第4章 電感式傳感器

第四章電感式傳感器變磁阻式傳感器電磁感應(yīng)被測(cè)非電量自感系數(shù)L互感系數(shù)M測(cè)量電路U、I、f自感式傳感器互感式傳感器電渦流式傳感器電感式接近傳感器1電感式傳感器特點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡單靈敏度和分辨率高線性度和重復(fù)性比較好電感式傳感器缺點(diǎn)：頻率響應(yīng)較低分辨率和示值誤差與測(cè)量范圍有關(guān)存在交流零位信號(hào)2第一節(jié)變磁阻式傳感器一、結(jié)構(gòu)和工作原理總磁阻線圈匝數(shù)空氣導(dǎo)磁率磁導(dǎo)率導(dǎo)磁率H/m3AL=f(A)4二、等效電路1.銅損電阻2.渦流損耗電阻h—渦流的“穿透深度”，可用表示，為導(dǎo)磁體材料的電阻率。當(dāng)渦流穿透深度小于薄片厚度的一半時(shí)，上式可簡化為將以上等式整理可得線圈的平均匝長53.并聯(lián)寄生電容總等效損耗電阻串聯(lián)等效阻抗考慮并聯(lián)電容C時(shí)，等效阻抗為式中當(dāng)電感相對(duì)變化6銜鐵下移

三、變氣隙式電感傳感器輸出特性7忽略高次項(xiàng)：動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍：0.001~1mm銜鐵上移

忽略高次項(xiàng)：8四、差動(dòng)自感傳感器1.結(jié)構(gòu)和工作原理上下兩個(gè)磁體的幾何尺寸、材料、電氣參數(shù)完全一致。初始狀態(tài)電橋平衡，銜鐵上下移動(dòng)時(shí)，兩只電感線圈的電感量不一樣，電橋不平衡，輸出電壓。92、輸出特性銜鐵下移：

忽略高次項(xiàng)：提高一倍單個(gè)線圈差動(dòng)式103、測(cè)量電路1、交流電橋式測(cè)量電路差動(dòng)自感傳感器：11初始位置

