第三章電感傳感器

第三章電感傳感器第一頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四第3章電感傳感器優(yōu)點(diǎn)：具有很高的靈敏度和精確度，非常好的線性特性和重復(fù)性以及性能穩(wěn)定、工作可靠、壽命長(zhǎng)。在位移、振動(dòng)、壓力、流量等參數(shù)測(cè)量中應(yīng)用廣泛。缺點(diǎn)：不適合測(cè)量接近或高于傳感器激勵(lì)電源頻率的動(dòng)態(tài)信號(hào)。第二頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四磁阻（Rm）

互感（M）渦流傳感器互感傳感器自感傳感器自感（L）被測(cè)量4.1自感傳感器4.2互感傳感器（差動(dòng)變壓器）4.3渦流傳感器4.4電感傳感器的應(yīng)用第三頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四3.1自感傳感器3.1.1

簡(jiǎn)單的自感傳感器3.1.2

差動(dòng)自感傳感器3.1.3

自感傳感器測(cè)量電路第四頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四

線圈的電感L：

w—線圈匝數(shù)；—磁路的總磁阻。l：各段導(dǎo)磁體的磁路平均長(zhǎng)度；μ：各段磁導(dǎo)率；

S：各段導(dǎo)磁體的橫截面積；

δ：空氣隙的厚度。3.1.1

簡(jiǎn)單的自感傳感器第五頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四因?yàn)殍F芯的導(dǎo)磁能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣隙的導(dǎo)磁能力，有可以得到三種結(jié)構(gòu)類型的自感傳感器：①改變氣隙厚度δ的自感傳感器；②改變氣隙截面積

S

的自感傳感器；③改變導(dǎo)磁系數(shù)μ的自感傳感器。第六頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四第七頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四1．改變氣隙厚度的自感傳感器

當(dāng)δ=0時(shí)，L并不等于∞，而是接近于無(wú)氣隙情況下由導(dǎo)磁體的磁阻決定的自感值，如圖中虛線所示。

當(dāng)氣隙δ過(guò)大時(shí)，漏磁增加，靈敏度減?。划?dāng)δ=∞時(shí)，自感L與銜鐵無(wú)關(guān)，完全取決于空氣磁阻（漏磁磁阻）.因此，銜鐵的測(cè)量行程是非常小的,最大示值范,原始?xì)庀鼎囊话阍?.1~0.5mm之間。第八頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四2．改變氣隙截面積S

的自感傳感器

電感L與氣隙截面積S成正比。優(yōu)點(diǎn):示值范圍較大，具有較好的線性。當(dāng)S趨向最大值時(shí)，由于氣隙的影響，氣隙的磁阻將占主導(dǎo)地位，從而使L趨于常數(shù)，出現(xiàn)非線性。第九頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四3．改變導(dǎo)磁系數(shù)μ的自感傳感器（1）螺管插鐵型自感傳感器（2）壓磁式自感傳感器第十頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四（1）螺管插鐵型自感傳感器假設(shè)線圈內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度是均勻的，電感相對(duì)變化量與銜鐵位移相對(duì)變化量成正比。優(yōu)點(diǎn):自由行程大，示值范圍大；制造簡(jiǎn)單，穩(wěn)定可靠。缺點(diǎn):靈敏度低。第十一頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四（2）壓磁式自感傳感器原理:利用鐵磁材料的壓磁效應(yīng)。鐵磁材料在受外力作用時(shí)，材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力或應(yīng)力的變化，引起鐵磁材料導(dǎo)磁率μ的變化。該類型傳感器用于測(cè)量壓力、拉力、變矩、扭力、扭矩、重量等。第十二頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四壓磁效應(yīng)的物理解釋：電子自旋產(chǎn)生的元磁矩。在相鄰的原子間，由于元磁矩之間的互相作用力，它驅(qū)使相鄰的元磁矩平行排列在同一方向上，在物質(zhì)內(nèi)部形成許多小區(qū)域—磁疇。在無(wú)外作用下，各磁疇的磁化強(qiáng)度互相抵消，因而總體不顯磁極性。第十三頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四有外磁場(chǎng)作用時(shí)，磁疇的磁化方向?qū)⑥D(zhuǎn)向與外磁場(chǎng)平行的方向，鐵磁材料呈現(xiàn)磁化現(xiàn)象。在磁化過(guò)程當(dāng)中，各磁疇之間的界限發(fā)生移動(dòng)，因而產(chǎn)生機(jī)械變形—磁致伸縮效應(yīng)。在外力的作用下，引起鐵磁材料內(nèi)部發(fā)生應(yīng)變，使各磁疇之間的界限發(fā)生移動(dòng)，從而使磁疇的磁化方向轉(zhuǎn)變，鐵磁材料的磁化強(qiáng)度也發(fā)生相應(yīng)的變化—壓磁效應(yīng)。第十四頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四磁彈性應(yīng)變片試件受力變形，引起應(yīng)變片變形并改變其導(dǎo)磁率，從而使應(yīng)變計(jì)線圈的阻抗相應(yīng)地發(fā)生變化。第十五頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四簡(jiǎn)單的自感傳感器的缺點(diǎn)：①在測(cè)量時(shí)，線圈始終有一定的激勵(lì)電流存在，銜鐵永遠(yuǎn)受單一線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)力作用；②線圈電阻受溫度影響較大，有溫度誤差；③電感值受激勵(lì)電源波動(dòng)的影響；④不能反映被測(cè)量的變化方向。第十六頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四3.1.2

