電感式傳感器課件

第8章電感式傳感器自感式：原理、特性、結(jié)構(gòu)形式、轉(zhuǎn)換電路及應(yīng)用差動(dòng)變壓器式：原理、特性、結(jié)構(gòu)形式、轉(zhuǎn)換電路及應(yīng)用渦流傳感器：原理、特性、結(jié)構(gòu)形式、轉(zhuǎn)換電路及應(yīng)用壓磁式：原理、特性、結(jié)構(gòu)形式、轉(zhuǎn)換電路及應(yīng)用教學(xué)要求：理解自感式、差動(dòng)變壓器式、渦流傳感器的工作原理，掌握其性能特點(diǎn)，了解其應(yīng)用。了解壓磁式傳感器。9/3/20231第8章電感式傳感器自感式：原理、特性、結(jié)構(gòu)形式、轉(zhuǎn)換電一、自感式傳感器先看一個(gè)實(shí)驗(yàn)：將一只220V交流接觸器線圈與交流毫安表串聯(lián)后，接到機(jī)床用控制變壓器的36V交流電壓源上，如下頁(yè)圖所示。開(kāi)始毫安表的示值約為幾十毫安。用手慢慢將接觸器的活動(dòng)鐵心（稱為銜鐵）往下按，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)毫安表的讀數(shù)逐漸減小。當(dāng)銜鐵與固定鐵心之間的氣隙等于零時(shí)，毫安表的讀數(shù)只剩下十幾毫安。9/3/20232一、自感式傳感器先看一個(gè)實(shí)驗(yàn)：8/4/20232自感傳感器的基本工作原理演示

F36V交流毫安表交流電壓源交流接觸器線圈9/3/20233自感傳感器的基本工作原理演示

F36V交流毫安表交流電壓源交自感傳感器的基本工作原理演示?氣隙變小，電感變大，電流變小F9/3/20234自感傳感器的基本工作原理演示?氣隙變小，電感變大，電流變小δ（一）簡(jiǎn)單自感式傳感器的原理及特性M.Faraday電磁感應(yīng)定律(1831年)：當(dāng)一個(gè)線圈中電流i變化時(shí)，該電流產(chǎn)生的磁通Φ也隨之變化，因而在線圈本身產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)el——自感。磁路歐姆定律傳感器電感量計(jì)算：線圈自感線圈匝數(shù)磁路總磁阻9/3/20235δ（一）簡(jiǎn)單自感式傳感器的原理及特性M.Faraday電對(duì)于變隙式傳感器,因?yàn)闅庀鼎暮苄?所以可以認(rèn)為氣隙中的磁場(chǎng)是均勻的。若忽略磁路磁損,則磁路總磁阻：式中：Li——各段導(dǎo)磁體的長(zhǎng)度；μi——各段導(dǎo)磁體的導(dǎo)磁率；Si——鐵芯材料的截面積；δ——?dú)庀兜暮穸?；?——空氣的導(dǎo)磁率；S——空氣隙的截面積；δR空氣氣隙>>R導(dǎo)磁體忽略導(dǎo)磁體磁阻9/3/20236對(duì)于變隙式傳感器,因?yàn)闅庀鼎暮苄?所以可以認(rèn)為氣隙中的磁自感傳感器分為三種類型：a）δ－變間隙式b）S－變面積式c）螺管式磁路磁阻隨著銜鐵插入深度不同而變化9/3/20237自感傳感器分為三種類型：a）δ－變間隙式b）S－變面積式c）2、線性度的問(wèn)題

忽略二次項(xiàng)以上的高次項(xiàng)，成線性關(guān)系。存在高次項(xiàng)，非線性誤差嚴(yán)重。Δδ/δ0不能大（=0.1～0.2），輸出特性和測(cè)量范圍之間存在矛盾∴自感式傳感器用于微小位移量是比較精確的。1）變間隙式靈敏度：δL實(shí)際輸出特性理想輸出特性9/3/202382、線性度的問(wèn)題

