魯科版-選修3-2-第5章 傳感器及其應(yīng)用-第2節(jié) 常見傳感器的工作原理 名師獲獎

電感傳感器電感傳感器是利用線圈自感和互感的變化實(shí)現(xiàn)測量的一種傳感器。它的基本轉(zhuǎn)換原理是將被測量轉(zhuǎn)換成電感量的變化。因此，電感傳感器可以分為自感式和互感式兩大類。電感傳感器與其他傳感器相比，有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)結(jié)構(gòu)簡單可靠，可以測微小的被測量；(2)分辨率高，最小刻度可達(dá)0．1Km；(3)零點(diǎn)漂移少，可達(dá)o．1vm；(4)測量精度高，線性度好；(5)輸出功率大，即使不用放大器—般也有(01．——5)V的輸出。電感傳感器的主要缺點(diǎn)是：不宜動態(tài)測量，響應(yīng)時間長。一、自感式電感傳感器1自感式電感傳感器的結(jié)構(gòu)自感式電感傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖8-l所示，它主要用來測量位移或者是可以轉(zhuǎn)換成位移的被測量。自感式電感傳感器主要由線圈、銜鐵和鐵心組成，點(diǎn)劃線表示磁路。上作時銜鐵與被測體相連，被測體位移引起氣隙磁阻的變化，從而使線圈電感值變化。若將線圈電感的變化轉(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率的變化，即可實(shí)現(xiàn)對被測量測量的目的。2．JGH型電感測厚儀當(dāng)被測物體的厚度變化使電感測厚儀的感辨頭帶功差動式結(jié)構(gòu)自感傳感器的銜鐵位置發(fā)生變化，從而引起L的差動變化。測量電路采用圖8—5所示的HGH型電感測厚儀電路。自感傳感器的兩個差動線圈Ll和L2作為電橋兩相鄰的橋臂，另兩相鄰的橋臂采用電容C1和C2，并且使用4只二極管VD1—VD4作為相敏整流器。在相敏整流器的輸出端，用指示器V指示。二極管中串聯(lián)4個電阻R1—R4作附加電阻使用，目的是減少由于溫度變化而引起的誤差，故選用溫度系數(shù)小的繞線電阻。電橋的電源對角線是由變壓器提供的。變壓器的原邊用磁鐵和穩(wěn)壓器R7和C4。C3起濾波作用，RP1調(diào)節(jié)電橋電路的零位，RP2用來調(diào)節(jié)指示器滿刻度，SD為指示燈。圖8—5中使用相敏整流電路的目的，是使輸出電壓的極性能真正反映銜鐵的移動方向，從而確定厚度是增加還是減小。二、渦流傳感器原理如果通過金屬導(dǎo)體中的磁通發(fā)生變化，就會在閉合的導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流。這種電流像水中的旋渦那樣，它的流線在金屬體內(nèi)是自行閉合的，通常稱之為渦流，這種現(xiàn)象稱為渦流效應(yīng)。電渦流的產(chǎn)生，必然要消耗一部分磁場能量，從而使產(chǎn)生磁場的線圈阻抗發(fā)生變化。電渦流傳感器就是基于這種渦流效應(yīng)。渦流傳感器原理圖如圖8—18所示。圖8—18中，有—塊電導(dǎo)率為δ磁，導(dǎo)率為μ，厚度為t的金屬板，離金屬板x處有一半徑為r的線圈，當(dāng)線圈遇上正弦交流電I時(角頻率為ω)。線圈周圍產(chǎn)生磁場H1；而處于H1中的金屬板中將產(chǎn)生電渦流I2，這個電渦流產(chǎn)生H2，且H1的方向與H2方向相反。激勵電流線圈有效阻抗Z與下列參數(shù)有關(guān)，即Z=f(μ，δ，r，x，I，t，ω)苦改變這些參數(shù)中的任一物理量，都將引起Z的變化，這就是渦流傳感器的原理。利用這種渦流現(xiàn)象，可以把距離x的變化變換為z的變化，從而做成位移、振幅、厚度等傳感器；也可利用這種渦流效應(yīng)，把電導(dǎo)率δ的變化變換為z的變化，從而做成表面溫度、電解質(zhì)濃度、材質(zhì)判別等傳感器；還可利用磁導(dǎo)率μ的變化變換為z的變化，從而做成應(yīng)力、硬度等傳感器。這類傳感器的測量范圍大、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)，不受介質(zhì)影響，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，且不需望接觸測量，因此廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和科研領(lǐng)域，尤其是在高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械中，測量旋轉(zhuǎn)軸的軸向位移和徑向振動以及連續(xù)遠(yuǎn)距離監(jiān)控等方面發(fā)揮著獨(dú)特的優(yōu)越性。渦流傳感器的等效電路如圖8—19所示，U、I是接入線圈的勵磁電壓和勵磁電流，線圈的等效電阻和等效電感用R1，L1表示，金屬體上產(chǎn)生的渦流用一閉合的線圈表示，電阻為R2，電感為L2，渦流電流為I2,這樣，勵磁線圈最終在導(dǎo)體上產(chǎn)生渦流的實(shí)質(zhì)，是由于兩者之間存在互感M的原因。渦流式接近開關(guān)為了使公路交通系統(tǒng)正常遠(yuǎn)行，常需檢測公路上汽車的流量，依據(jù)它來控制交通信號。圖8—24為渦流式接近開關(guān)原理圖，它的主要部件是埋在公路表面下幾厘米深處的環(huán)裝絕緣線圈．給它通上勵磁電流，公路表面上就會有圖中虛線所示的磁場產(chǎn)生。當(dāng)汽車進(jìn)入這一區(qū)域，汽車上產(chǎn)生渦流損耗，勵磁線圈有效阻抗變化(汽車在正上方時，損耗最大)。圖8—25是渦流式接近開關(guān)的電路框圖。將絕緣勵磁線圈作為振蕩電路的一部分，若振蕩器有效