傳感器-04電感式傳感器

傳感器原理及應用2014年4月29日PrinciplesandApplicationsofTransducer機械與汽車工程學院主講：黃海鴻電郵：allenhuanghaihong@163.com地址：機械樓417室1第四章電感式傳感器原理：應用電磁感應原理，將被測非電量（如：位移、壓力、應變、流量等）轉(zhuǎn)換成電感量的變化，包括自感和互感的變化，然后通過測量電路轉(zhuǎn)換成電壓或電流形式輸出，實現(xiàn)非電量測量的一種裝置。電感：在通過一定數(shù)量變化電流的情況下，線圈產(chǎn)生自感電動勢的能力，稱為線圈的電感量，即電感。自感：當線圈中有電流通過時，線圈的周圍就會產(chǎn)生磁場。當線圈中電流發(fā)生變化時，其周圍的磁場也產(chǎn)生相應的變化，此變化的磁場可使線圈自身產(chǎn)生感應電動勢?；ジ校簝蓚€電感線圈相互靠近時，一個電感線圈的磁場變化將影響另一個電感線圈，稱為互感，其大小取決于電感線圈的自感與兩個電感線圈耦合的程度。2電磁感應1820年，奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應原理(1831年)變化的磁場可以使線圈產(chǎn)生感應電流一個線圈電流變化，可以使另一個線圈產(chǎn)生感應電流。導電線圈中的感應電動勢與穿過線圈的磁通量的變化率成正比：e=–dφ/dt磁棒3電感式傳感器的類型按工作原理分類自感應原理：自感式電感傳感器互感應原理：互感式電感傳感器按結(jié)構分類閉合磁路結(jié)構

整個閉合磁路都由磁性材料組成，環(huán)形磁芯就是典型的閉磁路開磁路結(jié)構 磁路中有明顯的空氣間隙，簡稱氣隙，如U型永磁體4本章主要內(nèi)容第一節(jié)自感式傳感器第二節(jié)差動變壓器第三節(jié)

電渦流式傳感器第四節(jié)

電感式傳感器應用第五節(jié)

電渦流式傳感器應用54.1自感式傳感器基本原理由線圈、鐵心和銜鐵等組成。當銜鐵隨被測量變化而上、下移動時，鐵心氣隙、磁路磁阻隨之變化，引起線圈電感量的變化，然后通過測量電路轉(zhuǎn)換成與位移成比例的電量，實現(xiàn)了非電量到電量的變換線圈電感：L=N2/Rm式中，N——線圈匝數(shù)；

Rm——磁路總磁阻特點：是一個具有可變氣隙的鐵心線圈！磁阻：磁路中的一個與電路中的電阻相對應的物理量

64.1自感式傳感器基本原理磁路總磁阻Rm的組成

Rm

=R1

+R2+Rδ當氣隙較小（一般空氣隙總長lδ為0.1~1mm）時，可以認為氣隙磁場呈均勻分布，用空氣隙磁阻Rδ代替總磁阻Rm，則線圈電感：L≈N2/Rδ

=N2μ0S/lδ

式中，μ0—真空磁導率；S—氣隙磁通截面積；N—線圈匝數(shù)。R1R274.1自感式傳感器氣隙型電感傳感器原理特性曲線電感：L=f(S,lδ)式中，lδ—空氣隙總長，

S—氣隙磁通截面積。84.1自感式傳感器變隙式氣隙型電感傳感器當空氣間隙lδ在正反兩個方向變化不同的間隙Δlδ時，電感的變化量ΔL具有不對稱性變間隙式電感傳感器的測量范圍與靈敏度及線性度相矛盾，只適用于微小位移量的檢測：

lδ/2=0.1~0.5mm，Δlδ

=(0.1~0.2)lδ/2lδ

–Δlδ

lδ

lδ＋Δlδ

lδ94.1自感式傳感器變隙式氣隙型電感傳感器靈敏度系數(shù)：KL=L0/

lδ相對非線性誤差：δL

=|Δlδ/lδ|提高傳感器特性（靈敏度、非線性）的方法：——采用差動式

lδ/2=2mm左右，

Δlδ

=(0.1~0.2)lδ/21.鐵心;2.線圈;3.銜鐵。104.1自感式傳感器變面積式氣隙型電感傳感器氣隙長度lδ保持不變，令磁通截面積S隨被測量變化而變化。線性度較好，但靈敏度仍然較低。由于受到工藝和結(jié)構的限制，欲增大測量范圍，可采用螺管型電感傳感器。L≈N2/Rδ

