第3章電感式傳感器B

第3章電感式傳感器本章內(nèi)容

3.1自感式傳感器

3.2差動(dòng)變壓器式傳感器

3.3電渦流式傳感器

學(xué)習(xí)目標(biāo)

掌握自感式傳感器、差動(dòng)變壓器式傳感器、電渦流傳感器的結(jié)構(gòu)、工作原理和測(cè)量電路。深刻理解橋形測(cè)量電路——電抗平衡電橋、變壓器式電橋的構(gòu)成和轉(zhuǎn)換原理。

理解三類電感式傳感器的各自特點(diǎn)、應(yīng)用范圍和典型應(yīng)用。了解電渦流式傳感器的應(yīng)用。

位移是機(jī)械量中最重要的參數(shù)，它可分為線位移和角位移。

1、線位移——長(zhǎng)度檢測(cè)

2、角位移——角度檢測(cè)

*位移量可轉(zhuǎn)換為模擬量和數(shù)字量。自感式傳感器與位移檢測(cè)：*電感式傳感器基于的物理基礎(chǔ)：電磁感應(yīng)。

*即利用線圈電感或互感的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量。電感式傳感器也稱自感式傳感器或變磁阻式傳感器。第三章電感式傳感器

3.1自感式傳感器

3.1.1工作原理一、電感的計(jì)算自感式傳感器由線圈、鐵芯和銜鐵3部分組成。在鐵芯和銜鐵之間有氣隙，氣隙厚度為，傳感器的運(yùn)動(dòng)部分與銜鐵相連。當(dāng)銜鐵移動(dòng)時(shí)，氣隙厚度發(fā)生改變，導(dǎo)致電感線圈的電感值變化，只要能測(cè)出這種電感量的變化，就能確定銜鐵位移量的大小和方向。圖3-1變磁阻式傳感器1—線圈；2—鐵芯(定鐵芯)；3—銜鐵(動(dòng)鐵芯)圖3-1變磁阻式傳感器1—線圈；2—鐵芯(定鐵芯)；3—銜鐵(動(dòng)鐵芯)

線圈中電感量為:式中：ψ——線圈總磁鏈；I——通過(guò)線圈的電流；W——線圈的匝數(shù)；

——穿過(guò)線圈的磁通。磁路歐姆定律：磁路總磁阻：

通常氣隙磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻，即磁路總磁阻近似表示為：因此，線圈的電感值可近似地表示為當(dāng)線圈匝數(shù)為常數(shù)時(shí)，只要改變或S0均可導(dǎo)致電感變化，因此變磁阻式傳感器又可分為變氣隙型電感式傳感器和變面積型電感式傳感器。二、電感式傳感器的類型

(a)變間隙式——δ；(b)變截面式——S；(c)螺管式——δ和S。1.變間隙δ

L與δ之間是非線性關(guān)系，特性曲線如右圖所示。(1)δ小，靈敏度高；

δ0=0.1~0.5mmδ=(0.1~0.2)δ0(2)非線性誤差較大，多用于微小位移測(cè)量。2.變氣隙截面積S0（銜鐵上下位移）

L與S0之間成線性關(guān)系，特性曲線如右圖所示。

(1)實(shí)際的L=f(δ，S0)為非線性；

(2)靈敏度較低，但易裝配；

(3)多用于較大位移測(cè)量。(1)銜鐵行程可較大,測(cè)量范圍較大。線性較好,應(yīng)用較廣泛；

(2)多用于角位移測(cè)量。3.螺管式（變?chǔ)暮蚐0）

在實(shí)際使用中，常采用兩個(gè)相同的傳感器線圈共用一個(gè)銜鐵，構(gòu)成差動(dòng)式電感傳感器。測(cè)量時(shí)，銜鐵通過(guò)導(dǎo)桿與被測(cè)位移量相連，當(dāng)被測(cè)體移動(dòng)時(shí)，導(dǎo)桿帶動(dòng)銜鐵也以相同的位移上下移動(dòng)，使兩個(gè)磁回路中磁阻發(fā)生大小相等，方向相反的變化，導(dǎo)致一個(gè)線圈的電感量增加，另一個(gè)線圈的電感量減小，形成差動(dòng)形式。

