傳感器與檢測技術-電感式傳感器課件

第四章電感式傳感器電感式傳感器電磁感應被測非電量自感系數L互感系數M測量電路U、I、f自感式傳感器互感式傳感器電渦流式傳感器第四章電感式傳感器電感式傳感器電磁感應被測非電量自感系數F220V實驗：4.1自感式傳感器F220V實驗：4.1自感式傳感器氣隙變小，電感變大，電流變小F氣隙變小，電感變大，電流變小F4.1.1自感式傳感器的工作原理總磁阻線圈匝數兩式聯立得:δ線圈鐵芯銜鐵Δδ圖4-1變磁阻式傳感器I為線圈中所通交流電的有效值。4.1.1自感式傳感器的工作原理總磁阻線圈匝數兩式聯立得空氣導磁率磁導率導磁率H/m而其中如果A保持不變，則L為δ的單值函數，構成變氣隙式自感傳感器若保持δ不變，使A隨被測量（如位移）變化，則構成變截面式自感傳感器，空氣導磁率磁導率導磁率H/m而其中如果A保持不變，則L為δ的傳感器與檢測技術_電感式傳感器課件傳感器與檢測技術_電感式傳感器課件δ，ALL=f(A)L=f(δ)圖4-3電感傳感器特性δ，ALL=f(A)L=f(δ)圖4-3電感傳感器銜鐵下移4.1.2變氣隙式自感傳感器的輸出特性δ線圈鐵芯銜鐵Δδ銜鐵下移4.1.2變氣隙式自感傳感器的輸出特忽略高次項：忽略高次項：銜鐵上移忽略高次項：銜鐵上移忽略高次項：4.1.3差動式自感傳感器在實際使用中，常采用兩個相同的傳感線圈共用一個銜鐵，構成差動式自感傳感器，兩個線圈的電氣參數和幾何尺寸要求完全相同。這種結構除了可以改善線性、提高靈敏度外，對溫度變化、電源頻率變化等的影響也可以進行補償，從而減少了外界影響造成的誤差。4.1.3差動式自感傳感器在實際使用中，常采用圖4-4是變氣隙型、變面積型及螺管型三種類型的差動式自感傳感器的結構示意圖。當銜鐵3移動時，一個線圈的電感量增加，另一個線圈的電感量減少，形成差動形式。圖4-4差動式自感傳感器1-線圈2-鐵芯3-銜鐵4-導桿（a）變氣隙型432131412344（b）變面積型（c）螺管型圖4-4是變氣隙型、變面積型及螺管型三種類型的差動式自感傳感變氣隙型差動式自感傳感器銜鐵下移：δ銜鐵R1R2L2L1變氣隙型差動式自感傳感器銜鐵下移：δ銜鐵R1R忽略高次項：提高一倍上式中不存在偶次項，顯然差動式自感傳感器的非線性誤差在±Δδ工作范圍內要比單個自感傳感器的小得多。忽略高次項：提高一倍上式中不存在偶次項差動式與單線圈電感式傳感器相比，具有下列優(yōu)點：①線性好；②靈敏度提高一倍，即銜鐵位移相同時，輸出信號大一倍；③溫度變化、電源波動、外界干擾等對傳感器精度的影響，由于能互相抵消而減小；④電磁吸力對測力變化的影響也由于能相互抵消而減小。差動式與單線圈電感式傳感器相比，具有下列優(yōu)點：4.1.4自感式傳感器的等效電路實際傳感器中，線圈不可能是純電感，它包括線圈的銅損電阻RC

；鐵芯的渦流損耗電阻Re

；由于線圈和測量設備電纜的接入，存在線圈固有電容和電纜的分布電容，用集中參數C表示。圖4-6等效電路ZCLRcRe4.1.4自感式傳感器的等效電路實際傳感器中，線圈不可能4.1.5自感式傳感器的測量電路1.電阻平衡臂交流電橋圖4-7交流電橋差動的兩個傳感器線圈接成電橋的兩個工作臂（Z1、Z2為兩個差動傳感器線圈的復阻抗），另兩個橋臂用平衡電阻R1、R2代替。設初始時Z1=Z2=Z=RS+jωL；