忽略二次項(xiàng)以上的高次項(xiàng)，成線性關(guān)系。1）變2）變面積式工作特性為線性的。但實(shí)際上由于漏磁通等因素的影響，仍存在非線性誤差，不過(guò)與前一類變間隙型相比要好很多。靈敏度：SL實(shí)際輸出特性理想輸出特性9/3/202392）變面積式工作特性為線性的。靈敏度：SL實(shí)際輸出特性理想輸3）螺管式螺管式傳感器，由一只螺管線圈和一根柱型銜鐵組成。當(dāng)被測(cè)量作用在銜鐵上時(shí)，會(huì)引起銜鐵在線圈中深入長(zhǎng)度的變化，從而引起電感量的變化。銜鐵工作在螺線管中部時(shí)，認(rèn)為線圈磁場(chǎng)強(qiáng)度均勻的，線圈電感量L與銜鐵插入深度大致成正比。實(shí)際輸出特性是非線性。靈敏度低，適合測(cè)取稍大一些的位移。9/3/2023103）螺管式螺管式傳感器，由一只螺管線圈和一根柱型銜鐵組成。當(dāng)3、應(yīng)用：自感式傳感器測(cè)液位

?浮子的位移變成電量：液位升高，液體對(duì)浮子的浮力F↑，破壞平衡狀態(tài)。浮子上升，鐵心上移，電感變化，輸出信號(hào)改變。9/3/2023113、應(yīng)用：自感式傳感器測(cè)液位

?浮子的位移變成電量：8/4/9/3/2023128/4/2023129/3/2023138/4/2023139/3/2023148/4/202314（二）差動(dòng)自感傳感器1、基本結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單自感傳感器明顯的缺點(diǎn)：機(jī)械零點(diǎn)與電氣零點(diǎn)不一致；銜鐵受磁場(chǎng)力；不能反映被測(cè)量的變化方向。解決這兩個(gè)問(wèn)題，最好辦法是采用差動(dòng)式自感傳感器。兩只完全對(duì)稱的簡(jiǎn)單自感傳感器合用一個(gè)活動(dòng)銜鐵就構(gòu)成了差動(dòng)自感傳感器。9/3/202315（二）差動(dòng)自感傳感器1、基本結(jié)構(gòu)8/4/202315當(dāng)銜鐵位移為零時(shí)，即銜鐵處于中間位置時(shí)，輸出電壓為0.當(dāng)銜鐵有位移時(shí)，一個(gè)氣隙增加，另一個(gè)氣隙減小，則一個(gè)線圈電感增加，另一個(gè)線圈電流減小，形成差動(dòng)形式，有一定的輸出電壓。銜鐵移動(dòng)方向不同，輸出電壓的極性不同。在變隙式差動(dòng)電感傳感器中，當(dāng)銜鐵隨被測(cè)量移動(dòng)而偏離中間位置時(shí)，兩個(gè)線圈的電感量一個(gè)增加，一個(gè)減小，形成差動(dòng)形式。1-差動(dòng)線圈2-鐵心3-銜鐵4-測(cè)桿5-工件9/3/202316當(dāng)銜鐵位移為零時(shí)，即銜鐵處于中間位置時(shí)，輸出電壓為0.在變隙消除了前三種自感傳感器的缺點(diǎn)，提高了靈敏度，減小非線性誤差。差動(dòng)自感傳感器的靈敏度是簡(jiǎn)單自感傳感器的2倍，非線性得到改善。9/3/202317消除了前三種自感傳感器的缺點(diǎn)，提高了靈敏度，減小非線性誤差。自感傳感器應(yīng)用實(shí)例