=N2μ0S/lδ

線圈鐵芯銜鐵銜鐵移動方向11變面積式氣隙型電感傳感器–輸出特性4.1自感式傳感器124.1自感式傳感器螺管型電感傳感器由螺管線圈、圓柱形鐵心和磁性套筒等組成。隨著鐵心插入深度的不同，將引起線圈泄漏路徑中磁阻變化，從而使螺管線圈的電感發(fā)生變化。當用恒流源激勵時，線圈的輸出電壓與鐵心的位移量有關。鐵心134.1自感式傳感器單螺管線圈型電感傳感器螺管線圈內(nèi)磁場強度：由于螺管長度l有限，軸向磁場分布是不均勻的。如果l>>r，在x=l/2附近：當鐵心長度lc<l時，電感相對變化量：鐵心螺管線圈內(nèi)磁場分布曲線lcrc導磁體（鐵心）相對磁導率為一輔助物理量14b）可采用差動式結(jié)構形式的螺管型電感傳感器：

線圈I和線圈II以及可動銜鐵組成。當銜鐵在中間位置時當銜鐵左右移動時，或變化一個大小相等符號相反的所以可知差動形式（差動電感傳感器）其靈敏度可比原單個螺管式電感傳感器靈敏度提高1倍。結(jié)論：a）正比于（而實際上磁場強度分布不均勻，其關系是非線性的）差動結(jié)構測量范圍為5~50mm，非線性誤差為±0.5%154.1自感式傳感器螺管型電感傳感器的特點結(jié)構簡單，制造裝配容易由于空氣間隙大，磁路的磁阻高，因此靈敏度低，但線性范圍大由于磁路大部分為空氣，易受外部磁場干擾由于磁阻高，為了達到某一電感量，需要的線圈匝數(shù)多，但也導致線圈分布電容大要求線圈框架尺寸和形狀必須穩(wěn)定（注意導磁體和線圈骨架的加工精度、導磁體材料與線圈繞制的均勻性）為了提高靈敏度和線性度，用差動式螺管型代替單線圈螺管型，但要保證磁路的對稱性，減小零位電壓164.1自感式傳感器自感式電感傳感器性能比較變隙式氣隙型靈敏度較高,但非線性誤差較大，且制作裝配比較困難變面積式氣隙型在忽略氣隙磁通邊緣效應的條件下，輸出特性呈線性，因此可望得到較大的線性范圍。與變隙式相比，其靈敏度較低，量程較大，使用比較廣泛。欲提高靈敏度，需減小氣隙，但也受到工藝和結(jié)構的限制螺管型靈敏度較低，但量程大且結(jié)構簡單，易于制作和批量生產(chǎn),是使用最廣泛的一種電感式傳感器。為提高靈敏度與線性度，常采用差動螺管式電感傳感器，可以實現(xiàn)：測量范圍為5~50mm，非線性誤差為±0.5%17圖所示一簡單電感式傳感器。尺寸已示于圖中。磁路取為中心磁路，不記漏磁，設鐵心及銜鐵的相對磁導率為104，空氣的相對磁導率為1，真空的磁導率為4π×10-7H.m-1,試計算氣隙長度為零及為2mm時的電感量。圖中所注尺寸單位均為mm.

184.2差動變壓器組成：鐵心、初級線圈、次級線圈、線圈框架等原理：初級線圈作為差動變壓器激勵用；兩個次級線圈反向串接而成，以差動方式輸出。初級線圈與次級線圈之間的互感隨銜鐵位移變化而變化。相當于一個輸出電壓可變的變壓器。1初級線圈;2,3