R1=R2=R；L1=L2=L0。ZLR1R2Z2Z14.1.5自感式傳感器的測量電路1.電阻平衡臂交流電對差動變氣隙式自感傳感器：可見，電橋輸出電壓與Δδ有關，相位與銜鐵移動方向有關。由于是交流信號，還要經過適當電路（如相敏檢波電路）處理才能判別銜鐵位移的大小及方向。對差動變氣隙式自感傳感器：可見，電橋輸出電壓與Δδ有關，相位432175502505075100L/mHδ/mm100251234-ΔδΔδ1、2為兩線圈的電感特性，3為兩線圈差接時的電感特性，圖線4為差接后電橋輸出電壓與位移間的特性曲線。說明：電橋輸出電壓的大小與銜鐵的位移量Δδ有關，相位與銜鐵的移動方向有關。若設銜鐵向上移動Δδ為負，則U0為負；銜鐵向下移動Δδ為正，則U0為正，相位差180°。432175502505075100L/mHδ/mm10022、變壓器式交流電橋2、變壓器式交流電橋圖4-8變壓器交流電橋Z1Z2IABCD~電橋A點的電位為：C點為正D點為正B點電位為電橋兩臂Z1、Z2為傳感器線圈阻抗圖4-8變壓器交流電橋Z1Z2IABCD~電橋A點的電位為初始位置銜鐵下移或初始位置銜鐵下移或銜鐵上移若線圈的Q值很高，損耗電阻可忽略，則由上式可知，當銜鐵向上、向下移動相同的距離時，產生的輸出電壓大小相等，但極性相反。由于是交流信號，要判斷銜鐵位移的大小及方向同樣需要經過相敏檢波電路的處理。銜鐵上移若線圈的Q值很高，損耗電阻可忽略，則由變壓器電橋與電阻平衡臂電橋相比，具有元件少，輸出阻抗小，橋路開路時電路呈線性的優(yōu)點，但因為變壓器副邊不接地，易引起來自原邊的靜電感應電壓，使高增益放大器不能工作。變壓器電橋與電阻平衡臂電橋相比，具有元件少，輸出阻抗小，橋路3.緊耦合電感臂交流電橋圖4-9緊耦合電感臂電橋采用這種測量電路可以消除與電感臂并聯的分布電容對輸出信號的影響，使電橋平衡穩(wěn)定，另外簡化了接地和屏蔽的問題。LLZ1Z23.緊耦合電感臂交流電橋圖4-9緊耦合電感臂電橋采用這4.3電渦流式傳感器

4.3.1電渦流式傳感器的基本原理4.3電渦流式傳感器4.3.1電渦流式傳感器的基渦流式傳感器是利用金屬導體在交流磁場中的電渦流效應。若一金屬板置于一只線圈的附近，它們之間相互的間距為δ，當線圈輸入一交變電流i時，便產生交變磁通量Φ，金屬板在此交變磁場中會產生感應電流i1，i1在金屬體內是閉合的，所以稱之為電渦流或渦流。渦流的大小與金屬板的電阻率ρ、磁導率μ、厚度h、金屬板與線圈的距離δ、激勵電流角頻率ω等參數有關。若固定某些參數，就可根據渦流的變化測量另一個參數。渦流式傳感器是利用金屬導體在交流磁場中的電渦流效應。若一演示實驗演示實驗4.3.2電渦流傳感器的等效電路把被測導體上形成的電渦流等效成一個短路環(huán)中的電流，短路環(huán)可以認為是一匝短路線圈，其電阻為R1、電感為L1。這樣線圈與被測導體便可等效為兩個相互耦合的線圈。線圈與導體間存在一個互感M，它隨線圈與導體間距x的減小而增大。圖4-19電渦流傳感器等效電路MRL1LR14.3.2電渦流傳感器的等效電路把被測導體上形成的電渦流根據克希霍夫定律，可列出下面的方程：根據克?；舴蚨?，可列出下面的方程：傳感器線圈的等效阻抗為：線圈的等效電阻和電感為：當被測導體的某些參數發(fā)生變化時，可引起渦流式傳感器線圈的阻抗Z、電感L和品質因數Q變化，測量Z、L或Q就可求出被測量參數的變化。傳感器線圈的等效阻抗為：線圈的等效電阻和電感為：當被測導體的4.3.3電渦流傳感器的種類電渦流在金屬導體內的滲透深度為:說明電渦流在金屬導體內的滲透深度與傳感器線圈的激勵信號頻率有關。故電渦流式傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩類。目前高頻反射式電渦流傳感器應用較廣泛。4.3.3電渦流傳感器的種類電渦流在金屬導體內的滲透深度高頻(>lMHz)激勵電流產生的高頻磁場作用于金屬板的表面，由于集膚效應，在金屬板表面將形成渦電流。與此同時，該渦流產生的交變磁場又反作用于線圈，引起線圈自感L或阻抗ZL的變化。線圈自感L或阻抗ZL的變化與距離該金屬板的電阻率ρ、磁導率μ、激勵電流i及角頻率ω等有關，若只改變距離δ而保持其它參數不變，則可將位移的變化轉換為線圈自感的變化，通過測量電路轉換為電壓輸出。高頻反射式渦流傳感器多用于位移測量。

