機(jī)電工程第四章

第四章電感式傳感器電感式傳感器的工作原理：電磁感應(yīng)。它是把被測(cè)量如位移等，轉(zhuǎn)換為電感量變化的一種裝置。按照轉(zhuǎn)換方式的不同，可分為自感式、互感式和電渦流式三種。用途及特點(diǎn)：常用來測(cè)量位移、振動(dòng)、壓力、應(yīng)變、流量、比重等物理量參數(shù)。優(yōu)點(diǎn)：具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、壽命長、使用范圍廣缺點(diǎn)：存在交流零位信號(hào)，不適宜高頻動(dòng)態(tài)測(cè)量。

F

將一只交流接觸器線圈與交流毫安表串聯(lián)后，接到機(jī)床用控制變壓器的36V交流電壓源上，這時(shí)毫安表的示值約為幾十毫安。用手慢慢將接觸器的活動(dòng)鐵心（稱為銜鐵）往下按，我們會(huì)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于零時(shí)，毫安表的讀數(shù)只剩下十幾毫安。

4－1自感式電感傳感器基本工作原理演示氣隙變小，電感變大，電流變小F基本工作原理

當(dāng)鐵心的氣隙較大時(shí)，磁路的磁阻Rm也較大，線圈的電感量L和感抗XL

較小，所以電流I較大。當(dāng)鐵心閉合時(shí)，磁阻變小、電感變大，電流減小。自感式電感傳感器常見的形式變隙式變截面式螺線管式一、變氣隙式自感傳感器

根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)線圈中通以電流i時(shí)，產(chǎn)生磁通，其大小與電流成正比式中，W—線圈匝數(shù);

L—線圈電感，單位為亨(H)；根據(jù)磁路歐姆定律，磁通φm為：所以，線圈電感(自感)可用下式計(jì)算:1、線圈電感的計(jì)算如果空氣隙δ較小，而且不考慮磁路的鐵損時(shí)，則磁路總磁阻為：

式中:

l—導(dǎo)磁體(鐵芯)的長度(m)；μ—鐵芯導(dǎo)磁率(H/m)；A—鐵芯導(dǎo)磁橫截面積(m2);δ—空氣隙長度(m);μ0—空氣導(dǎo)磁率；A0—空氣隙導(dǎo)磁橫截面積(m2)。2、磁路總磁阻的計(jì)算因?yàn)棣蹋荆睛?，則因此，自感L可寫為：上式表明，自感L與氣隙δ成反比，而與氣隙導(dǎo)磁截面積A0成正比。當(dāng)固定A0不變，變化δ時(shí)，L與δ呈非線性（雙曲線）關(guān)系。此時(shí)，傳感器的靈敏度為靈敏度S與氣隙長度的平方成反比，δ愈小，靈敏度愈高。由于S不是常數(shù)，故會(huì)出現(xiàn)非線性誤差，為了減小這一誤差，通常規(guī)定δ在較小的范圍內(nèi)工作。3、靈敏度分析例如，若間隙變化范圍為（），則靈敏度為由上式可以看出，當(dāng)時(shí)，靈敏度S趨于定值，即輸出與輸入近似成線性關(guān)系。實(shí)際應(yīng)用中，一般取。這種傳感器適用于較小位移的測(cè)量，一般約為0.001～1mm.二、變面積式自感傳感器若將變氣隙式自感傳感器的氣隙厚度δ保持不變，使氣隙導(dǎo)磁截面積A隨被測(cè)非電量而變，即構(gòu)成變面積式自感傳感器。

變面積式自感傳感器輸出特性呈線性，因此測(cè)量范圍大。與變氣隙式相比，其靈敏度較低。欲提高靈敏度，初始?xì)庀逗穸圈?不能過大，但同樣受工藝和結(jié)構(gòu)的限制，δ0的選取與變氣隙式相同。工作原理演示變面積式自感傳感器工作原理動(dòng)畫演示三、螺管式自感傳感器它與前兩種傳感器相比，有以下特點(diǎn)：⑴結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造裝配容易；⑵由于磁路大部分為空氣，易受外部磁場(chǎng)干擾；⑶由于空氣隙大，磁路磁阻大，固靈敏度較前兩種低，但線性范圍大；⑷由于磁阻高，為了達(dá)到某一電感量，需要的線圈匝數(shù)多，因而線圈分布電容大；四、差動(dòng)式自感傳感器：上述三種自感式傳感器，由于線圈電流的存在，銜鐵上始終作用有電磁吸力，影響測(cè)量準(zhǔn)確度；而且易受電源電壓、頻率的波動(dòng)與溫度變化等外界干擾的影響，因此不適合精密測(cè)量。為了克服上述缺點(diǎn)，所以大都采用差動(dòng)式。當(dāng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí)，兩個(gè)線圈的電感變化量ΔL1、ΔL2