差動(dòng)式結(jié)構(gòu)除了可以改善線性、提高靈敏度外，對(duì)溫度變化、電源頻率變化等影響也可以進(jìn)行補(bǔ)償，從而減少了外界影響造成的誤差。（a）（b）（c）圖3-4差動(dòng)式電感傳感器（a）變氣隙型；（b）變面積型；（c）螺管型1—線圈；2—鐵芯；3—銜鐵；4—導(dǎo)桿3.1.2差分電感式傳感器原理1.電阻平衡電橋設(shè)：Z1=Z+△Z

，Z2=Z-△Z

；R1=R2=R（a）（b）（c）圖3-4差動(dòng)式電感傳感器（a）變氣隙型；（b）變面積型；（c）螺管型1—線圈；2—鐵芯；3—銜鐵；4—導(dǎo)桿當(dāng)ωL>>R，則2.變壓器式電橋形測(cè)量電路設(shè)：Z1下端處的電位為0。則A、B兩點(diǎn)電位分別為橋路輸出電壓分析:(1)鐵心居中,Z1=Z2=Z(2)鐵心上移,Z1=Z+ΔZ,Z2=Z-ΔZ

(3)鐵心下移,Z1=Z-ΔZ,Z2=Z+ΔZ

3.1.3自感式傳感器的應(yīng)用

1、變隙電感式壓力傳感器

它由膜盒、鐵芯、銜鐵及線圈等組成，銜鐵與膜盒的上端連在一起。

2、變隙式差動(dòng)電感壓力傳感器它主要由C形彈簧管、銜鐵、鐵芯和線圈等組成。

圖3-7變隙電感式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖 圖3-8變隙式差動(dòng)電感壓力傳感器

1—銜鐵；2—鐵芯；3—線圈；4—膜盒

1—C型彈簧管；2—鐵芯；3—線圈1；

4—銜鐵；5—線圈2；6—調(diào)機(jī)械零點(diǎn)螺釘3.2差動(dòng)變壓器式傳感器3.2.1差動(dòng)變壓器式傳感器的工作原理

差動(dòng)變壓器是把被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換成繞組互感量的變化。差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)形式較多，有變隙式、變面積式和螺線管式等，應(yīng)用最多的是螺線管式差動(dòng)變壓器，它可以測(cè)量1～100mm機(jī)械位移，并具有測(cè)量精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。圖3-9螺線管式差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)1—鐵芯；2—導(dǎo)磁外殼；3—骨架；5—初級(jí)繞組；4、6—次級(jí)繞組

圖3-10螺線管式差動(dòng)變壓器的等效電路 圖3-11差動(dòng)變壓器輸出電壓特性曲線

1—實(shí)際特性曲線；2—理論特性曲線差動(dòng)變壓器傳感器中的兩個(gè)次級(jí)繞組反相串聯(lián)，當(dāng)初級(jí)繞組加以激勵(lì)電壓U時(shí)，在兩個(gè)次級(jí)繞組W2a和W2b中便會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)e2a和e2b。當(dāng)活動(dòng)銜鐵處于初始平衡位置時(shí)，必然會(huì)使兩互感系數(shù)M1=M2，將有e2a=e2b，因而有Uo=e2a?e2b=0，即差動(dòng)變壓器輸出電壓為零。當(dāng)活動(dòng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí)，由于磁阻的影響，W2a中磁通將大于W2b，使M1>M2，因而e2a增加，而e2b減小。反之，e2b增加，e2a減小。因?yàn)閁o=e2a?e2b，所以當(dāng)e2a、e2b

