電感式傳感器及應(yīng)用課件

第4章電感式傳感器及應(yīng)用2015/10/121主講人：李靜第4章電感式傳感器及應(yīng)用2015/10/121主講人：李2

根據(jù)法拉第電磁定律，當(dāng)穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化時，就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，這種現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng)。利用這種現(xiàn)象可以構(gòu)成各種各樣的傳感器。

電感式傳感器是利用線圈自感或互感的變化來實現(xiàn)測量的一種裝置.引言2根據(jù)法拉第電磁定律，當(dāng)穿過閉合電路的磁通量發(fā)電感式傳感器3原理定義利用線圈自感和互感的變化實現(xiàn)非電量電測的裝置。感測量位移、振動、壓力、應(yīng)變、流量、比重等。分類

根據(jù)轉(zhuǎn)換原理：自感式（変磁阻式）、互感式（差動變壓器式）、

電渦流式。

根據(jù)結(jié)構(gòu)形式：氣隙型、面積型和螺管型。電磁感應(yīng)

被測非電量自感系數(shù)L互感系數(shù)M測量電路U、I、f電感式傳感器3原理電磁感應(yīng)被測非電量4

優(yōu)點

①結(jié)構(gòu)簡單、可靠②分辨率高

機械位移0.1μm，甚至更小；角位移0.1角秒。輸出信號強，電壓靈敏度可達數(shù)百mV/mm。③重復(fù)性好，線性度優(yōu)良在幾十μm到數(shù)百mm的位移范圍內(nèi)，輸出特性的線性度較好，且比較穩(wěn)定。④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。4優(yōu)點不足主要章節(jié)內(nèi)容4.1自感式傳感器4.2差動變壓器式傳感器4.3電渦流傳感器5主要章節(jié)內(nèi)容4.1自感式傳感器54.1自感式傳感器

自感式傳感器是利用自感量隨氣隙變化而改變的原理制成的，主要用來測量位移。自感式傳感器主要有閉磁路變隙式和開磁路螺線管式，它們又都可以分為單線圈式與差動式兩種結(jié)構(gòu)形式。64.1自感式傳感器自感式傳感器是利用自感量隨氣隙變化而改內(nèi)容4.1.1

結(jié)構(gòu)和工作原理4.1.2

自感式傳感器的測量電路4.1.3

自感式傳感器應(yīng)用舉例7內(nèi)容4.1.1結(jié)構(gòu)和工作原理7自感式傳感器的基本工作原理演示8F銜鐵移動磁路中氣隙磁阻變化線圈的電感值變化自感式傳感器的基本工作原理演示8F銜鐵移動磁路中氣隙磁阻變化4.1.1

基本工作原理9δ線圈鐵芯銜鐵Δδ由于可得：磁路的總磁阻可表示為：近似計算出線圈的電感量為：4.1.1基本工作原理9δ線圈鐵芯銜鐵Δδ由于可得：磁10結(jié)論電感式傳感器從原理上可分為變氣隙長度式和變氣隙截面式兩種類型，前者常用于測量直線位移，后者常用于測量角位移。如果在線圈中放入圓柱形銜鐵，當(dāng)銜鐵上下移動時，自感量將相應(yīng)變化，就構(gòu)成了螺線管型自感傳感器。10結(jié)論電感式傳感器從原理上可分為變氣隙長度式和變氣隙截面4.1.1常見結(jié)構(gòu)形式111—線圈2—鐵芯3—銜鐵4—測桿5—導(dǎo)軌6—工件7—轉(zhuǎn)軸4.1.1常見結(jié)構(gòu)形式111—線圈2—鐵芯3—銜鐵由電感式可知，變氣隙長度式傳感器的線性度差、示值范圍窄、自由行程小，但在小位移下靈敏度很高，常用于小位移的測量。1．變氣隙式（閉磁路式）自感傳感器

121—線圈2—鐵芯3—銜鐵由電感式可知，變氣131．變氣隙式（閉磁路式）自感傳感器

由電感式同樣可知，變截面式傳感器具有良好的線性度、自由行程大、示值范圍寬，但靈敏度較低，常用來測量較大位移量。為擴大示值范圍和減小非線性誤差，可采用差動結(jié)構(gòu)。131．變氣隙式（閉磁路式）自感傳感器由電感式2．螺線管式（開磁路式）自感式傳感器