曲線1、2為L1、L2

的特性，3為差動(dòng)特性結(jié)論：1、提高靈敏度可一倍2、改善了線性特性3、補(bǔ)償誤差4、辨向二、測(cè)量電路

u0(1)交流電橋輸出空載電壓初始平衡狀態(tài)，Z1=Z2=Z,u0=0銜鐵偏離中間零點(diǎn)時(shí)使用元件少，輸出阻抗小,獲得廣泛應(yīng)用z2z1u/2u/2上一頁返回下一頁傳感器銜鐵移動(dòng)方向相反時(shí)空載輸出電壓兩種情況的輸出電壓大小相等，方向相反，即相位差180為了判別銜鐵位移方向，就是判別信號(hào)的相位，要在后續(xù)電路中配置相敏檢波器來解決上一頁返回下一頁

（二)交流電橋的調(diào)幅作用(三)相敏檢波電路

通過相敏檢波電路可以得到一個(gè)大小和極性隨被測(cè)信號(hào)的幅值和極性變化的電壓，從而達(dá)到解調(diào)目的．但相敏植波電路的輸出信號(hào)包含著被測(cè)信號(hào)和載波．為此，通常在相敏檢波電路后邊加一個(gè)低通慮波器．把調(diào)幅時(shí)引入的載彼濾掉，從而得到放大后的被測(cè)信號(hào)差動(dòng)變壓器式傳感器的優(yōu)點(diǎn)是：測(cè)量精度高，可達(dá)0.1μm；線性范圍大，可到±100mm；穩(wěn)定性好，使用方便。因而被廣泛應(yīng)用于直線位移，或可能轉(zhuǎn)換為位移變化的壓力、重量等參數(shù)的測(cè)量。

差動(dòng)變壓器是把被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換成線圈互感量的變化。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且次級(jí)繞組用差動(dòng)的形式連接，故稱之為差動(dòng)變壓器式傳感器。 變隙式變面積式 螺線管式4－2互感式傳感器（差動(dòng)變壓器）變隙式差動(dòng)變壓器當(dāng)一次側(cè)線圈接入激勵(lì)電壓后，二次側(cè)線圈將產(chǎn)生感應(yīng)電壓輸出互感變化時(shí)，輸出電壓將作相應(yīng)變化上一頁返回下一頁兩個(gè)初級(jí)繞組的同名端順向串聯(lián)，而兩個(gè)次級(jí)繞組的同名端則反向串聯(lián)。當(dāng)沒有位移時(shí)，銜鐵C處于初始平衡位置，它與兩個(gè)鐵芯的間隙為δa0=δb0=δ0兩個(gè)次級(jí)繞組的互感電勢(shì)相等，即e2a=e2b。由于次級(jí)繞組反向串聯(lián)，因此，差動(dòng)變壓器輸出電壓當(dāng)被測(cè)體有位移時(shí)，與被測(cè)體相連的銜鐵的位置將發(fā)生相應(yīng)的變化，使δa≠δb兩次級(jí)繞組的互感電勢(shì)e2a≠e2b，輸出電壓電壓的大小反映了被測(cè)位移的大小，通過用相敏檢波等電路處理，使最終輸出電壓的極性能反映位移的方向。1.工作原理上一頁返回下一頁一、工作原理：傳感器主要由線圈、鐵芯和活動(dòng)銜鐵三個(gè)部分組成。線圈包括一個(gè)初級(jí)線圈和兩個(gè)反接的次級(jí)線圈，當(dāng)初級(jí)線圈輸入交流激勵(lì)電壓時(shí)，次級(jí)線圈將產(chǎn)生感壓電動(dòng)勢(shì)e1和e2。由于兩個(gè)次級(jí)線圈極性反接，因此，傳感器的輸出電壓為兩者之差，即ey=e1-e2?；顒?dòng)銜鐵能改變線圈之間的藕合程度。輸出ey的大小隨活動(dòng)銜鐵的位置而變。當(dāng)活動(dòng)銜鐵的位置居中時(shí)，即e1=e2，ey=0；當(dāng)活動(dòng)銜鐵向上移時(shí)，即e1>e2，ey>0;當(dāng)活動(dòng)銜鐵向下移時(shí)，即e1<e2，ey<0?；顒?dòng)銜鐵的位置往復(fù)變化，其輸出電壓也隨之變化，輸出特性如圖所示。差動(dòng)變壓器式傳感器輸出的電壓是交流量，如用交流電壓表指示，則輸出值只能反應(yīng)鐵芯位移的大小，而不能反應(yīng)移動(dòng)的極性；同時(shí)，交流電壓輸出存在一定的零點(diǎn)殘余電壓，使活動(dòng)銜鐵位于中間位置時(shí)，輸出也不為零。因此，差動(dòng)變壓器式傳感器的后接電路應(yīng)采用既能反應(yīng)鐵芯位移極性，又能補(bǔ)償零點(diǎn)殘余電壓的差動(dòng)直流輸出電路二、電感式傳感器的應(yīng)用