隨著銜鐵位移x變化時(shí)，Uo也必將隨x而變化。此處不連接

3.2.2差動(dòng)變壓器式傳感器的測(cè)量電路

1．差動(dòng)整流電路差動(dòng)整流電路還可以接成全波電壓輸出和全波電流輸出的形式。

差動(dòng)整流電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，根據(jù)差動(dòng)輸出電壓的大小和方向就可以判斷出被測(cè)量（如位移）的大小和方向，不需要考慮相位調(diào)整和零點(diǎn)殘余電壓的影響，分布電容影響小，便于遠(yuǎn)距離傳輸，因而獲得廣泛的應(yīng)用。圖3-12差動(dòng)整流電路（a）全波電流輸出；（b）全波電壓輸出；（c）半波電流輸出；（d）半波電壓輸出（2）電壓合成輸出差分整流電路（1）電流合成輸出（3）典型全波相敏整流電路分析1）電流路徑設(shè)f為“+”、e為“-”，則電流路徑fgcdhef；當(dāng)f為“-”、e為“+”，則電流路徑ehcdgfe。2）電路輸出uo=usc=uab-ucd分析可知：（a）鐵心居中，usc=0；

（b）鐵心下移，usc＞0；（c）鐵心上移，usc＜0。2.測(cè)量電路1、相敏檢波電路（1）簡(jiǎn)單相敏檢波電路相敏檢波電路要求比較電壓與差動(dòng)變壓器二次輸出電壓頻率相同，相位相同或相反。為了保證這一點(diǎn)，通常在電路中接入移相電路。另外，由于比較電壓在檢波電路中起開(kāi)關(guān)作用，因此其幅值應(yīng)盡可能大，一般應(yīng)為信號(hào)電壓的3～5倍。

設(shè)差動(dòng)電感傳感器的線圈阻抗分別為Z1和Z2。當(dāng)銜鐵處于中間位置時(shí)，Z1=Z2=Z，電橋處于平衡狀態(tài)，C點(diǎn)電位等于D點(diǎn)地位，電表指示為零。當(dāng)銜鐵上移，上部線圈阻抗增大，Z1=Z+△Z，則下部線圈阻抗減少，Z2=Z-△Z。如果輸入交流電壓為正半周……

如果輸入交流電壓為負(fù)半周，A點(diǎn)電位為負(fù)，B點(diǎn)電位為正，二極管VD2、VD3導(dǎo)通，VD1、VD4截止，則在B-C-F-A支路中，C點(diǎn)電位由于Z2減少而比平衡時(shí)降低（平衡時(shí)，輸入電壓若為負(fù)半周，即B點(diǎn)電位為正，A點(diǎn)電位為負(fù)，C點(diǎn)相對(duì)于B點(diǎn)為負(fù)電位，Z2減少時(shí)，C點(diǎn)電位更負(fù)）；而在B-D-E-A支路中，D點(diǎn)電位由于Z1的增加而比平衡時(shí)的電位增高，所以仍然是D點(diǎn)電位高于C點(diǎn)電位，電壓表正向偏轉(zhuǎn)。如果輸入交流電壓為正半周，當(dāng)A點(diǎn)電位為正，B點(diǎn)電位為負(fù)，二極管VD1、VD4導(dǎo)通，VD2、VD3截止。在A-E-C-B支路中，C點(diǎn)電位由于Z1增大而比平衡時(shí)的C點(diǎn)電位降低；而在A-F-D-B支路中，D點(diǎn)電位由于Z2的降低而比平衡時(shí)D點(diǎn)的電位增高，所以D點(diǎn)電位高于C點(diǎn)電位，直流電壓表正向偏轉(zhuǎn)。（2）具有調(diào)零功能的相敏檢波電路

同樣可以得出結(jié)果：當(dāng)銜鐵下移時(shí)，電壓表總是反向偏轉(zhuǎn)，輸出為負(fù)。

可見(jiàn)采用帶相敏整流的交流電橋，輸出信號(hào)既能反映位移大小又能反映位移的方向。

3.2.3差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用

差動(dòng)變壓器式傳感器可以直接用于位移測(cè)量，也可以測(cè)量與位移有關(guān)的任何機(jī)械量，如振動(dòng)、加速度、應(yīng)變、比重、張力和厚度等。