螺線管式自感式傳感器常采用差動式。141—測桿2—銜鐵3—線圈差動式電感傳感器對外界影響，如溫度的變化、電源頻率的變化等基本上可以互相抵消，銜鐵承受的電磁吸力也較小，從而減小了測量誤差。2．螺線管式（開磁路式）自感式傳感器螺線管式自感式傳感器常特性151、2—L1、L2的特性3—差動特性特性151、2—L1、L2的特性3—差動特性4.1.2自感式傳感器的測量電路測量電路有交流分壓式、交流電橋式和諧振式等多種，常用的差動式傳感器大多采用交流電橋式。交流電橋的種類很多，差動形式工作時其電橋電路常采用雙臂工作方式。164.1.2自感式傳感器的測量電路測量電路有交流分壓式、交流1．變壓器交流電橋電橋有兩臂為傳感器的差動線圈的阻抗，所以該電路又稱為差動交流電橋17變壓器式交流電橋電路圖1．變壓器交流電橋電橋有兩臂為傳感器的差動線圈的阻抗，所以分析設(shè)O點為電位參考點，根據(jù)電路的基本分析方法，可得到電橋輸出電壓為當(dāng)傳感器的活動鐵芯處于初始平衡位置時，兩線圈的電感相等，阻抗也相等。電橋輸出電壓，電橋處于平衡狀態(tài)。18分析設(shè)O點為電位參考點，根據(jù)電路的基本分析方法，可得到電橋輸變化時當(dāng)鐵芯向一邊移動時，則一個線圈的阻抗增加，19變化時當(dāng)鐵芯向一邊移動時，則一個線圈的阻抗增加，19變化后的電壓當(dāng)傳感器線圈為高Q值時，則線圈的電阻遠小于其感抗當(dāng)活動鐵芯向另一邊（反方向）移動時差動式自感傳感器采用變壓器交流電橋為測量電路時，電橋輸出電壓既能反映被測體位移量的大小，又能反映位移量的方向，且輸出電壓與電感變化量呈線性關(guān)系。20變化后的電壓當(dāng)傳感器線圈為高Q值時，則線圈的電阻遠小于其感抗2．帶相敏整流的交流電橋上述變壓器式交流電橋中，由于采用交流電源，則不論活動鐵芯向線圈的哪個方向移動，電橋輸出電壓總是交流的，即無法判別位移的方向。常采用帶相敏整流的交流電橋。212．帶相敏整流的交流電橋上述變壓器式交流電橋中，由于采用交結(jié)構(gòu)22帶相敏整流的交流電橋電路結(jié)構(gòu)22帶相敏整流的交流電橋電路（1）初始平衡位置時23鐵芯處于初始平衡位置時的等效電路（1）初始平衡位置時23鐵芯處于初始平衡位置時的等效電路（2）活動鐵芯向一邊移動時24鐵芯向線圈一個方向移動時的等效電路（2）活動鐵芯向一邊移動時24鐵芯向線圈一個方向移動時的等結(jié)果25在Ui的正半周在Ui的負半周結(jié)果25在Ui的正半周在Ui的負半周只要活動鐵芯向一方向移動，無論在交流電源的正半周還是負半周，電橋輸出電壓均為正值。26只要活動鐵芯向一方向移動，無論在交流電源的正半周還是負半周，（3）活動鐵芯向相反方向移動時當(dāng)活動鐵芯向線圈的另一個方向移動時，用上述分析方法同樣可以證明，無論在的正半周還是負半周，電橋輸出電壓均為負值。27（3）活動鐵芯向相反方向移動時當(dāng)活動鐵芯向線圈的另一個方向移應(yīng)用281—理想特性曲線2—實際特性曲線應(yīng)用281—理想特性曲線2—實際特性曲線4.1.3自感式傳感器應(yīng)用舉例用于測量位移，還可以用于測量振動、應(yīng)變、厚度、壓力、流量、液位等非電量。294.1.3自感式傳感器應(yīng)用舉例用于測量位移，還可以用于測量振1．自感式測厚儀301—可動鐵芯2—測桿3—被測物體1．自感式測厚儀301—可動鐵芯2—測桿3—被測物2．位移測量311—引線2—線圈3—銜鐵4—測力彈簧5—導(dǎo)桿6—密封罩7—測頭2．位移測量311—引線2—線圈3—銜鐵4—測其他電感測微頭32其他電感測微頭324.2差動變壓器式傳感器把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感變化的傳感器稱為互感式傳感器。因這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且其二次繞組都用差動形式連接，所以又叫差動變壓器式傳感器，簡稱差動變壓器。有變隙式、變面積式和螺線管式等在非電量測量中，應(yīng)用最多的是螺線管式的差動變壓器，它可以測量1～100mm范圍內(nèi)的機械位移，并具有測量精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠等優(yōu)點。334.2差動變壓器式傳感器把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感變4.2.1基本工作原理34螺線管式差動變壓器結(jié)構(gòu)示意圖

1—

一次繞組2—二次繞組3—銜鐵4—測桿螺線管式差動變壓器原理圖4.2.1基本工作原理34螺線管式差動變壓器結(jié)構(gòu)示意圖輸出特性35零點殘余電動勢輸出特性35零點殘余電動勢零點電勢零點殘余電動勢使得傳感器在零點附近的輸出特性不靈敏，為測量帶來誤差。為了減小零點殘余電動勢，可采用以下方法。（1）盡可能保證傳感器尺寸、線圈電氣參數(shù)和磁路對稱。（2）選用合適的測量電路。（3）采用補償線路減小零點殘余電動勢。36零點電勢零點殘余電動勢使得傳感器在零點附近的輸出特性不靈敏，4.2.2測量電路差動變壓器輸出的是交流電壓，若用交流電壓表測量，只能反映銜鐵位移的大小，而不能反映移動方向。另外，其測量值中將包含零點殘余電壓。為了達到能辨別移動方向及消除零點殘余電動勢目的，實際測量時，常常采用差動整流電路和相敏檢波電路。374.2.2測量電路差動變壓器輸出的是交流電壓，若1．差動整流電路381．差動整流電路384.2.3差動變壓器式傳感器的應(yīng)用差動變壓器不僅可以直接用于位移測量，而且還可以測量與位移有關(guān)的任何機械量，如振動、加速度、應(yīng)變、壓力、張力、比重和厚度等。394.2.3差動變壓器式傳感器的應(yīng)用差動變壓器不僅可以直接40