差動(dòng)自感傳感器等效測(cè)量電路當(dāng)銜鐵向上移動(dòng)，線圈1的阻抗增加為，線圈2的阻抗減小為，電橋?qū)⒂休敵鲭娏骰螂妷?。第十七?yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四優(yōu)點(diǎn):對(duì)于干擾、電磁吸力、溫度補(bǔ)償?shù)扔幸欢ǖ难a(bǔ)償作用；改善特性曲線的非線性；提高傳感器的靈敏度；如在輸出端接入相敏整流電路，可知道銜鐵位移的方向，并能消除殘余電壓。第十八頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四交流電橋式交流變壓器式諧振式3.1.3

自感傳感器測(cè)量電路第十九頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四

1）交流電橋式第二十頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四

1）交流電橋式測(cè)量電路把傳感器的兩個(gè)線圈作為電橋的兩個(gè)橋臂Z1和Z2,另外二個(gè)相鄰的橋臂用純電阻代替,對(duì)于高Q值（Q=ωL/R）的差動(dòng)式電感傳感器,其輸出電壓式中:L0——銜鐵在中間位置時(shí)單個(gè)線圈的電感;ΔL——單線圈電感的變化量。將ΔL=L0（Δδ/δ0）代入得f（Δδ/δ0）,電橋輸出電壓與Δδ有關(guān)。第二十一頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四

2）變壓器式交流電橋電橋兩臂Z1、Z2為傳感器線圈阻抗,另外兩橋臂為次級(jí)線圈的1/2阻抗。當(dāng)負(fù)截阻抗為無(wú)窮大時(shí),橋路輸出電壓

當(dāng)傳感器的銜鐵處于中間位置,

即Z1=Z2=Z時(shí)有=0,電橋平衡。當(dāng)傳感器銜鐵上移時(shí),即Z1=Z+ΔZ,Z2=Z-ΔZ,此時(shí)第二十二頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四

當(dāng)傳感器銜鐵下移時(shí),則Z1=Z-ΔZ,Z2=Z+ΔZ,此時(shí)從式(4-21）及式(4-22）可知,銜鐵上下移動(dòng)相同距離時(shí),輸出電壓的大小相等,但方向相反,由于是交流電壓,輸出指示無(wú)法判斷位移方向,必須配合相敏檢波電路來(lái)解決。

第二十三頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四

3）諧振式測(cè)量電路諧振式調(diào)幅電路諧振式調(diào)頻電路第二十四頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四

在調(diào)幅電路中,傳感器電感L與電容C,變壓器原邊串聯(lián)在一起,接入交流電源,變壓器副邊將有電壓輸出,輸出電壓的頻率與電源頻率相同,而幅值隨著電感L而變化。

調(diào)頻電路的基本原理是傳感器電感L變化將引起輸出電壓頻率的變化。一般是把傳感器電感L和電容C接入一個(gè)振蕩回路中,其振蕩頻率f=1/［2π（LC）1/2］。當(dāng)L變化時(shí),振蕩頻率隨之變化,根據(jù)f的大小即可測(cè)出被測(cè)量的值。第二十五頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四3.2互感傳感器（差動(dòng)變壓器）3.2.1

互感傳感器的結(jié)構(gòu)類型和工作原理

3.2.2

互感傳感器的特性第二十六頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四結(jié)構(gòu)大致可分為三類：銜鐵平板式、螺管式、轉(zhuǎn)角式。銜鐵平板式螺管式3.2.1

