第5章+電感式傳感器.ppt

1、電感式傳感器是一種機電轉(zhuǎn)換裝置， 特別是在自動控制設(shè)備中廣泛應(yīng)用。 電感式傳感器利用電磁感應(yīng)定律將被測 非電量（如位移、壓力、流量、振動） 轉(zhuǎn)換為電感或互感的變化。 按傳感器結(jié)構(gòu)可分為： 自感式、互感式、電渦流式。,第5章電感式傳感器,概述,各種電感式傳感器,電感傳感器測量滾珠直徑，實現(xiàn)按誤差分裝塞選,第5章電感式傳感器,主要內(nèi)容： 1.變磁阻式傳感器自感式 2.差動變壓器式傳感器互感式 3.電渦流式傳感器電渦流式,5.1.1自感式傳感器工作原理,銜鐵移動,改變,磁阻變化,電感值變化,近似,1-線圈 2-鐵芯（定鐵芯）3-銜鐵（動鐵芯） 圖5-1 自感傳感器結(jié)構(gòu),根據(jù)上式可以形成三種類型的自感

2、式傳感器 1.改變氣隙厚度 (a) 2.改變導(dǎo)磁面積 A0 (b) 3.利用鐵芯在螺管線圈中的直線位移改變總的磁阻Rm(c) 也可認為是改變有效線圈匝數(shù)W 三種傳感器均可用以測量變換為直線位移的物理參量 由公式可見，L 與各參數(shù)的變化關(guān)系并不相同 如改變氣隙類型，L 與 不是線性關(guān)系與電容傳感器類似,原理：電磁感應(yīng),5.1.1自感式傳感器工作原理,(補充)變面積式自感式傳感器,初始電感量：,因為：,結(jié)論： 1.電感量與面積成線性，因此測量范圍不大。 2.靈敏度與氣隙厚度成反比,為提高靈敏度,氣隙厚度 不能過大。,變面積 式電感傳感器（不變）,a不變，b變 變前 變后 靈敏度 非線性誤差,a不變

3、，b變 變前 靈敏度 非線性誤差,b不變，a變 變前 變后 靈敏度系數(shù) 非線性誤差,(補充)螺線管式自感式傳感器,工作原理：當(dāng)鐵芯在線圈中運動時,將改變磁阻,使線圈自感發(fā)生變化。,結(jié)構(gòu)簡單、制造容易，但靈敏度低，適用于較大位移(數(shù)毫米)測量。,螺線管式自感傳感器,1-螺線管線圈； 2-螺線管線圈； 3-骨架； 4-活動鐵芯,L10，L20分別為線圈、的初始電感值；,差動螺線管式電感傳感器結(jié)構(gòu)原理圖,當(dāng)鐵芯移動（如右移）后，使右邊電感值增加，左邊電感值減小,根據(jù)以上兩式，可以求得每只線圈的靈敏度為,兩只線圈的靈敏度大小相等，符號相反，具有差動特征。,L1,L2可簡化為,5.1.2變氣隙式傳感器,

4、初始電感量：,銜鐵上移，0,初始電感量：,同理,銜鐵下移,0,忽略高價項：,靈敏度系數(shù)為：,（表明？）,5.1.2變氣隙式傳感器,線性度為,注意： 輸出特性非線性;為獲得較高靈敏度,氣隙的初始值 不宜過大。 為獲得較好的線性關(guān)系,須限制測量范圍,使銜鐵位移在較小范圍內(nèi)變化, 一般取 變氣隙式傳感器適用于微小位移的測量,測量范圍0.0011mm,5.1.2變氣隙式傳感器,由此可見,變隙式傳感器的測量范圍與靈敏度及線性度之間存在矛盾。 因此,變隙式電感傳感器用于測量微小位移量的場合。 為減小非線性誤差,實際測量中廣泛采用差動變隙式自感傳感器。,圖5-2 差動變隙式自感傳感器 的結(jié)構(gòu)原理圖,5.1.