L1、L2傳感器作兩個橋臂；C1、C2為另外兩個橋臂；D1-D4組成相敏整流器;磁飽和變壓器T提供橋壓。差動變壓器式測厚儀40L1、L2傳感器作兩個橋臂；C1、C2為另外兩個橋臂；1．振動和加速度的測量41

振動傳感器及其測量電路1—彈性支撐2—差動變壓器1．振動和加速度的測量41振動傳感器及其測量電路2．力和壓力的測量42

差動變壓器式力傳感器1—上部2—銜鐵3—線圈

4—變形部5—下部2．力和壓力的測量42差動變壓器式力傳感器1—上部微壓力傳感器43

1—差動變壓器2—銜鐵3—罩殼4—插頭

5—通孔6—底座7—膜盒8—接頭9—線路板電感式微壓力傳感器微壓力傳感器431—差動變壓器2—銜鐵3—罩課堂小結(jié)441、電感式傳感器工作原理，能測量哪些物理量？2、三種自感式傳感器的工作原理、特點、應(yīng)用范圍；3、帶相敏整流交流電橋是怎樣判斷銜鐵移動方向的？4、零點殘余電壓是如何產(chǎn)生的，對傳感器性能會產(chǎn)生何種影響，如何消除它？課堂小結(jié)441、電感式傳感器工作原理，能測量哪些物理量？45課后作業(yè)：4.1、4.445課后作業(yè)：4.3電渦流傳感器根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，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)將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應(yīng)電流，此電流叫電渦流，這種現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。根據(jù)電渦流效應(yīng)制成的傳感器稱為電渦流式傳感器。按照電渦流在導(dǎo)體內(nèi)的貫穿情況，此傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩類，但從基本工作原理上來說仍是相似的。電渦流式傳感器最大的特點是能對位移、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，另外還具有體積小、靈敏度高、頻率響應(yīng)寬等特點，應(yīng)用極其廣泛。464.3電渦流傳感器根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，塊狀金屬導(dǎo)體置于變4.3.1電渦流傳感器的工作原理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)既與被測體的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ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Z=F（ρ，μ，R，，x）47電渦流傳感器原理圖4.3.1電渦流傳感器的工作原理線圈阻抗的變化完全取決如果保持上式中其他參數(shù)不變，而只改變其中一個參數(shù)，傳感器線圈阻抗Z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Z的變化量，即可實現(xiàn)對該參數(shù)的測量。48如果保持上式中其他參數(shù)不變，而只改變其中一個參數(shù)，傳感器線圈4.3.2電渦流傳感器基本結(jié)構(gòu)和類型

1．電渦流傳感器基本結(jié)構(gòu)2．電渦流傳感器基本類型494.3.2電渦流傳感器基本結(jié)構(gòu)和類型1．電渦流傳感器基1．電渦流傳感器基本結(jié)構(gòu)電渦流式傳感器的基本結(jié)構(gòu)主要由線圈和框架組成。根據(jù)線圈在框架上的安置方法，傳感器的結(jié)構(gòu)可分為兩種形式：一種是單獨繞成一只無框架的扁平圓形線圈，由膠水將此線圈粘接于框架的頂部50

圖4-26CZF3型電渦流式傳感器

1—殼體2—框架3—線圈4—保護套

5—填料6—螺母7—電纜

1．電渦流傳感器基本結(jié)構(gòu)電渦流式傳感器的基本結(jié)構(gòu)主要由線圈和另一種是在框架的接近端面處開一條細槽，用導(dǎo)線在槽中繞成一只線圈，如圖4-27所示的CZF1型電渦流式傳感器。51

圖4-27CZF1型電渦流式傳感器1—電渦流線圈2—前端殼體3—位置調(diào)節(jié)螺4—信號處理電路5—夾持螺母6—電源指示燈—閾值指示燈8—輸出屏蔽電纜線9—電纜插頭另一種是在框架的接近端面處開一條細槽，用導(dǎo)線在槽中繞成一只線2．電渦流傳感器基本類型電渦流在金屬導(dǎo)體內(nèi)的滲透深度與傳感器線圈的激勵信號頻率有關(guān)，故電渦流式傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩類。目前高頻反射式電渦流傳感器應(yīng)用較廣泛。522．電渦流傳感器基本類型電渦流在金屬導(dǎo)體內(nèi)的滲透深度與傳感器（1）高頻反射式高頻（>1MHz）激勵電流產(chǎn)生的高頻磁場作用于金屬板的表面，由于集膚效應(yīng)，在金屬板表面將形成渦電流。與此同時，該渦流產(chǎn)生的交變磁場又反作用于線圈，引起線圈自感L或阻抗ZL的變化。線圈自感L或阻抗ZL的變化與金屬板距離h、金屬板的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ、激勵電流i及角頻率ω等有關(guān)，若只改變距離h而保持其他參數(shù)不變，則可將位移的變化轉(zhuǎn)換為線圈自感的變化，通過測量電路轉(zhuǎn)換為電壓輸出。高頻反射式渦流傳感器多用于位移測量。53高頻反射式電渦流傳感器（1）高頻反射式高頻（>1MHz）激勵電流產(chǎn)生的高頻磁場作用（2）低頻透射式54