互感傳感器的結(jié)構(gòu)類型和工作原理

第二十七頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四差動(dòng)變壓器WW1W2Esx-x工作原理:互感現(xiàn)象.EwEout第二十八頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四第二十九頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四3.2.2互感傳感器的特性

1.靈敏度

2.頻率特性和相角特性3.線性范圍4.溫度特性5.吸引力6.零點(diǎn)殘余電壓及其消除方法第三十頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四1.靈敏度

①M(fèi)：提高Q值，減小損耗；②：在額定條件下，提高激勵(lì)電源電壓是比較好的方法；③ω：過(guò)高損耗大，選擇合理的鐵芯。第三十一頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四2.頻率特性和相角特性

互感傳感器的激磁頻率范圍一般是在10Hz~50kHz之間，激勵(lì)頻率至少要大于銜鐵運(yùn)動(dòng)頻率的十倍。具體應(yīng)用時(shí)頻率可在400~5kHz之間選擇。當(dāng)銜鐵向下移動(dòng)通過(guò)零點(diǎn)時(shí)，由于二次側(cè)線圈反極性串聯(lián)，電壓相位將發(fā)生180?變化，其理想特性如圖實(shí)線所示，虛線為實(shí)際特性。第三十二頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四3.線性范圍

螺管式一般線性范圍是線圈骨架長(zhǎng)度的1/10到1/4，超出這一范圍靈敏度減小，測(cè)量精度變差。4.溫度特性

溫度可產(chǎn)生①熱脹冷縮；②電阻值變化；③影響鐵芯的導(dǎo)磁特性、鐵損、渦流損耗等。通常互感傳感器的使用溫度在80℃以下，特別制造的高溫型可達(dá)150℃。5.吸引力

差動(dòng)變壓器的鐵芯所受磁性吸引力的大小為：第三十三頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四6.零點(diǎn)殘余電壓及其消除方法殘余電壓產(chǎn)生原因：①次級(jí)線圈的結(jié)構(gòu)不對(duì)稱；②激磁電壓中的高次諧波及鐵磁材料的磁滯等。消除方法：采用相敏整流電路。使圖中的特性曲線1變成曲線2，不僅使輸出能反映鐵心的移動(dòng)方向，而且使零點(diǎn)殘余電壓可以小到忽略不計(jì)的程度。第三十四頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四3.3渦流傳感器3.3.1原理3.3.2渦流傳感器的結(jié)構(gòu)形式第三十五頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四渦流效應(yīng)3.3.1原理渦流傳感器:利用電渦流效應(yīng)將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)化為電參數(shù)來(lái)進(jìn)行測(cè)量。第三十六頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四當(dāng)線圈通有激磁電流i時(shí)，將產(chǎn)生交變磁場(chǎng)Φi。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，在被測(cè)導(dǎo)電體內(nèi)便產(chǎn)生電渦流ie，此渦流又將產(chǎn)生一磁場(chǎng)Φe，Φe與Φi方向相反，因而抵消部分原磁場(chǎng)，從而導(dǎo)致線圈的電感量、阻抗和品質(zhì)因數(shù)發(fā)生改變。渦流i的大小與ρ、μ、t、x，勵(lì)磁電流角頻率ω等參數(shù)相關(guān)。第三十七頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四第三十八頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四3.3.2渦流傳感器的結(jié)構(gòu)形式1.變間隙型渦流傳感器2.變面積型渦流傳感器第三十九頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四3.螺管型渦流傳感器第四十頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四4.低頻透射渦流傳感器

傳感器有兩個(gè)線圈組成，一個(gè)發(fā)射線圈，一個(gè)接受線圈，并分別位于被測(cè)材料的兩側(cè)。被測(cè)導(dǎo)體越厚，電渦流損耗越小，發(fā)射線圈的磁力線被抵消的越多，這樣到達(dá)接受線圈的磁力線越小，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也就越小。第四十一頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四3.4電感傳感器的應(yīng)用1.YDC型壓力傳感器由彈簧管、差動(dòng)變壓器組成。第四十二頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四張力測(cè)量第四十三頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四2.厚度測(cè)量第四十四頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四板的厚度測(cè)量~第四十五頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四第四十六頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四3.加速度傳感器第四十七頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四4.LYD型轉(zhuǎn)子流量傳感器

輸出電壓大小與浮子的高度成正比浮子的高度又與流量成正比得到輸出電壓與流量的關(guān)系第四十八頁(yè)，共五十五頁(yè)，編輯于2023年，星期四5.振幅計(jì)用多個(gè)傳感器并排安放在軸側(cè)，當(dāng)軸