差動(dòng)變壓器式加速度傳感器的原理。它由懸臂梁和差動(dòng)變壓器構(gòu)成。測(cè)量時(shí)，將懸臂梁底座及差動(dòng)變壓器的繞組骨架固定，而將銜鐵的A端與被測(cè)振動(dòng)體相連，此時(shí)傳感器作為加速度測(cè)量中的慣性元件，它的位移與被測(cè)加速度成正比，使加速度測(cè)量轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰频臏y(cè)量。當(dāng)被測(cè)體帶動(dòng)銜鐵以Δx(t)振動(dòng)時(shí)，導(dǎo)致差動(dòng)變壓器的輸出電壓也按相同規(guī)律變化。圖3-14差動(dòng)變壓器式加速度傳感器1—懸臂梁；2—差動(dòng)變壓器3.3電渦流式傳感器3.3.1電渦流式傳感器的工作原理

塊狀金屬導(dǎo)體置于變化磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，金屬導(dǎo)體內(nèi)將會(huì)產(chǎn)生旋渦狀的感應(yīng)電流，該現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。圖3-15電渦流式傳感器原理圖1—金屬導(dǎo)體；2—線圈將一個(gè)通以正弦交變電流I1的扁平線圈置于金屬導(dǎo)體附近，則線圈周圍空間將產(chǎn)生一個(gè)正弦交變磁場(chǎng)H1，使金屬導(dǎo)體中感應(yīng)電渦流I2，I2又產(chǎn)生一個(gè)與H1方向相反的交變磁場(chǎng)H2，導(dǎo)致傳感器線圈的等效阻抗發(fā)生變化。有效電感量L：

電渦流的去磁作用→線圈電感量L↓。

3.3.2電渦流式傳感器的結(jié)構(gòu)電渦流式傳感器的結(jié)構(gòu)主要是一個(gè)繞制在框架上的扁平繞組，繞組的導(dǎo)線應(yīng)選用電阻率小的材料，一般采用高強(qiáng)度漆包銅線，圖3-16所示為CZF1型電渦流式傳感器的結(jié)構(gòu)圖，電渦流是采用把導(dǎo)線繞制在框架上形成的，框架采用聚四氟乙烯。圖3-16電渦流探頭結(jié)構(gòu)1—電渦流線圈；2—探頭殼體；3—?dú)んw上的位置調(diào)節(jié)螺紋；4-印制電路板；5—夾持螺母；6—電源指示燈；7—閾值指示燈；8—輸出屏蔽電纜線；9—電纜插頭

3.3.3電渦流式傳感器的測(cè)量電路

用于電渦流傳感器的測(cè)量電路主要有調(diào)頻式、調(diào)幅式電路兩種。1．調(diào)頻式電路

傳感器線圈接入LC振蕩回路，當(dāng)傳感器與被測(cè)導(dǎo)體距離x改變時(shí)，在渦流影響下，傳感器的電感變化，將導(dǎo)致振蕩頻率的變化，該變化的頻率是距離x的函數(shù)，即f

=L(x)，該頻率可由數(shù)字頻率計(jì)直接測(cè)量，或者通過(guò)f?U變換，用數(shù)字電壓表測(cè)量對(duì)應(yīng)的電壓。振蕩頻率為：（a）（b）圖3-17調(diào)頻式測(cè)量電路（a）測(cè)量電路框圖；（b）振蕩電路

2．調(diào)幅式電路

由傳感器線圈L、電容器C和石英晶體組成的石英晶體振蕩電路。石英晶體振蕩器起恒流源的作用，給諧振回路提供一個(gè)頻率(fo)穩(wěn)定的激勵(lì)電流io，LC回路輸出電壓為

Uo=iof(Z)

式中：Z——LC回路的阻抗。

當(dāng)金屬導(dǎo)體遠(yuǎn)離或去掉時(shí)，LC并聯(lián)諧振回路諧振頻率即為石英振蕩頻率fo，回路呈現(xiàn)的阻抗最大，諧振回路上的輸出電壓也最大；當(dāng)金屬導(dǎo)體靠近傳感器線圈時(shí)，線圈的等效電感L發(fā)生變化，導(dǎo)致回路失諧，從而使輸出電壓降低，L的數(shù)值隨距離x的變化而變化。圖3-18調(diào)幅式測(cè)量電路示意圖3.3.4電渦流式傳感器的應(yīng)用1．低頻透射式電渦流厚度傳感器