低頻透射式電渦流傳感器（2）低頻透射式54低頻透射式電渦流傳感器4.3.3測量電路1．電橋電路2．調(diào)幅式（AM）電路3．調(diào)頻（FM）式電路（100kHz～1MHz）554.3.3測量電路1．電橋電路551．電橋電路靜態(tài)時，電橋平衡，橋路輸出UAB＝0。工作時，傳感器接近被測體，電渦流效應(yīng)等效電感L發(fā)生變化，測量電橋失去平衡，即UAB≠0，經(jīng)線性放大后送檢波器檢波后輸出直流電壓U。561．電橋電路靜態(tài)時，電橋平衡，橋路輸出UAB＝0。工作時，傳2．調(diào)幅式（AM）電路石英振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)頻、穩(wěn)幅高頻振蕩電壓（100kHz～1MHz）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，最終輸出的直流電壓Uo反映了金屬體對電渦流線圈的影響）。572．調(diào)幅式（AM）電路石英振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)頻、穩(wěn)幅高頻振蕩電壓（3．調(diào)頻（FM）式電路（100kHz～1MHz）當(dāng)電渦流線圈與被測體的距離x改變時，電渦流線圈的電感量L也隨之改變，引起LC振蕩器的輸出頻率變化，此頻率可直接用計算機測量。如果要用模擬儀表進行顯示或記錄時，必須使用鑒頻器，將f轉(zhuǎn)換為電壓Uo。583．調(diào)頻（FM）式電路（100kHz～1MHz）當(dāng)電渦流線圈4.3.4電渦流傳感器的應(yīng)用渦流式傳感器的特點是結(jié)構(gòu)簡單，易于進行非接觸的連續(xù)測量，靈敏度較高，適用性強①利用位移x作為變換量，可以做成測量位移、厚度、振幅、振擺、轉(zhuǎn)速等傳感器，也可做成接近開關(guān)、計數(shù)器等；②利用材料電阻率作為變換量，可以做成測量溫度，材質(zhì)判別等傳感器；③利用導(dǎo)磁率作為變換量，可以做成測量應(yīng)力，硬度等傳感器；④利用變換量x、、等的綜臺影響，可以做成探傷裝置。594.3.4電渦流傳感器的應(yīng)用渦流式傳感器的特點是結(jié)構(gòu)簡1．測量轉(zhuǎn)速在軟磁材料制成的輸入軸上加工一鍵槽（或裝上一個齒輪狀的零件），在距輸入表面d0處設(shè)置電渦流傳感器，輸入軸與被測旋轉(zhuǎn)軸相連。60實物圖1．測量轉(zhuǎn)速在軟磁材料制成的輸入軸上加工一鍵槽（或裝上一個原理當(dāng)旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動時，輸出軸的距離發(fā)生d0+Δd的變化。由于電渦流效應(yīng)，這種變化將導(dǎo)致振蕩諧振回路的品質(zhì)因數(shù)變化，使傳感器線圈電感隨Δd的變化也發(fā)生變化，它們將直接影響振蕩器的電壓幅值和振蕩頻率。因此，隨著輸入軸的旋轉(zhuǎn)，從振蕩器輸出的信號中包含有與轉(zhuǎn)數(shù)成正比的脈沖頻率信號。該信號由檢波器檢出電壓幅值的變化量，然后經(jīng)整形電路輸出脈沖頻率信號f，該信號經(jīng)電路處理便可得到被測轉(zhuǎn)速。61原理當(dāng)旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動時，輸出軸的距離發(fā)生d0+Δd的變化。由于電2．測位移接通電源后，在電渦流探頭的有效面（感應(yīng)工作面）將產(chǎn)生一個交變磁場。當(dāng)金屬物體接近此感應(yīng)面時，金屬表面將吸取電渦流探頭中的高頻振蕩能量，使振蕩器的輸出幅度線性地衰減，根據(jù)衰減量的變化，可計算出與被檢物體的距離、振動等參數(shù)。這種位移傳感器屬于非接觸測量，工作時不受灰塵等非金屬因素的影響，壽命較長，可在各種惡劣條件下使用。622．測位移接通電源后，在電渦流探頭的有效面（感應(yīng)工作面）將3．電渦流接近開關(guān)接近開關(guān)又稱無觸點行程開關(guān)。常用的接近開關(guān)有電渦流式（俗稱電感接近開關(guān)）、電容式、磁性干簧開關(guān)、霍爾式、光電式、微波式、超聲波式等它能在一定的距離（幾毫米至幾十毫米）內(nèi)檢測有無物體靠近。當(dāng)物體與其接近到設(shè)定距離時，就可以發(fā)出“動作”信號。接近開關(guān)的核心部分是“感辨頭”，它對正在接近的物體有很高的感辨能力。633．電渦流接近開關(guān)接近開關(guān)又稱無觸點行程開關(guān)。常用的接近開實物64