5、3差動變隙式自感傳感器,5.1.3差動變隙式自感傳感器,當(dāng) ,上式可展開級數(shù),靈敏度系數(shù),5.1.3差動變隙式自感傳感器,差動變隙式傳感器的靈敏度系數(shù)是原來的2倍。,線性度為,比較 若不考慮包括2次以上的高次項, L與 成比例關(guān)系,因此高次項是非線性存在的原因。,5.1.3差動變隙式自感傳感器,差動式自感傳感器的特性： 1.當(dāng)氣隙相對變化 時,高次項迅速減小,非線性得到改善。然而,測量范圍變小。因此對線性的要求和對測量范圍的要求相矛盾。這正是取 的原因。 2.當(dāng)構(gòu)成差動式電感傳感器時,輸出與L1+L2有關(guān),它不存在偶次項,因此非線性得到明顯改善。,5.1.3差動變隙式自感傳感器,靈敏度 線性

6、行程 制造 變 高 差 小 難 變S 較高 好 大 較易 螺管式 低 差 大 易,自感傳感器類型 分三個類型：,差動式自感傳感器的線圈可以用復(fù)阻抗Z等效,常采用交流電橋、變壓器電橋、諧振電路等測量。 1.交流電橋 將直流電橋的電阻R用阻抗Z代替,阻抗寫成矢量形式,交流電橋平衡條件為,5.1.4 測量電路,將阻抗寫成復(fù)數(shù)形式,平衡條件變?yōu)?電橋平衡條件：Z1 = Z2 ; Z3 = Z4 平衡狀態(tài)下：U00 銜鐵偏離中心位置后： (假設(shè)Z1=Z0+Z; Z2=Z0-Z ;還假設(shè)傳感器線圈具有高品質(zhì)因數(shù)Z=R+jLjL， ) 則輸出 又 忽略高次項得,5.1.4 測量電路1交流電橋式測量電路,5.

7、1.4 測量電路1交流電橋式測量電路,交流電橋式(半橋)測量電路靈敏度分析 靈敏度系數(shù)K0為 兩點結(jié)論： (1)差動式變間隙電感傳感器的靈敏度是單線圈式的兩倍。 (2)差動式變間隙電感傳感器的非線性項次數(shù)高,線性度得到明顯改善。,通過電壓大小可判斷移動距離。,方向呢？,相敏檢波電路,5.1.4 測量電路2變壓器電橋式,當(dāng)傳感器銜鐵下移時, 即Z1=Z-Z, Z2=Z+Z, 此時,5-4,如銜鐵上移： 1L1 Z1 =Z+Z 2L2 Z2 =Z-Z,初始平衡狀態(tài)，Z1=Z2=Z, u0=0 當(dāng)銜鐵偏離中間零點時,大小相等、極性相反,能判定位移方向么？,兩種情況的輸出電壓大小相等，方向相反，即相位

8、差180 為了判別銜鐵位移方向，就是判別信號的相位， 要在后續(xù)電路中配置相敏檢波器來解決。,5.1.4測量電路3諧振式測量電路,7,8,（b）所示為輸出電壓 與電感L的關(guān)系曲線, 其中L0為諧振點的電感值。 特點：電路靈敏度很高, 但線性差, 適用于線性要求不高的場合。,靈敏度很高，但線性差，適用于線性要求不高的場合。當(dāng)L微 小變化L后，頻率變化f,當(dāng)銜鐵偏離中間位置而使Z1=Z+Z增加， 則Z2=Z-Z減少。 這時當(dāng)電源u上端為正，下端為負時， 電阻R1上的壓降小于R2上的壓降；,相敏檢波電路(補充),當(dāng)銜鐵偏離中間位置而使Z1=Z+Z增加, 則Z2=Z-Z減少。 當(dāng)u上端為負,下端為正時,

9、R2上壓降則大于R1上的壓降， 電壓表V輸出上端為負,下端為正。,相敏檢波電路(補充),在中間位置時， Z = Z1 = Z2 輸出為零 如銜鐵上移：Z1 =Z+Z Z2 =Z-Z 當(dāng)電源上正下負時,VR1 VR2 輸出仍下正上負 所以：當(dāng)銜鐵上移時，輸出下正上負，其大小與位移相關(guān),同理：如銜鐵下移：Z1 =Z-Z Z2 =Z+Z 當(dāng)電源上正下負時,VR1 VR2 輸出上正下負 當(dāng)電源上負下正時,VR1 VR2 輸出仍上正下負 所以：當(dāng)銜鐵下移時，輸出上正下負，其大小與位 移相關(guān),使用相敏整流，輸出電壓U0能反映銜鐵位移的大小和方向。,非相敏整流和相敏整流電路輸出電壓比較 (a) 非相敏整流電

10、路； （b） 相敏整流電路,使用相敏整流,輸出電壓U0不僅能反映銜鐵位移的大小和方向,而且還消除零點殘余電壓的影響。,相敏檢波電路(補充),5.2 互感式傳感器,互感式傳感器把被測量變化轉(zhuǎn)換為互感變化 差動變壓器式傳感器次級繞組用差動形式 結(jié)構(gòu)特點：1）根據(jù)變壓器的基本原理制成的； 2）次級繞組用差動的形式連接，故稱之為差動變壓器式傳感器。 結(jié)構(gòu)：變隙式、變面積式、螺線管式(實際應(yīng)用) 優(yōu)點：測量精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠,差動變壓器式傳感器特點 1.精度高(0.1um數(shù)量級,最高可達0.01um) 2.線性范圍大(可達100mm) 3.穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便 4.因包含機械結(jié)