在被測(cè)金屬板的上方設(shè)有發(fā)射傳感器線圈L1，在被測(cè)金屬板下方設(shè)有接收傳感器線圈L2。當(dāng)在L1上加低頻電壓U1時(shí)，L1上產(chǎn)生交變磁通1，若兩線圈間無(wú)金屬板，則交變磁通直接耦合至L2中，L2產(chǎn)生感應(yīng)電壓U2。如果將被測(cè)金屬板放入兩線圈之間，則L1線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)將導(dǎo)致在金屬板中產(chǎn)生電渦流，并將貫穿金屬板，此時(shí)磁場(chǎng)能量受到損耗，使到達(dá)L2的磁通將減弱為1，從而使L2產(chǎn)生的感應(yīng)電壓U2下降。金屬板越厚，渦流損失就越大，電壓U2就越小。U2電壓的大小反映了被測(cè)金屬板的厚度。透射式渦流厚度傳感器的檢測(cè)范圍可達(dá)1～100mm，分辨率為0.1m，線性度為1%。

圖3-19透射式渦流厚度傳感器原理圖

圖3-20電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器原理圖2．電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器

在軟磁材料制成的輸入軸上加工一鍵槽，在距輸入表面d0處設(shè)置電渦流傳感器，輸入軸與被測(cè)旋轉(zhuǎn)軸相連。

當(dāng)被測(cè)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電渦流傳感器與輸出軸的距離變?yōu)閐0+Δd。由于電渦流效應(yīng)，使傳感器線圈阻抗隨Δd的變化而變化，導(dǎo)致振蕩器的電壓幅值和振蕩頻率發(fā)生變化。因此，隨著輸入軸的旋轉(zhuǎn)，從振蕩器輸出的信號(hào)中包含有與轉(zhuǎn)速成正比的脈沖頻率信號(hào)。

該信號(hào)由檢波器檢出電壓幅值的變化量，然后經(jīng)整形電路輸出頻率為fn的脈沖信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)電路處理便可得到被測(cè)轉(zhuǎn)速。這種轉(zhuǎn)速傳感器可實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量，抗污染能力很強(qiáng)，可安裝在旋轉(zhuǎn)軸近旁長(zhǎng)期對(duì)被測(cè)轉(zhuǎn)速進(jìn)行監(jiān)視。最高測(cè)量轉(zhuǎn)速可達(dá)600000r/min。3．高頻反射式電渦流厚度傳感器

為了克服帶材不夠平整或運(yùn)行過(guò)程中上、下波動(dòng)的影響，在帶材的上、下兩側(cè)對(duì)稱地設(shè)置了兩個(gè)特性完全相同的渦流傳感器S1和S2。圖3-21高頻反射式渦流測(cè)厚儀測(cè)試系統(tǒng)框圖

圖3-21高頻反射式渦流測(cè)厚儀測(cè)試系統(tǒng)框圖

3．S1和S2與被測(cè)帶材表面之間的距離分別為x1和x2。若帶材厚度不變，則被測(cè)帶材上、下表面之間的距離總有“x1+x2=常數(shù)”的關(guān)系存在。兩傳感器的輸出電壓之和為2Uo，數(shù)值不變。

如果被測(cè)帶材厚度改變量為Δ

，則兩傳感器與帶材之間的距離也改變一個(gè)Δ

，兩傳感器輸出電壓此時(shí)為2Uo±ΔU，ΔU經(jīng)放大器放大后，通過(guò)指示儀表即可指示出帶材的厚度變化值。帶材厚度給定值與偏差指示值的代數(shù)和就是被測(cè)帶材的厚度。

4．高頻反射式電渦流位移傳感器

電渦流位移計(jì)是根據(jù)高頻反射式渦流傳感器的基本原理制作的。電渦流位移計(jì)可以用來(lái)測(cè)量各種形狀試件的位移量。

電渦流位移計(jì)測(cè)量位移的范圍可以從0～1mm至0～30mm，個(gè)別產(chǎn)品已達(dá)80mm。一般的分辨率為滿量程的0.1%，也有達(dá)到0.5m的（其全量程為0～5m）。（a）（b）