接近開關(guān)外形圖實物64接近開關(guān)外形圖原理電渦流式接近開關(guān)屬于一種開關(guān)量輸出的位置傳感器。原理圖如圖4-36所示，它由LC高頻振蕩器和放大處理電路組成，利用金屬物體在接近這個能產(chǎn)生交變電磁場的振蕩感辨頭時，使物體內(nèi)部產(chǎn)生渦流。這個渦流反作用于接近開關(guān)，使接近開關(guān)振蕩能力衰減，內(nèi)部電路的參數(shù)發(fā)生變化，由此識別出有無金屬物體接近，進而控制開關(guān)的通或斷。這種接近開關(guān)所能檢測的物體必須是導(dǎo)電性能良好的金屬物體。65原理電渦流式接近開關(guān)屬于一種開關(guān)量輸出的位置傳感器。原理圖如接近開關(guān)原理圖66接近開關(guān)原理圖66轉(zhuǎn)速測量67轉(zhuǎn)速測量67接近開關(guān)外形接近開關(guān)外形68接近開關(guān)外形接近開關(guān)外形68偏心和振動檢測69偏心和振動檢測69電渦流表面探傷70掌上型

電渦流

探傷儀電渦流表面探傷70掌上型

電渦流

探傷儀4．金屬探測器71金屬探測器適用于金屬管道的尋找定位、海濱游泳場沙灘金屬垃圾的清除及其他工業(yè)和民用場所。4．金屬探測器71金屬探測器適用于金屬管道的尋找定位、海濱游本章小結(jié)變磁阻式傳感器是利用被測量的變化使線圈電感量發(fā)生改變來實現(xiàn)測量的。它可分為自感式傳感器、差動變壓器式傳感器、電渦流式傳感器等幾種，而前兩種又統(tǒng)稱為電感式傳感器。自感式變氣隙傳感器有基本變氣隙傳感器與差動變氣隙式傳感器。兩者相比，后者的靈敏度比前者的高一倍，且線性度得到明顯改善。72本章小結(jié)變磁阻式傳感器是利用被測量的變化使線圈電感量發(fā)生改變差動變壓器式傳感器屬于互感式傳感器，把被測得的非電量轉(zhuǎn)換為線圈間互感量的變化。差動變壓器的結(jié)構(gòu)形式有變氣隙式、變面積式和螺線管式等，其中應(yīng)用最多的是螺線管式差動變壓器。電渦流式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單，頻率響應(yīng)寬，靈敏度高，測量范圍大，抗干擾能力強等優(yōu)點，特別是電渦流式傳感器可以實現(xiàn)非接觸式測量。應(yīng)用電渦流式傳感器可實現(xiàn)多種物理量的測量，也可用于無損探傷。73差動變壓器式傳感器屬于互感式傳感器，把被測得的非電量轉(zhuǎn)換為線休息一下！74休息一下！74第4章電感式傳感器及應(yīng)用2015/10/1275主講人：李靜第4章電感式傳感器及應(yīng)用2015/10/121主講人：李76

根據(jù)法拉第電磁定律，當(dāng)穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化時，就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，這種現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng)。利用這種現(xiàn)象可以構(gòu)成各種各樣的傳感器。

電感式傳感器是利用線圈自感或互感的變化來實現(xiàn)測量的一種裝置.引言2根據(jù)法拉第電磁定律，當(dāng)穿過閉合電路的磁通量發(fā)電感式傳感器77原理定義利用線圈自感和互感的變化實現(xiàn)非電量電測的裝置。感測量位移、振動、壓力、應(yīng)變、流量、比重等。分類

根據(jù)轉(zhuǎn)換原理：自感式（変磁阻式）、互感式（差動變壓器式）、

電渦流式。

根據(jù)結(jié)構(gòu)形式：氣隙型、面積型和螺管型。電磁感應(yīng)

被測非電量自感系數(shù)L互感系數(shù)M測量電路U、I、f電感式傳感器3原理電磁感應(yīng)被測非電量78

優(yōu)點

①結(jié)構(gòu)簡單、可靠②分辨率高

機械位移0.1μm，甚至更??；角位移0.1角秒。輸出信號強，電壓靈敏度可達數(shù)百mV/mm。③重復(fù)性好，線性度優(yōu)良在幾十μm到數(shù)百mm的位移范圍內(nèi)，輸出特性的線性度較好，且比較穩(wěn)定。④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。4優(yōu)點不足主要章節(jié)內(nèi)容4.1自感式傳感器4.2差動變壓器式傳感器4.3電渦流傳感器79主要章節(jié)內(nèi)容4.1自感式傳感器54.1自感式傳感器

自感式傳感器是利用自感量隨氣隙變化而改變的原理制成的，主要用來測量位移。自感式傳感器主要有閉磁路變隙式和開磁路螺線管式，它們又都可以分為單線圈式與差動式兩種結(jié)構(gòu)形式。804.1自感式傳感器自感式傳感器是利用自感量隨氣隙變化而改內(nèi)容4.1.1