銜鐵下移

2、變壓器式交流電橋12銜鐵上移銜鐵下移3、諧振式測(cè)量電路諧振式調(diào)頻電路諧振式調(diào)幅電路13第二節(jié)互感式傳感器當(dāng)銜鐵在中間位置時(shí)，當(dāng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí)，當(dāng)銜鐵向下移動(dòng)時(shí)，一、結(jié)構(gòu)和工作原理14二、等效電路15（1）銜鐵位于中間位置時(shí)，16（3）當(dāng)銜鐵下移時(shí)，（2）當(dāng)銜鐵上移時(shí)，17靈敏度：18三、測(cè)量電路——辨別移動(dòng)方向、消除零點(diǎn)殘存電壓1、差動(dòng)整流電路19正半周負(fù)半周電壓輸出型全波整流電路20①當(dāng)銜鐵在中間位置時(shí)，②當(dāng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí)，③當(dāng)銜鐵向下移動(dòng)時(shí)，212、相敏檢波電路正半周負(fù)半周（1）二極管相敏檢波電路22U1與U2同相U1與U2反相？23特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、線性度好、測(cè)量范圍寬測(cè)量范圍：±2mm~±200mm測(cè)量精度：0.2%~0.3%（2）集成化相敏檢波電路24四、誤差因素分析激勵(lì)電壓的幅值與頻率的影響。溫度變化的影響。零點(diǎn)殘余電壓。零點(diǎn)殘余電壓包括（1）基波正交分量（2）基波同相成分（3）二次諧波（4）三次諧波（5）電磁干擾波25兩次級(jí)繞組相位相差不等于180o時(shí)的差動(dòng)輸出電壓、銜鐵正反向偏離中間位置時(shí)，兩次級(jí)輸出電勢(shì)值合成后次級(jí)輸出的空載電壓銜鐵在中間位置時(shí)兩次級(jí)電勢(shì)數(shù)值26消除零點(diǎn)殘余電壓可采用的方法（1）從設(shè)計(jì)和工藝上保證結(jié)構(gòu)對(duì)稱性（2）選用合適的測(cè)量線路（3）采用補(bǔ)償線路調(diào)相位式殘余電壓補(bǔ)償電路27電位器調(diào)零點(diǎn)殘余電壓補(bǔ)償電路R或L補(bǔ)償電路28把上述三種類型比較一下，氣隙型自感傳感器靈敏度高，因?yàn)樵細(xì)庀兑话闳〉煤苄。闹饕秉c(diǎn)是：非線性嚴(yán)重，為了限制非線性誤差，示值范圍只能較小；它的自由行程小，因?yàn)殂曡F在運(yùn)動(dòng)方向上受到鐵心限制；制造裝配困難。由于這些原因，近年來這種類型的使用逐漸減少，不過在一些特殊場(chǎng)合下還使用。截面型自感傳感器靈敏度較低。截面型的優(yōu)點(diǎn)是具有較好的線性，因而示值范圍可取大些，自由行程可按需要按排，制造裝配也較方便。螺管型自感傳感器的靈敏度比截面型的更低，但示值范圍大，線性也較好，同時(shí)還具備自由行程可任意按排、制造裝配方便等優(yōu)點(diǎn)。此外。螺管型與截面型相比，批量生產(chǎn)中的互換性好。29截面型傳感器往往要和儀器電箱配合使用，不易互換，而螺管傳感器較能保證其特性大體一致，這對(duì)裝配、調(diào)試、使用都帶來方便，尤其在使用兩個(gè)（和差測(cè)量）或多個(gè)（多點(diǎn)測(cè)量）傳感器時(shí)，這一點(diǎn)更為重要。螺管型傳感器的線圈形狀對(duì)其線性度及穩(wěn)定度有較大影響，要求線圈骨架的形狀及尺寸穩(wěn)定不變，線圈繞制要均勻一致，這一點(diǎn)在設(shè)計(jì)制造時(shí)要加以注意。由于具有上述優(yōu)點(diǎn)，而靈敏度低的問題可在放大電路方面加以解決，目前螺管型傳感器的應(yīng)用越來越多。30第三節(jié)電渦流式傳感器金屬導(dǎo)體：線圈：線圈與金屬導(dǎo)體間的距離電阻率、相對(duì)導(dǎo)磁率、厚度大小線圈激勵(lì)信號(hào)頻率31一、基本原理高頻反射式電渦流傳感器結(jié)構(gòu)CZF1型渦流傳感器32渦流區(qū)和線圈幾何尺寸關(guān)系2R——電渦流區(qū)外徑2r——電渦流區(qū)內(nèi)徑渦流滲透深度ρ——導(dǎo)體電阻率（Ω.cm）f——交變磁場(chǎng)的頻率μr——相對(duì)導(dǎo)磁率33一、等效電路34品質(zhì)因素等效電阻等效電感無渦流影響時(shí)的Q值短路環(huán)阻抗其中35補(bǔ)充：電渦流形成范圍1、電渦流的徑向形成范圍J0為金屬導(dǎo)體表面電渦流密度最大值；Jr為半徑r處的金屬導(dǎo)體表面電渦流密度（1）電渦流徑向形成范圍大約在傳感器線圈外半徑ras的1.8~2.5倍范圍內(nèi)；（2）電渦流密度在ri=0處為零；（3）電渦流的最大值在r=ras附近的一個(gè)狹窄區(qū)域內(nèi)；（4）可以用一個(gè)平均半徑為ras（ras=(ri+ra)/2）的短路環(huán)來集中表示分散的電渦流（圖中陰影部分）362、電渦流強(qiáng)度與距離的關(guān)系I1—線圈激勵(lì)電流；I2—金屬導(dǎo)體中等效電流；X—線圈到金屬導(dǎo)體表面距離；ras—線圈外徑以上分析表明：電渦流強(qiáng)度與距離x呈非線性關(guān)系，且隨著x/ras的增加二迅速減小；當(dāng)利用電渦流式傳感器測(cè)量位移時(shí)，只有在x/ras<<1（一般取0.05~0.15）的條件下才能得到較好的線性和較高的靈敏度。電渦流強(qiáng)度與距離歸一化曲線373.電渦流的軸向貫穿深度貫穿深度指把電渦流強(qiáng)度減小到表面強(qiáng)度的1/e處的表面厚度。電渦流密度軸向分布曲線d—金屬導(dǎo)體中某一點(diǎn)與表面的距離；Jd—沿H1軸向d處的電渦流密度；J0—金屬導(dǎo)體表面電渦流密度，即電渦流密度最大值；H—電渦流軸向貫穿的深度（趨膚深度）。38三、測(cè)量電路1、調(diào)頻式電路392、調(diào)幅式電路最大最大無M：有M：降低降低石英晶體振蕩器恒流源：f0、i040低頻透射式渦流傳感器多用于測(cè)定材料厚度。發(fā)射線圈ω1和接收線圈ω2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ω1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i，此渦流損耗了部分能量，使貫穿ω2的磁力線減少，從而使ω2產(chǎn)生的感應(yīng)電e2減小。e2的大小與G的厚度及材料性質(zhì)有關(guān)，實(shí)驗(yàn)與理論證明，e2隨材料厚度h增加按負(fù)指數(shù)規(guī)律減小。因而按e2的變化便可測(cè)得材料的厚度。41變磁阻式傳感器的應(yīng)用變隙電感式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖42變隙式差動(dòng)電感壓力傳感器43差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用差動(dòng)變壓器式加速度傳感器原理圖