1.高頻反射式電渦流傳感器高頻(>lMHz)激勵電流產生的高頻磁場作用于金屬板的表面，傳感器與檢測技術_電感式傳感器課件由安置在框架上的扁平圓形線圈構成。此線圈可粘貼于框架上，或在框架上開一槽，將導線繞在槽內。下圖為CZF1型渦流傳感器的結構原理，它是將導線繞在聚四氟乙烯框架窄槽內。1234561線圈2框架3襯套4支架5電纜6插頭由安置在框架上的扁平圓形線圈構成。此線圈可粘貼于框架上，或在iedM～ΦeΦｉ電渦流傳感器原理圖iedM～ΦeΦｉ電渦流傳感器原理圖高頻激勵信號使線圈產生一個高頻交變磁場φi，當被測導體靠近時，在磁場作用范圍的導體表層產生電渦流ie，而電渦流又將產生一交變磁場φe阻礙外磁場的變化。在被測導體內存在著電渦流損耗（當頻率較高時，忽略磁損耗）。能量損耗使傳感器的Q值和等效阻抗Z降低，因此當被測體與傳感器間的距離d改變時，傳感器的Q值和等效阻抗Z、電感L均發(fā)生變化，于是把位移量轉換成電量。這便是電渦流傳感器的基本原理。高頻激勵信號使線圈產生一個高頻交變磁場φi，當被測導體靠近時2.低頻透射式電渦流傳感器2.低頻透射式電渦流傳感器發(fā)射線圈L1和接收線圈L2分置于被測金屬板的上下方。由于低頻磁場集膚效應小，滲透深，當低頻(音頻范圍)電壓u1加到線圈L1的兩端后，所產生磁力線的一部分透過金屬板,使線圈L2產生感應電動勢u2。但由于渦流消耗部分磁場能量，使感應電動勢u2減少，當金屬板越厚時，損耗的能量越大，輸出電動勢u2越小。因此，u2的大小與金屬板的厚度及材料的性質有關.試驗表明u2隨材料厚度h的增加按負指數規(guī)律減少,因此，若金屬板材料的性質一定，則利用u2的變化即可測厚度。發(fā)射線圈L1和接收線圈L2分置于被測金屬板的上下方。由于低頻線圈L2的感應電壓與被測厚度的增大按負冪指數的規(guī)律減小，即式中δ——被測金屬板的厚度；h——貫穿深度。線圈L2的感應電壓與被測厚度的增大按負冪指數的規(guī)律減小，即

測量厚度時，激勵頻率應選得較低。頻率太高，貫穿深度小于被測厚度，不利于進行厚度測量，通常選激勵頻率為1kHz左右。

測薄金屬板時，頻率一般應略高些，測厚金屬板時，頻率應低些。在測量電阻率ρ較小的材料時，應選較低的頻率（如500Hz），測量ρ較大的材料時，應選用較高的頻率（如2kHz），從而保證在測量不同材料時能得到較好的線性和靈敏度。測量厚度時，激勵頻率應選得較低。頻率太高，貫穿4.3.4電渦流傳感器的轉換電路電渦流傳感器轉換電路的作用就是將Z、L或Q轉換為電壓或電流的變化。阻抗Z的轉換電路一般用電橋，電感L的轉換電路一般用諧振電路，又可以分為調幅法和調頻法兩種。4.3.4電渦流傳感器的轉換電路電渦流傳感器轉換電路的作1.交流電橋將傳感器線圈的阻抗變化轉化為電壓或電流的變化。圖中L1、L2是兩個差動傳感器線圈，它們與電容C1、C2的并聯阻抗Z1、Z2作為電橋的兩個橋臂.U0圖4-22交流電橋測量電路L1振蕩器R1R2C2~C1L2檢波放大1.交流電橋將傳感器線圈的阻抗變化轉化為電壓或電流的變化2.調幅式電路圖4-23調幅式測量電路原理框圖晶體振蕩器LC輸出放大檢波濾波R渦流傳感器線圈與電容并聯組成LC并聯諧振回路，由恒流源石英晶體振蕩器供電。沒有被測物體時，并聯諧振回路的諧振頻率等于激勵振蕩器的頻率f0，此時LC并聯回路呈現阻抗最大。諧振回路上輸出電壓U0為：U0=I0·Z

2.調幅式電路圖4-23調幅式測量電路原理框圖晶體振4.4電感式傳感器的應用圖4-25加速度傳感器1懸臂梁；2差動變壓器；3銜鐵12a34.4電感式傳感器的應用圖4-25加速度傳感器12a3位移測量振幅測量轉速測量位移測量振幅測量轉速測量差動式電感測厚儀L1和L2為電感傳感器的兩個線圈，構成橋路相鄰兩橋臂，另兩個橋臂是C1、C2。4只二極管和4只電阻R1~R4（減小溫度誤差）組成相敏整流器。差動式電感測厚儀L1和L2為電感傳感器的兩個線圈，構成橋