結(jié)構(gòu)和工作原理4.1.2

自感式傳感器的測量電路4.1.3

自感式傳感器應(yīng)用舉例81內(nèi)容4.1.1結(jié)構(gòu)和工作原理7自感式傳感器的基本工作原理演示82F銜鐵移動磁路中氣隙磁阻變化線圈的電感值變化自感式傳感器的基本工作原理演示8F銜鐵移動磁路中氣隙磁阻變化4.1.1

基本工作原理83δ線圈鐵芯銜鐵Δδ由于可得：磁路的總磁阻可表示為：近似計算出線圈的電感量為：4.1.1基本工作原理9δ線圈鐵芯銜鐵Δδ由于可得：磁84結(jié)論電感式傳感器從原理上可分為變氣隙長度式和變氣隙截面式兩種類型，前者常用于測量直線位移，后者常用于測量角位移。如果在線圈中放入圓柱形銜鐵，當(dāng)銜鐵上下移動時，自感量將相應(yīng)變化，就構(gòu)成了螺線管型自感傳感器。10結(jié)論電感式傳感器從原理上可分為變氣隙長度式和變氣隙截面4.1.1常見結(jié)構(gòu)形式851—線圈2—鐵芯3—銜鐵4—測桿5—導(dǎo)軌6—工件7—轉(zhuǎn)軸4.1.1常見結(jié)構(gòu)形式111—線圈2—鐵芯3—銜鐵由電感式可知，變氣隙長度式傳感器的線性度差、示值范圍窄、自由行程小，但在小位移下靈敏度很高，常用于小位移的測量。1．變氣隙式（閉磁路式）自感傳感器

861—線圈2—鐵芯3—銜鐵由電感式可知，變氣871．變氣隙式（閉磁路式）自感傳感器

由電感式同樣可知，變截面式傳感器具有良好的線性度、自由行程大、示值范圍寬，但靈敏度較低，常用來測量較大位移量。為擴大示值范圍和減小非線性誤差，可采用差動結(jié)構(gòu)。131．變氣隙式（閉磁路式）自感傳感器由電感式2．螺線管式（開磁路式）自感式傳感器

螺線管式自感式傳感器常采用差動式。881—測桿2—銜鐵3—線圈差動式電感傳感器對外界影響，如溫度的變化、電源頻率的變化等基本上可以互相抵消，銜鐵承受的電磁吸力也較小，從而減小了測量誤差。2．螺線管式（開磁路式）自感式傳感器螺線管式自感式傳感器常特性891、2—L1、L2的特性3—差動特性特性151、2—L1、L2的特性3—差動特性4.1.2自感式傳感器的測量電路測量電路有交流分壓式、交流電橋式和諧振式等多種，常用的差動式傳感器大多采用交流電橋式。交流電橋的種類很多，差動形式工作時其電橋電路常采用雙臂工作方式。904.1.2自感式傳感器的測量電路測量電路有交流分壓式、交流1．變壓器交流電橋電橋有兩臂為傳感器的差動線圈的阻抗，所以該電路又稱為差動交流電橋91變壓器式交流電橋電路圖1．變壓器交流電橋電橋有兩臂為傳感器的差動線圈的阻抗，所以分析設(shè)O點為電位參考點，根據(jù)電路的基本分析方法，可得到電橋輸出電壓為當(dāng)傳感器的活動鐵芯處于初始平衡位置時，兩線圈的電感相等，阻抗也相等。電橋輸出電壓，電橋處于平衡狀態(tài)。92分析設(shè)O點為電位參考點，根據(jù)電路的基本分析方法，可得到電橋輸變化時當(dāng)鐵芯向一邊移動時，則一個線圈的阻抗增加，93變化時當(dāng)鐵芯向一邊移動時，則一個線圈的阻抗增加，19變化后的電壓當(dāng)傳感器線圈為高Q值時，則線圈的電阻遠小于其感抗當(dāng)活動鐵芯向另一邊（反方向）移動時差動式自感傳感器采用變壓器交流電橋為測量電路時，電橋輸出電壓既能反映被測體位移量的大小，又能反映位移量的方向，且輸出電壓與電感變化量呈線性關(guān)系。94變化后的電壓當(dāng)傳感器線圈為高Q值時，則線圈的電阻遠小于其感抗2．帶相敏整流的交流電橋上述變壓器式交流電橋中，由于采用交流電源，則不論活動鐵芯向線圈的哪個方向移動，電橋輸出電壓總是交流的，即無法判別位移的方向。常采用帶相敏整流的交流電橋。952．帶相敏整流的交流電橋上述變壓器式交流電橋中，由于采用交結(jié)構(gòu)96帶相敏整流的交流電橋電路結(jié)構(gòu)22帶相敏整流的交流電橋電路（1）初始平衡位置時97鐵芯處于初始平衡位置時的等效電路（1）初始平衡位置時23鐵芯處于初始平衡位置時的等效電路（2）活動鐵芯向一邊移動時98鐵芯向線圈一個方向移動時的等效電路（2）活動鐵芯向一邊移動時24鐵芯向線圈一個方向移動時的等結(jié)果99在Ui的正半周在Ui的負半周結(jié)果25在Ui的正半周在Ui的負半周只要活動鐵芯向一方向移動，無論在交流電源的正半周還是負半周，電橋輸出電壓均為正值。100只要活動鐵芯向一方向移動，無論在交流電源的正半周還是負半周，（3）活動鐵芯向相反方向移動時當(dāng)活動鐵芯向線圈的另一個方向移動時，用上述分析方法同樣可以證明，無論在的正半周還是負半周，電橋輸出電壓均為負值。101（3）活動鐵芯向相反方向移動時當(dāng)活動鐵芯向線圈的另一個方向移應(yīng)用1021—理想特性曲線2—實際特性曲線應(yīng)用281—理想特性曲線2—實際特性曲線4.1.3自感式傳感器應(yīng)用舉例用于測量位移，還可以用于測量振動、應(yīng)變、厚度、壓力、流量、液位等非電量。1034.1.3自感式傳感器應(yīng)用舉例用于測量位移，還可以用于測量振1．自感式測厚儀1041—可動鐵芯2—測桿3—被測物體1．自感式測厚儀301—可動鐵芯2—測桿3—被測物2．位移測量1051—引線2—線圈3—銜鐵4—測力彈簧5—導(dǎo)桿6—密封罩7—測頭2．位移測量311—引線2—線圈3—銜鐵4—測其他電感測微頭106其他電感測微頭324.2差動變壓器式傳感器把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感變化的傳感器稱為互感式傳感器。因這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且其二次繞組都用差動形式連接，所以又叫差動變壓器式傳感器，簡稱差動變壓器。有變隙式、變面積式和螺線管式等在非電量測量中，應(yīng)用最多的是螺線管式的差動變壓器，它可以測量1～100mm范圍內(nèi)的機械位移，并具有測量精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠等優(yōu)點。1074.2差動變壓器式傳感器把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感變4.2.1基本工作原理108螺線管式差動變壓器結(jié)構(gòu)示意圖