次級線圈;4鐵心1243123(a)氣隙型

(b)螺管型比較組成磁路結(jié)構互感差動變壓器初級、次級線圈開磁路隨鐵心位置而變化變壓器原邊、副邊閉合磁路常數(shù)（有確定的磁路尺寸）194.2差動變壓器由于初級線圈存在電流I1，次級線圈中產(chǎn)生磁通φ21、φ22，相應的磁通在經(jīng)過線圈時的磁阻為Rm1、Rm2。于是次級線圈中的感應電壓為e21、e22，輸出電壓為：

e2=e21

–e22差動變壓器輸出特性曲線0e2e21e22x副Ⅰ副Ⅱ原線圈～～～e2R21R22e21e22e1R1M1M2L21L22L1I1差動變壓器等效電路204.3電渦流式傳感器原理：渦流效應電渦流：當通過金屬導體的磁通發(fā)生變化時，就會在導體中產(chǎn)生感應電流。這種電流在導體中是自行閉合的。渦流效應：當金屬導體置于變化著的磁場中或在磁場中做切割磁力線運動時，導體內(nèi)就會產(chǎn)生呈渦旋狀的感應電流。電渦流的產(chǎn)生必然要消耗一部分能量，從而使產(chǎn)生磁場的線圈阻抗發(fā)生變化，該物理現(xiàn)象稱為渦流效應。用途可以非接觸測量物體表面為金屬導體的多種物理量，如位移、振動、厚度、轉(zhuǎn)速、應力、硬度等參數(shù)。也可用于無損探傷。214.3電渦流式傳感器有一通以交變電流的傳感器線圈。由于電流的存在，線圈周圍產(chǎn)生一個交變磁場H1。若被測導體置于該磁場范圍內(nèi)，導體內(nèi)將產(chǎn)生電渦流，也將產(chǎn)生一個新磁場H2，H2與H1方向相反，力圖削弱原磁場H1，導致線圈的電感、阻抗和品質(zhì)因數(shù)發(fā)生變化。形成渦流必備兩個條件存在交變磁場導電體處于交變磁場之中

渦流穿透深度h

224.3電渦流式傳感器高頻反射式電渦流傳感器主要由一個固定在框架上的扁平線圈組成1線圈；2框架；3框架襯套；4支架；5電纜；6插頭234.3電渦流式傳感器高頻反射式電渦流傳感器高頻(>1MHz)

激勵電流，產(chǎn)生的高頻磁場作用于金屬板的表面，在金屬板表面將形成渦電流。該渦流產(chǎn)生的交變磁場又反作用于線圈，引起線圈自感L

或阻抗Z

的變化，其變化與距離δ

、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而保持其他系數(shù)不變，則可將位移的變化轉(zhuǎn)換為線圈自感的變化。高頻反射式渦流傳感器多用于位移測量。244.3電渦流式傳感器低頻透射式電渦流傳感器主要由發(fā)射線圈、接收線圈組成，并分別位于被測材料上、下方。由振蕩器產(chǎn)生的低頻電壓u1加到發(fā)射線圈L1兩端，于是在接收線圈L2兩端將產(chǎn)生感應電壓u2，它的大小與u1的幅值、頻率以及兩個線圈的匝數(shù)、結(jié)構和兩者的相對位置有關。采用低頻激勵，因而有較大的貫穿深度，適合于測量金屬材料的厚度。254.3電渦流式傳感器低頻透射式電渦流傳感器在兩個線圈之間設置一金屬板，由于在金屬板內(nèi)產(chǎn)生電渦流，該電渦流消耗了部分能量，使到達線圈L2的磁力線減小，從而引起u2的下降。金屬板厚度越大，電渦流損耗越大，u2就越小?？梢妘2的大小間接反映了金屬板的厚度。進行厚度測量時，激勵頻率應選得低點。頻率太高，貫穿深度小于被測厚度，不利進行厚度測量，通常選1kHz左右。一般地說，測薄金屬板時，頻率應略高些；測厚金屬板時，頻率應低些。26利用電渦流法測板材厚度，已知激勵電源頻率f=1MHz，被測材料相對磁導率μr=1，電阻率ρ=2.9*10-6

Ω?cm，被測板厚為（1±0.2）mm。要求:(1)計算采用高頻反射法測量時，渦流穿透深度h=？(2)能否用低頻透射法測板厚？需要采取什么措施？ρ-Ω?cmf–Hzh-cm274.4電感式傳感器應用主要用于測量微位移，凡是能轉(zhuǎn)換成位移量變化的參數(shù)，如力、壓力、壓差、加速度、振動、應變、流量、厚度、液位等，都可以用電感式傳感器來進行測量測位移：測頭的測端與被測件接觸，被測件的微小位移使銜鐵在差動線圈中移動，線圈的電感值將產(chǎn)生變化，這一變化量通過引線接到交流電橋，電橋的輸出電壓就反映被測件的位移變化量。28電感式傳感器的優(yōu)點

