǎo)體內(nèi)的渦流損耗改變導(dǎo)體內(nèi)的渦流損耗改變線圈線圈的的Q Q值值和和等效阻抗等效阻抗Z ZiedMed d 改變改變渦流損耗渦流損耗Q Q值值等效阻抗等效阻抗Z Z線圈電感線圈電感L L等效電路 類似于副邊短路的空心變壓器R1和L1：傳感線圈的電阻和自感R2和L2：金屬導(dǎo)體（短路線圈）的電阻和自感M ：傳感線圈與被測(cè)體間磁耦合等效互感121111UIMjIL

19、jIR 按 KVL列出電路電壓平衡方程022221LjIRIMjI等效電路 類似于副邊短路的空心變壓器R1和L1：傳感線圈的電阻和自感R2和L2：金屬導(dǎo)體（短路線圈）的電阻和自感M ：傳感線圈與被測(cè)體間磁耦合等效互感121111UIMjILjIR022221LjIRIMjI聯(lián)立求解，得：2211122122()()()URj LRj LMIRj L2221221121222()R Rj R Lj R LL LMRj L2221212211222()R RL LMj R Lj R LRj L2221212211222()R RL LMj R Lj R LZRj L2221212211222222

20、2()()()()R RL LMj R Lj R LRj LRj LRj L22222122122211221223232222221222122122()/() R RR L LM Rj R Lj R R Lj R R LjL LjL MR L LL RRL222232322212221122212222()R RM Rj R LjL LjL ML RRL222222323212212211222222()R RL RM Rj R LjL LjL MRL222222323212212211222222()R RL RM Rj R LjL LjL MZRL2222222222122212222

21、222()()()R RLM RjL RLL MRL2222121222222222()()MMRRjLLRLRL22,222222()MRRRL渦流回路的反射電阻22222222()MLLRL，渦流回路的反射電感 電渦流傳感器等效阻抗Z： Z =FZ =F（、f f、r r）高頻反射式渦流傳感器的應(yīng)用：1、當(dāng)被測(cè)體材料及激磁頻率一定(、f、r確定確定)時(shí)，阻抗Z 是的單值函數(shù)。即，僅利用位移量為變量，可用于測(cè)量位移、厚度、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速等，也可作為接近開關(guān)和計(jì)數(shù)器。2、僅利用作為變量，可測(cè)量溫度、判斷材質(zhì)。3、僅利用作為變量，可測(cè)量應(yīng)力、硬度等。4、利用、等綜合因素，可實(shí)現(xiàn)探傷和金屬探尋。 1.

22、 交流電橋交流電橋高頻反射式電渦流傳感器的轉(zhuǎn)換電路高頻反射式電渦流傳感器的轉(zhuǎn)換電路U U0 0交流電橋測(cè)量電路交流電橋測(cè)量電路L L1 1振蕩器振蕩器R R1 1R R2 2C C2 2 C C1 1L L2 2檢波放大L L1 1、L L2 2是兩個(gè)差動(dòng)傳感器線圈，是兩個(gè)差動(dòng)傳感器線圈，與電容與電容C C1 1 、C C2 2的并聯(lián)阻抗的并聯(lián)阻抗Z Z1 1、Z Z2 2作為電橋的兩個(gè)橋臂作為電橋的兩個(gè)橋臂. . 222C/LZ 111C/LZ 2. 調(diào)幅電路調(diào)幅電路 渦流傳感器線圈與電容并聯(lián)組成渦流傳感器線圈與電容并聯(lián)組成LCLC并聯(lián)諧振回并聯(lián)諧振回路，由恒流源石英晶體振蕩器供電。路，由恒

23、流源石英晶體振蕩器供電。 測(cè)量時(shí)，金屬材料在高頻磁場(chǎng)中產(chǎn)生電渦流，測(cè)量時(shí)，金屬材料在高頻磁場(chǎng)中產(chǎn)生電渦流，引起電渦流線圈端電壓的衰減，最終輸出的電壓引起電渦流線圈端電壓的衰減，最終輸出的電壓U Uo o反映了金屬體對(duì)電渦流線圈的影響（例如兩者之間反映了金屬體對(duì)電渦流線圈的影響（例如兩者之間的的距離距離等參數(shù)）。等參數(shù)）。 調(diào)幅式測(cè)量電路原理框圖調(diào)幅式測(cè)量電路原理框圖晶體振蕩器晶體振蕩器C C輸出輸出L L放大放大檢波檢波濾波濾波R R金屬導(dǎo)體金屬導(dǎo)體高頻反射式電渦流傳感器的轉(zhuǎn)換電路高頻反射式電渦流傳感器的轉(zhuǎn)換電路例：例：調(diào)幅度法測(cè)量振動(dòng)的波形調(diào)幅度法測(cè)量振動(dòng)的波形 用電用電渦流探渦流探頭、調(diào)頭、調(diào)幅法測(cè)幅法測(cè)量簡(jiǎn)諧量簡(jiǎn)諧振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)時(shí)，探頭的探頭的輸出波輸出波形形。2. 調(diào)頻電路調(diào)頻電路高頻反射式電渦流傳感器的轉(zhuǎn)換電路高頻反射式電渦流傳感器的轉(zhuǎn)換電路以LC 諧振回路的頻率作為輸出量，測(cè)量輸出頻率例例：調(diào)頻法測(cè)量振動(dòng)的波形調(diào)頻法測(cè)量振動(dòng)的波形 二、低頻透射式電渦流傳感器發(fā)射線圈1 和接收線圈2分別放在被測(cè)材料G的上下低頻(音頻范圍)電壓e1 加到線圈1 的兩端后,在周圍空間產(chǎn)生一交變磁場(chǎng),并在被測(cè)材料G中產(chǎn)生渦流,此渦流損耗了部分能量,使貫穿2的磁力線減少,從而使2產(chǎn)生的