1—

一次繞組2—二次繞組3—銜鐵4—測桿螺線管式差動變壓器原理圖4.2.1基本工作原理34螺線管式差動變壓器結(jié)構(gòu)示意圖輸出特性109零點殘余電動勢輸出特性35零點殘余電動勢零點電勢零點殘余電動勢使得傳感器在零點附近的輸出特性不靈敏，為測量帶來誤差。為了減小零點殘余電動勢，可采用以下方法。（1）盡可能保證傳感器尺寸、線圈電氣參數(shù)和磁路對稱。（2）選用合適的測量電路。（3）采用補償線路減小零點殘余電動勢。110零點電勢零點殘余電動勢使得傳感器在零點附近的輸出特性不靈敏，4.2.2測量電路差動變壓器輸出的是交流電壓，若用交流電壓表測量，只能反映銜鐵位移的大小，而不能反映移動方向。另外，其測量值中將包含零點殘余電壓。為了達到能辨別移動方向及消除零點殘余電動勢目的，實際測量時，常常采用差動整流電路和相敏檢波電路。1114.2.2測量電路差動變壓器輸出的是交流電壓，若1．差動整流電路1121．差動整流電路384.2.3差動變壓器式傳感器的應(yīng)用差動變壓器不僅可以直接用于位移測量，而且還可以測量與位移有關(guān)的任何機械量，如振動、加速度、應(yīng)變、壓力、張力、比重和厚度等。1134.2.3差動變壓器式傳感器的應(yīng)用差動變壓器不僅可以直接114

L1、L2傳感器作兩個橋臂；C1、C2為另外兩個橋臂；D1-D4組成相敏整流器;磁飽和變壓器T提供橋壓。差動變壓器式測厚儀40L1、L2傳感器作兩個橋臂；C1、C2為另外兩個橋臂；1．振動和加速度的測量115

振動傳感器及其測量電路1—彈性支撐2—差動變壓器1．振動和加速度的測量41振動傳感器及其測量電路2．力和壓力的測量116

差動變壓器式力傳感器1—上部2—銜鐵3—線圈

4—變形部5—下部2．力和壓力的測量42差動變壓器式力傳感器1—上部微壓力傳感器117

1—差動變壓器2—銜鐵3—罩殼4—插頭

5—通孔6—底座7—膜盒8—接頭9—線路板電感式微壓力傳感器微壓力傳感器431—差動變壓器2—銜鐵3—罩課堂小結(jié)1181、電感式傳感器工作原理，能測量哪些物理量？2、三種自感式傳感器的工作原理、特點、應(yīng)用范圍；3、帶相敏整流交流電橋是怎樣判斷銜鐵移動方向的？4、零點殘余電壓是如何產(chǎn)生的，對傳感器性能會產(chǎn)生何種影響，如何消除它？課堂小結(jié)441、電感式傳感器工作原理，能測量哪些物理量？119課后作業(yè)：4.1、4.445課后作業(yè)：4.3電渦流傳感器根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，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)將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應(yīng)電流，此電流叫電渦流，這種現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。根據(jù)電渦流效應(yīng)制成的傳感器稱為電渦流式傳感器。按照電渦流在導(dǎo)體內(nèi)的貫穿情況，此傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩類，但從基本工作原理上來說仍是相似的。電渦流式傳感器最大的特點是能對位移、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，另外還具有體積小、靈敏度高、頻率響應(yīng)寬等特點，應(yīng)用極其廣泛。1204.3電渦流傳感器根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，塊狀金屬導(dǎo)體置于變4.3.1電渦流傳感器的工作原理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)既與被測體的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ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Z=F（ρ，μ，R，，x）121電渦流傳感器原理圖4.3.1電渦流傳感器的工作原理線圈阻抗的變化完全取決如果保持上式中其他參數(shù)不變，而只改變其中一個參數(shù)，傳感器線圈阻抗Z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Z的變化量，即可實現(xiàn)對該參數(shù)的測量。122如果保持上式中其他參數(shù)不變，而只改變其中一個參數(shù)，傳感器線圈4.3.2電渦流傳感器基本結(jié)構(gòu)和類型