①結(jié)構簡單、可靠②分辨率高機械位移0.1μm，甚至更小；角位移0.1角秒。輸出信號強，電壓靈敏度可達數(shù)百mV/mm。

③重復性好，線性度優(yōu)良在幾十μm到數(shù)百mm的位移范圍內(nèi)，輸出特性的線性度較好，且比較穩(wěn)定。

④能實現(xiàn)遠距離傳輸、記錄、顯示和控制電感式傳感器的不足存在交流零位信號，不宜高頻動態(tài)測量。4.4電感式傳感器應用294.4電感式傳感器應用電感式位移傳感器induNCDT系列位移傳感器：主要用于位移、振動、轉(zhuǎn)速測量。傳感器的前置放大器被集成安裝在傳感器殼體里，其輸出信號與測量位移成正比。在傳感器測量量程內(nèi)線性精度優(yōu)于2％。304.4電感式傳感器應用電感式位移傳感器主要技術指標：·測量范圍：10.0mm；·響應時間：3ms；·精度等級：1.0%；

·工作溫度：-25～75℃；·工作電源：220VAC

314.4電感式傳感器應用測量液位沉筒式液位計——由于液位的變化，沉筒所受浮力也將產(chǎn)生變化，這一變化轉(zhuǎn)變成銜鐵的位移，從而改變差動變壓器的輸出電壓，輸出值反映了液位的變化值。324.4電感式傳感器應用測量厚度334.4電感式傳感器應用變隙型電感式壓力傳感器當壓力進入膜盒時，膜盒的頂端在壓力P的作用下，產(chǎn)生與壓力P大小成正比的位移，于是銜鐵也發(fā)生移動，從而使氣隙發(fā)生變化，流過線圈的電流也發(fā)生相應的變化，電流表A的指示值就反映了被測壓力的大小。A344.4電感式傳感器應用變隙型差動電感式壓力傳感器當被測壓力P進入C形彈簧管時，彈簧管產(chǎn)生變形，自由端發(fā)生位移，帶動與其相連接的銜鐵運動，使線圈1、2中的電感發(fā)生大小相等、符號相反的變化，即一個電感量增大，另一個電感量減小。電感的變化通過電橋電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出，輸出電壓與被測壓力之間成比例關系。35將差動變壓器和彈性敏感元件（膜片、膜盒和彈簧管等）相結(jié)合，可以組成各種形式的壓力傳感器。～220VV振蕩器穩(wěn)壓電源差動變壓器相敏檢波電路這種變送器可分檔測量(–5×105～6×105)N/m2壓力，輸出信號電壓為(0～50)mV，精度為1.5級。364.4電感式傳感器應用測量振動、加速度差動變壓器式加速度傳感器，用于測定振動物體的頻率和振幅。激磁頻率必須是振動頻率的十倍以上，才能得到精確的測量結(jié)果?？蓽y量的振幅為(0.1～5)mm，振動頻率為(0～150)Hz。1彈性支撐；2差動變壓器374.5電渦流式傳感器應用可以測量各種形狀金屬零件的動態(tài)位移，測量范圍可以為0～15μm，分辨率為0.05μm；或是0～500mm，分辨率可達0.1%?？捎糜跍y量汽輪機主軸的軸向竄動、金屬件的熱膨脹系數(shù)、鋼水液位、紗線張力、流體壓力等?？蔁o接觸地測量各種振動的幅值，如用來監(jiān)控汽輪機主軸的徑向振動。在研究軸的振動時可以用多個傳感器測量出軸的振動形狀。384.5電渦流式傳感器應用高頻反射型、低頻透射型電渦流傳感器均可用于測量厚度394.5電渦流式傳感器應用金屬零件計數(shù)器

404.5電渦流式傳感器應用安檢門內(nèi)部有若干個發(fā)射線圈和若干個接收線圈，均用環(huán)氧樹脂澆灌、密封在門框內(nèi)。計算機根據(jù)感應電壓的大小、相位來判定金屬物體的大小，并發(fā)出報警信號。

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