11、構(gòu),頻率響應(yīng)較低,不宜測量高頻動態(tài)參量 廣泛應(yīng)用于直線位移,或能轉(zhuǎn)換為位移變化的壓力、重量等參數(shù)測量。,差動式變壓器式傳感器,差分變壓器傳感器產(chǎn)品,TD1油動機行程閥位位移傳感器,交流差分變壓器式角位移傳感器,GA系列差分變壓器位移傳感器,差動變壓器原理動畫演示,5.2.1 螺線管差動變壓器工作原理,14,5-7,螺線管式差動變壓器,5.2.1螺線管式差動變壓器工作原理,銜鐵在平衡位置時 活動銜鐵向上移動時,由于磁阻的影響, w2a中磁通將大于w2b, 使M1M2 ， 反之 即：當(dāng)銜鐵位移發(fā)生變化時，輸出電壓會隨之發(fā)生變化,螺線管式差動變壓器基本特性,螺線管式差動變壓器基本特性,銜鐵在中間位置

12、時，M1=M2=M，故U2=0 活動銜鐵向上移動時, M1=M+M M2=M-M 與同極性 活動銜鐵向下移動時, M1=M-M M2=M+M 與同極性 輸出特點：輸出(交流電壓)幅值與銜鐵偏移量成正比;銜鐵過平衡點時, 相位改變180度。,零點殘余電壓,圖5-9 差動變壓器輸出電壓的特性曲線,零點殘余電壓主要是由傳感器的兩次級繞組的電氣參數(shù)與幾何尺寸不對稱，以及磁性材料的非線性等問題引起的。（基波、高次諧波）,傳感器輸出電壓反映了位移的大小及方向,但因為交流信號,只有接入相應(yīng)電路(相敏檢波、差動整流等),才能提取這兩種信息。 傳感器輸出存在一定的零點殘余電壓,即銜鐵位于中間位置時輸出不為零。因

13、此,其后接電路應(yīng)采用既能反映鐵心位移大小及極性,又能補償零點殘余電壓的差動直流輸出電路。,5.2.2 差動變壓器式測量電路(補充),差動變壓器式測量電路(補充),兩個目的： 1.辨別移動方向 2.消除零點殘余電壓 兩種方法： 1.差動整流電路 2.相敏檢波電路,轉(zhuǎn)換電路,能辨別移動方向 消除零點殘余電壓 （1）差動整流電路 （2）相敏檢波電路 （3）直流差動變壓器電路,（1）差動整流電路,(a)、(b)適用于高阻抗負載 (c)、(d)適用于低阻抗負載 電阻R0用于調(diào)整零點殘余電壓。,差動整流電路：把差動變壓器的兩個次級輸出電壓分別整流, 然后將整流的電壓或電流的差值作為輸出。,圖5-10 電壓

14、輸出型全波整流電路,銜鐵在零位 因U24=U68 , 所以U2=0; 銜鐵在零位以上 因為U24U68, 則U20; 銜鐵在零位以下 因U24U68, 則U20 。 ,從電路圖（c）結(jié)構(gòu)可知, 不論兩個次級線圈的輸出瞬時電壓極性如何, 流經(jīng)電容C1的電流方向總是從 2 到 4, 流經(jīng)電容C2的電流方向從6到8, 故整流電路的輸出電壓U2=U24-U68,差動整流電路特點： 1) 結(jié)構(gòu)簡單 2) 無需進行相位調(diào)整 3) 無需考慮零點殘余電壓的影響 4) 分布電容影響小 5) 便于遠傳,差動整流電路(補充),（2）相敏檢波電路(補充),（a）相敏檢波電路原理圖； （b）us、u2為正半周時等效電路

15、；(c) us、u2為負半周時等效電路,條件：us的幅值要遠大于輸入信號u2的幅值, 以便有效控制四個二極管的導(dǎo)通狀態(tài), us和差動變壓器式傳感器激磁電壓u1由同一振蕩器供電， 保證二者同頻、同相（或反相）。,相敏檢波電路波形,(a）被測位移變化波形圖； (b)差動變壓器激勵電壓波形； (c) 差動變壓器輸出電壓波形； (d)相敏檢波解調(diào)電壓波形； (e)相敏檢波輸出電壓波形,由圖 （a）、（c）、 (d)可知, 當(dāng)位移x 0時, u2與us同頻同相, 當(dāng)位移x 0時, u2與us 同頻反相。,當(dāng)x 0時, u2與us為同頻同相, 當(dāng)u2與us均為正半周時, 見圖 (a）, 環(huán)形電橋中二極管V