1.JGH電感測(cè)厚儀9/3/202318自感傳感器應(yīng)用實(shí)例

1.JGH電感測(cè)厚儀8/4/2023182.BYM型壓力傳感器

9/3/2023192.BYM型壓力傳感器

8/4/202319二、差動(dòng)變壓器式傳感器差動(dòng)變壓器式傳感器是把被測(cè)位移量轉(zhuǎn)換為一次線圈與二次線圈間的互感量M的變化的裝置。當(dāng)一次線圈接入激勵(lì)電源之后，二次線圈就將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)兩者間的互感量變化時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也相應(yīng)變化。由于兩個(gè)二次線圈采用差動(dòng)接法，故稱為差動(dòng)變壓器。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：兩個(gè)二次線圈反向串聯(lián)，組成差動(dòng)輸出形式。二次線圈二次線圈一次線圈鐵心9/3/202320二、差動(dòng)變壓器式傳感器差動(dòng)變壓器式傳感器是把被測(cè)位移量轉(zhuǎn)換為1、工作原理9/3/2023211、工作原理8/4/202321銜鐵在中間位置：E21=E22，U0=0銜鐵移動(dòng)：一邊互感↑，一邊互感↓→如E21>E22 E2=E21-E22≠0∝銜鐵位移E2E21E229/3/202322銜鐵在中間位置：E21=E22，U0=0E2E21E228/2、零點(diǎn)殘余電壓及其消除方法差分變壓器也存在零點(diǎn)殘余電壓?jiǎn)栴}。零點(diǎn)殘余電壓的存在使得傳感器的特性曲線不通過(guò)原點(diǎn)，并使實(shí)際特性不同于理想特性。產(chǎn)生原因：傳感器的兩次級(jí)繞組的電氣參數(shù)與幾何尺寸不對(duì)稱，以及磁性材料的非線性等問(wèn)題引起的。零點(diǎn)殘余電壓過(guò)大，會(huì)使靈敏度下降，非線性誤差增大，不同檔位的放大倍數(shù)有顯著差別，甚至造成放大器末級(jí)趨于飽和，致使儀器電路不能正常工作，甚至不再反映被測(cè)量的變化。在儀器的放大倍數(shù)較大時(shí)，這一點(diǎn)尤應(yīng)注意。9/3/2023232、零點(diǎn)殘余電壓及其消除方法差分變壓器也存在零點(diǎn)殘余電壓?jiǎn)栴}消除方法：盡可能保證傳感器的幾何尺寸，線圈電氣參數(shù)和磁路的對(duì)稱。采用適當(dāng)?shù)臏y(cè)量電路，如相敏整流電路。采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電路減小零點(diǎn)殘余電壓。加串聯(lián)電阻，加并聯(lián)電阻，加并聯(lián)電容，加反饋繞組或反饋電容等。9/3/202324消除方法：盡可能保證傳感器的幾何尺寸，線圈電氣參數(shù)和磁路的對(duì)（1）壓力測(cè)量差動(dòng)變壓器彈性敏感元件(膜片、膜盒和彈簧管)→壓力傳感器被測(cè)壓力為零：膜盒在初始位置狀態(tài)→固接在膜盒中心的銜鐵位于差動(dòng)變壓器線圈的中間位置——輸出電壓為零。被測(cè)壓力由接頭1傳入膜盒2：自由端產(chǎn)生一正比于被測(cè)壓力的位移→帶動(dòng)銜鐵6在差動(dòng)變壓器線圈5中移動(dòng)——差動(dòng)變壓器輸出電壓。經(jīng)相敏檢波、濾波后，其輸出電壓反映被測(cè)壓力的數(shù)值。輸出電壓比較大，線路中不需用放大器。4、電感式傳感器的應(yīng)用9/3/202325（1）壓力測(cè)量差動(dòng)變壓器彈性敏感元件(膜片、膜盒和彈簧管)（2）加速度測(cè)量測(cè)量時(shí),將懸臂梁底座及差動(dòng)變壓器的線圈骨架固定,而將銜鐵的A端與被測(cè)振動(dòng)體相連。當(dāng)被測(cè)體帶動(dòng)銜鐵以x(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。圖差動(dòng)變壓器式加速度傳感器懸臂梁差動(dòng)變壓器9/3/202326（2）加速度測(cè)量測(cè)量時(shí),將懸臂梁底座及差動(dòng)變壓器的線圈骨架固三、電渦流式傳感器1、電渦流效應(yīng)：根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理,塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí),導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應(yīng)電流,此電流叫電渦流,以上現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。9/3/202327三、電渦流式傳感器1、電渦流效應(yīng)：根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理,2、電渦流形成：高頻電流線圈靠近被測(cè)金屬，線圈上的高頻電流所產(chǎn)生的高頻電磁場(chǎng)在金屬表面上產(chǎn)生電渦流。線圈通入交變電流I，在線圈的周圍產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)H1位于該磁場(chǎng)中的金屬導(dǎo)體上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)并形成渦流渦流也產(chǎn)生相應(yīng)的磁場(chǎng)H2，H2與H1方向相反H2的作用引起線圈等效阻抗、等效電感等發(fā)生相應(yīng)的變化9/3/2023282、電渦流形成：高頻電流線圈靠近被測(cè)金屬，線圈上的高頻電流所電渦流使通電線圈的等效阻抗發(fā)生變化，線圈等效阻抗的變化反映了金屬導(dǎo)體的渦流效應(yīng)。電渦流效應(yīng)與被測(cè)金屬間的距離及電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、線圈的幾何形狀、幾何尺寸、電流頻率等參數(shù)有關(guān)。通過(guò)電路可將被測(cè)金屬參數(shù)轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化。電渦流傳感器根據(jù)這一原理實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬物體的位移、振動(dòng)等參數(shù)的測(cè)量。Z:高頻渦流傳感器線圈阻抗ρ:電導(dǎo)率μ:導(dǎo)磁率r：線圈半徑等幾何尺寸I:線圈電流f:頻率x:距離9/3/202329電渦流使通電線圈的等效阻抗發(fā)生變化，線圈等效阻抗的變化反映了利用渦流現(xiàn)象，可以把距離x的變化轉(zhuǎn)換為阻抗Z的變化，從而做成位移、振幅、厚度等傳感器；把電導(dǎo)率ρ的變化轉(zhuǎn)換為Z的變化，做成表面溫度、電解質(zhì)濃度、材質(zhì)判別等傳感器；利用磁導(dǎo)率μ的變化轉(zhuǎn)換為Z的變化，做成應(yīng)力、硬度等傳感器。這類傳感器測(cè)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(jiǎn)單，且不需要接觸測(cè)量，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和科研領(lǐng)域。9/3/202330利用渦流現(xiàn)象，可以把距離x的變化轉(zhuǎn)換為阻抗Z的變化，從而做成電渦流的應(yīng)用