1．電渦流傳感器基本結(jié)構(gòu)2．電渦流傳感器基本類型1234.3.2電渦流傳感器基本結(jié)構(gòu)和類型1．電渦流傳感器基1．電渦流傳感器基本結(jié)構(gòu)電渦流式傳感器的基本結(jié)構(gòu)主要由線圈和框架組成。根據(jù)線圈在框架上的安置方法，傳感器的結(jié)構(gòu)可分為兩種形式：一種是單獨繞成一只無框架的扁平圓形線圈，由膠水將此線圈粘接于框架的頂部124

圖4-26CZF3型電渦流式傳感器

1—殼體2—框架3—線圈4—保護套

5—填料6—螺母7—電纜

1．電渦流傳感器基本結(jié)構(gòu)電渦流式傳感器的基本結(jié)構(gòu)主要由線圈和另一種是在框架的接近端面處開一條細槽，用導(dǎo)線在槽中繞成一只線圈，如圖4-27所示的CZF1型電渦流式傳感器。125

圖4-27CZF1型電渦流式傳感器1—電渦流線圈2—前端殼體3—位置調(diào)節(jié)螺4—信號處理電路5—夾持螺母6—電源指示燈—閾值指示燈8—輸出屏蔽電纜線9—電纜插頭另一種是在框架的接近端面處開一條細槽，用導(dǎo)線在槽中繞成一只線2．電渦流傳感器基本類型電渦流在金屬導(dǎo)體內(nèi)的滲透深度與傳感器線圈的激勵信號頻率有關(guān)，故電渦流式傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩類。目前高頻反射式電渦流傳感器應(yīng)用較廣泛。1262．電渦流傳感器基本類型電渦流在金屬導(dǎo)體內(nèi)的滲透深度與傳感器（1）高頻反射式高頻（>1MHz）激勵電流產(chǎn)生的高頻磁場作用于金屬板的表面，由于集膚效應(yīng)，在金屬板表面將形成渦電流。與此同時，該渦流產(chǎn)生的交變磁場又反作用于線圈，引起線圈自感L或阻抗ZL的變化。線圈自感L或阻抗ZL的變化與金屬板距離h、金屬板的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ、激勵電流i及角頻率ω等有關(guān)，若只改變距離h而保持其他參數(shù)不變，則可將位移的變化轉(zhuǎn)換為線圈自感的變化，通過測量電路轉(zhuǎn)換為電壓輸出。高頻反射式渦流傳感器多用于位移測量。127高頻反射式電渦流傳感器（1）高頻反射式高頻（>1MHz）激勵電流產(chǎn)生的高頻磁場作用（2）低頻透射式128

低頻透射式電渦流傳感器（2）低頻透射式54低頻透射式電渦流傳感器4.3.3測量電路1．電橋電路2．調(diào)幅式（AM）電路3．調(diào)頻（FM）式電路（100kHz～1MHz）1294.3.3測量電路1．電橋電路551．電橋電路靜態(tài)時，電橋平衡，橋路輸出UAB＝0。工作時，傳感器接近被測體，電渦流效應(yīng)等效電感L發(fā)生變化，測量電橋失去平衡，即UAB≠0，經(jīng)線性放大后送檢波器檢波后輸出直流電壓U。1301．電橋電路靜態(tài)時，電橋平衡，橋路輸出UAB＝0。工作時，傳2．調(diào)幅式（AM）電路石英振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)頻、穩(wěn)幅高頻振蕩電壓（100kHz～1MHz）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，最終輸出的直流電壓Uo反映了金屬體對電渦流線圈的影響）。1312．調(diào)幅式（AM）電路石英振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)頻、穩(wěn)幅高頻振蕩電壓（3．調(diào)頻（FM）式電路（100kHz～1MHz）當(dāng)電渦流線圈與被測體的距離x改變時，電渦流線圈的電感量L也隨之改變，引起LC振蕩器的輸出頻率變化，此頻率可直接用計算機測量。如果要用模擬儀表進行顯示或記錄時，必須使用鑒頻器，將f轉(zhuǎn)換為電壓Uo。1323．調(diào)頻（FM）式電路（100kHz～1MHz）當(dāng)電渦流線圈4.3.4電渦流傳感器的應(yīng)用渦流式傳感器的特點是結(jié)構(gòu)簡單，易于進行非接觸的連續(xù)測量，靈敏度較高，適用性強①利用位移x作為變換量，可以做成測量位移、厚度