一、位移測(cè)量軸向式電感測(cè)微器的外形

航空插頭紅寶石測(cè)頭4－4電渦流式傳感器一、工作原理：下圖所示為高頻反射式渦流傳感器工作原理。金屬板置于一只線圈的附近，它們之間相互的間距為為δ，當(dāng)線圈輸入一交變電流i時(shí)，便產(chǎn)生交變磁通量Φ金屬板在此交變磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流i1，這種電流在金屬體內(nèi)是閉合的，所以稱之為"渦電流"或"渦流"。渦流的大小與金屬板的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ、厚度h，金屬板與線圈的距離δ，激勵(lì)電流角頻率ω等參數(shù)有關(guān)。若改變其中某二參數(shù)，而固定其他參數(shù)不變，就可根據(jù)渦流的變化測(cè)量該參數(shù)。

如上圖所示，高頻(>lMHz)激勵(lì)電流，產(chǎn)生的高頻磁場(chǎng)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(shí)，該渦流產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)又反作用于線圈，引起線圈自感L或阻抗ZL的變化，其變化與距離認(rèn)金屬板的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ、激勵(lì)電流i，及角頻率ω等有關(guān)，若只改變距離δ而保持其他系數(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(cè)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(cè)量。根據(jù)渦流式傳感器的簡(jiǎn)化模型，可以得出以下結(jié)論：

⑴金屬導(dǎo)體上形成的渦流有一定的范圍，當(dāng)線圈與導(dǎo)體間的距離不變時(shí)，電渦流密度隨著線圈外徑的大小而變化。為了充分的利用渦流效應(yīng)，被測(cè)導(dǎo)體的平面不應(yīng)小于傳感器線圈外徑的2倍，否則靈敏度將下降。

⑵渦流強(qiáng)度隨著線圈與導(dǎo)體間距離x的增大而迅速減小，由此可知，渦流強(qiáng)度與距離x呈非線性關(guān)系。為了獲得較好的線性和較高的靈敏度，應(yīng)使x/R＜＜1，一般取x/R＝0.05～0.15。

⑶金屬導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的渦流由于趨膚效應(yīng)，電渦流不僅沿徑向分布不均勻，而且貫穿金屬導(dǎo)體的厚度有限。貫穿深度與勵(lì)磁電流的頻率成反比關(guān)系。

低頻透射式渦流傳感器的工作原理如下圖所示，發(fā)射線圈ω1和接收線圈ω2分別置于被測(cè)金屬板材料G的上、下方。由于低頻磁場(chǎng)集膚效應(yīng)小，滲透深，當(dāng)?shù)皖l(音頻范圍)電壓e1加到線圈ω1的兩端后，所產(chǎn)生磁力線的一部分透過金屬板材料G,使線圈ω2產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e2。但由于渦流消耗部分磁場(chǎng)能量，使感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e2減少，當(dāng)金屬板材料G越厚時(shí)，損耗的能量越大，輸出電動(dòng)勢(shì)e2越小。因此，e2的大小與G的厚度及材料的性質(zhì)有關(guān)，試驗(yàn)表明，e2隨材料厚度h的增加按負(fù)指數(shù)規(guī)律減少,如圖所示，因此，若金屬板材料的性質(zhì)一定，則利用e2的變化即可測(cè)量其厚度。二、測(cè)量電路：1.

調(diào)幅電路振蕩器提供一個(gè)頻率及幅值穩(wěn)定的高頻信號(hào)激勵(lì)并聯(lián)諧振回路LC。無被測(cè)導(dǎo)體時(shí)，使LC振蕩回路的諧振頻率f0等于振蕩器的振蕩頻率，這時(shí)LC回路的阻抗最大，激勵(lì)電流在LC回路上產(chǎn)生的壓降最大。當(dāng)傳感器線圈接近被測(cè)導(dǎo)體時(shí)，線圈的等效電感發(fā)生變化，諧振回路的諧振頻率和等效阻抗也跟著發(fā)生變化，使回路失諧，諧振峰值偏離原來的位置向兩旁移動(dòng)，輸出電壓亦發(fā)生相應(yīng)變化。傳感器離被測(cè)體越近，回路的等效阻抗越小，輸出電壓也越低。諧振峰值的移動(dòng)方向與被測(cè)導(dǎo)體的材料有關(guān)。對(duì)非磁性材料，當(dāng)距離減小時(shí)，線圈的等效電感減小，回路諧振頻率提高。振蕩器放大器檢波器濾波器xLC耦合電阻2.調(diào)頻電路調(diào)頻測(cè)量電路是把傳感器線圈接入振蕩器，作為振蕩器的一個(gè)電感元件，與調(diào)幅電路不同的是它是以頻率作為輸出量。當(dāng)位移產(chǎn)生±△x變化時(shí)，引起線圈電感變化±△L，這個(gè)電感變化對(duì)振蕩器調(diào)頻，使振蕩器的振蕩頻率產(chǎn)生±△f的變化。此頻率可以用數(shù)字頻率計(jì)直接測(cè)量，也可以通過鑒頻器進(jìn)行頻率－電壓轉(zhuǎn)換變成輸出電壓。電路原理圖