——在我們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)?？梢杂龅?）干凈、高效的電磁爐電磁爐內(nèi)部的勵(lì)磁線圈9/3/202331電渦流的應(yīng)用

——在我們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)?？梢杂龅?）干凈電磁爐的工作原理 高頻電流通過(guò)勵(lì)磁線圈，產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，在鐵質(zhì)鍋底會(huì)產(chǎn)生無(wú)數(shù)的電渦流，使鍋底自行發(fā)熱，燒開(kāi)鍋內(nèi)的食物。9/3/202332電磁爐的工作原理 高頻電流通過(guò)勵(lì)磁線圈，產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，在鐵質(zhì)2）大直徑電渦流探雷器9/3/2023332）大直徑電渦流探雷器8/4/202333（一）高頻反射式電渦流傳傳感器

結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，主要由一個(gè)固定在框架上的扁平線圈組成。線圈可以粘貼在框架的端部，也可以繞在框架端部的槽內(nèi)。

（參考德國(guó)圖爾克公司資料）4~20mA電渦流位移傳感器外形9/3/202334（一）高頻反射式電渦流傳傳感器

結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，主要由一個(gè)固定在（二）低頻透射式電渦流傳感器采用低頻激勵(lì)，有較大貫穿深度，適合測(cè)量金屬材料厚度。一般地說(shuō)，測(cè)薄金屬板時(shí)，頻率應(yīng)略高些測(cè)厚金屬板時(shí)，頻率應(yīng)低些。在測(cè)量ρ較小的材料時(shí)，應(yīng)選較低的頻率（如500Hz）測(cè)量ρ較大的材料，則應(yīng)選用較高的頻率（如2kHz）9/3/202335（二）低頻透射式電渦流傳感器采用低頻激勵(lì)，有較大貫穿深度，適轉(zhuǎn)速測(cè)量計(jì)數(shù)測(cè)厚度探傷測(cè)振動(dòng)測(cè)溫測(cè)位移5、應(yīng)用9/3/202336轉(zhuǎn)速測(cè)量5、應(yīng)用8/4/202336a）測(cè)位移測(cè)量封口機(jī)工作間隙市場(chǎng)上自動(dòng)封口機(jī)，利用電渦流原理。待封口位置含鋁，檢測(cè)到封口位置時(shí)，電渦流效應(yīng)產(chǎn)生熱量，實(shí)現(xiàn)封口。間隙越大，電渦流越小9/3/202337a）測(cè)位移測(cè)量封口機(jī)工作間隙市場(chǎng)上自動(dòng)封口機(jī)，利用電渦流位移測(cè)量?jī)x位移測(cè)量包含：偏心、間隙、位置、傾斜、彎曲、變形、移動(dòng)、圓度、沖擊、偏心率、沖程、寬度等等。來(lái)自不同應(yīng)用領(lǐng)域的許多量都可歸結(jié)為位移或間隙變化。數(shù)顯位移測(cè)量?jī)x及探頭9/3/202338位移測(cè)量?jī)x位移測(cè)量包含：偏心、間隙、位置、傾斜、彎曲、變形、b）安檢門演示當(dāng)有金屬物體穿越安檢門時(shí)報(bào)警安檢門的內(nèi)部設(shè)置有發(fā)射線圈和接收線圈。