44電感測(cè)微儀是一個(gè)差動(dòng)式自感傳感器測(cè)量微位移裝置，其測(cè)量電路由傳感線圈和電阻組成交流測(cè)量電橋，電橋輸出交流電壓經(jīng)放大后送相敏檢波器，檢波輸出直流電壓由直流電壓表或顯示其輸出。45力平衡式差壓計(jì)是一個(gè)差動(dòng)變壓器測(cè)量電路，N1、N22、N21分別為差動(dòng)變壓器初級(jí)線圈和兩級(jí)線圈，V1、V2和C為半波整流電容電路。當(dāng)動(dòng)鐵處于中間位置時(shí)，膜盒亦在正中位置時(shí)此時(shí)膜盒的上下壓力相同，即P1=P2，差動(dòng)變壓器輸出電壓U=0。當(dāng)P1和P2大小不同時(shí)膜盒產(chǎn)生位移，帶動(dòng)差動(dòng)變壓器輸出電壓U≠0，其大小盒極性即表示動(dòng)鐵位移的大小和方向，從而可測(cè)出P1與P2的壓力差。46渦流式傳感器的應(yīng)用1.低頻透射式渦流厚度傳感器透射式渦流厚度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖472.高頻反射式渦流厚度傳感器高頻反射式渦流測(cè)厚儀測(cè)試系統(tǒng)圖483.電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器工作原理圖49例4-1如圖所示氣隙型電感傳感器，銜鐵斷面積S=4×4mm2，氣隙總長度lδ=0.8mm，銜鐵最大位移Δlδ=±0.08mm，激勵(lì)線圈匝數(shù)N=2500匝，導(dǎo)線直徑d=0.06mm，電阻率ρ=1.75×10-6Ω.cm。當(dāng)激勵(lì)電源頻率f=4000Hz時(shí)，忽略漏磁及鐵損，要求計(jì)算：（1）線圈的電感值；（2）電感的最大變化；（3）當(dāng)線圈外斷面積為11×11mm2時(shí)求其直流電阻值；（4）線圈的品質(zhì)因素；（5）當(dāng)線圈存在200pF分布電容與之并聯(lián)后其等效電感值變化多大？50例4-2試證明圖（a）U形差動(dòng)變壓器輸出為V形特性。（1）設(shè)電感線圈銅損、鐵損