當(dāng)有金屬物體通過(guò)時(shí)，交變磁場(chǎng)就會(huì)在該金屬導(dǎo)體表面產(chǎn)生電渦流，會(huì)在接收線圈中感應(yīng)出電壓，計(jì)算機(jī)根據(jù)感應(yīng)電壓的大小、相位來(lái)判定金屬物體的大小。在安檢門的側(cè)面還安裝一臺(tái)“軟x光”掃描儀，它對(duì)人體、膠卷無(wú)害，用軟件處理的方法，可合成完整的光學(xué)圖像。9/3/202339b）安檢門演示當(dāng)有金屬物體穿越安檢門時(shí)報(bào)警安檢門的內(nèi)部設(shè)置有c）測(cè)振動(dòng)汽輪機(jī)葉片測(cè)試測(cè)量懸臂梁的振幅及頻率9/3/202340c）測(cè)振動(dòng)汽輪機(jī)葉片測(cè)試測(cè)量懸臂梁的振幅及頻率8/4/d）測(cè)轉(zhuǎn)速在被測(cè)軸上開(kāi)個(gè)凹槽，靠近軸表面按照渦流探頭。軸轉(zhuǎn)動(dòng)，渦流探頭感受到得軸表面的位置變化，傳感器激勵(lì)線圈的電感隨之改變，振蕩器的頻率變化一次，通過(guò)檢波器轉(zhuǎn)換成電壓的變化，從而得到與轉(zhuǎn)速成正比的脈沖信號(hào)。9/3/202341d）測(cè)轉(zhuǎn)速在被測(cè)軸上開(kāi)個(gè)凹槽，靠近軸表面按照渦流探頭若轉(zhuǎn)軸上開(kāi)z個(gè)槽(或齒)，頻率計(jì)的讀數(shù)為f（單位為Hz），則轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速n（單位為r/min）的計(jì)算公式為9/3/202342若轉(zhuǎn)軸上開(kāi)z個(gè)槽(或齒)，頻率計(jì)的讀數(shù)為f（單位為Hz）齒輪轉(zhuǎn)速測(cè)量_電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量

例：下圖中，設(shè)齒數(shù)z=48，測(cè)得頻率f=120Hz，求該齒輪的轉(zhuǎn)速n。9/3/202343齒輪轉(zhuǎn)速測(cè)量_電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量

例：下圖中，設(shè)齒數(shù)z=48e）探傷

手持式裂紋測(cè)量?jī)x油管探傷9/3/202344e）探傷手持式裂紋測(cè)量?jī)x油管探傷8/4/202344用掌上型電渦流探傷儀檢測(cè)飛機(jī)裂紋

9/3/202345用掌上型電渦流探傷儀檢測(cè)飛機(jī)裂紋

8/4/202345f）渦流式膜厚檢測(cè)用于檢測(cè)腐蝕膜等的厚度。沒(méi)有膜時(shí)，傳感器探頭與金屬表面的距離為L(zhǎng)，有膜時(shí)，變?yōu)镈，則膜厚為d=L-D.膜的厚度不同，消耗磁場(chǎng)能量不同，導(dǎo)致探測(cè)頭有效阻抗變化。9/3/202346f）渦流式膜厚檢測(cè)用于檢測(cè)腐蝕膜等的厚度。8/4/20234g）渦流式接近開(kāi)關(guān)為了使公路交通系統(tǒng)正常運(yùn)行，常需檢測(cè)公路上汽車的數(shù)量，依據(jù)它來(lái)控制交通信號(hào)。其主要部件是埋在公路表面下幾厘米深處的環(huán)狀絕緣線圈，給它同時(shí)勵(lì)磁電流，公路表面上就有磁場(chǎng)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(lì)磁線圈有效阻抗變化。9/3/202347g）渦流式接近開(kāi)關(guān)為了使