16、D1、D4截止, VD2、VD3導(dǎo)通, 則可得圖 （b）的等效電路.,根據(jù)變壓器的工作原理, 考慮到O、M分別為變壓器T1、 T2的中心抽頭, 則有 us1= us2= u21= u22=,式中 n1, n2為變壓器T1、T2的變比。采用電路分析的基本方法, 可求得圖 （b）所示電路的輸出電壓uo的表達式:,同理當(dāng)u2與us均為負半周時, 二極管VD2、VD3截止, VD1、 VD4導(dǎo)通。 其等效電路如圖 （c）所示, 輸出電壓uo 表達式與上式相同, 說明只要位移x0, 不論u2與u0是正半周還是負半周，負載RL兩端得到的電壓u0始終為正。,當(dāng)x0時,u2與us為同頻反相。采用上述相同的分析

17、方法不難得到當(dāng)x0時, 不論u2與u0是正半周還是負半周, 負載電阻RL兩端得到的輸出電壓uo表達式總是為,結(jié)論：相敏檢波電路輸出電壓uo的變化規(guī)律充分反映了被測位移量的變化規(guī)律, 即uo的值反映位移x的大小, 而uo的極性則反映了位移x的方向。,（3）直流差動變壓器電路(補充),應(yīng)用場合： 需要遠距離測量，便攜，防爆及同時使用若干個差動變壓器， 且需避免相互間或?qū)ζ渌鼉x器設(shè)備產(chǎn)生干擾的場合 。,鋼板厚度的測量,差動變壓器式傳感器（互感式） 應(yīng)用舉例,差動變壓器式傳感器可直接用于位移測量， 也可以用來測量與位移有關(guān)的任何機械量， 如振動，加速度，應(yīng)變等等。,（1）壓差計 當(dāng)壓差變化時，腔內(nèi) 膜

18、片位移使差動變壓器次 級電壓發(fā)生變化，輸出與 位移成正比，與壓差成正 比。,差動變壓器式傳感器（互感式） 應(yīng)用舉例,（2）液位測量 沉筒式液位計將水位變化轉(zhuǎn)換成位移變化，再轉(zhuǎn)換為電感的變化，差動變壓器的輸出反映液位高低。,差動變壓器式傳感器（互感式） 應(yīng)用舉例,（3）電感測厚儀 L1、L2是電感器傳感器的兩個線圈作為兩個橋臂； 四只二極管D1-D4組成相敏整流器； RP1調(diào)零電位器，RP2調(diào)電流表M滿度；,被測厚度正常時 電橋平衡無電流， 被測厚度變化時 電流M表方向偏轉(zhuǎn) 根據(jù)電流方向確定銜鐵移動方向。,5.3 電渦流式傳感器,由法拉第電磁感應(yīng)原理可知：一個塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場中或在磁場

19、中作用切割磁力線運動時，導(dǎo)體內(nèi)部會產(chǎn)生一圈圈閉和的電流，這種電流叫電渦流，這種現(xiàn)象叫做電渦流效應(yīng)。 根據(jù)電渦流效應(yīng)制作的傳感器稱電渦流傳感器; 電渦流傳感器能夠?qū)Ρ粶y量進行非接觸測量; 形成電渦流必須具備兩個條件： 存在交變磁場 導(dǎo)電體處于交變磁場中,電渦流在我們?nèi)粘Ｉ钪袘?yīng)用,干凈、高效的電磁爐,電渦流探雷器,電感變化程度取于線圈L的外形尺寸，線圈L至金屬板之間的距離， 金屬板材料的電阻率和磁導(dǎo)率 以及的頻率等,5.3 電渦流式傳感器,1.工作原理,22,傳感器等效阻抗發(fā)生變化,若改變距離x,可將位移變化轉(zhuǎn)換為線圈自感變化,通過測量電路變?yōu)殡妷狠敵?；?)改變,可進行探傷或材質(zhì)鑒別等。,電渦

20、流效應(yīng)動畫演示,2、電渦流式傳感等效電路分析,根據(jù)渦流的分布，可以把渦流所在范圍近似看成一個單匝短路次級線圈。當(dāng)線圈靠近金屬導(dǎo)體時，次級線圈通過互感 M 對初級作用。,等效電路的兩個回路方程（基爾霍夫第二定律）：,等效電感為：,解方程得到傳感器的等效阻抗,等效電阻為：,電磁爐內(nèi)部的勵磁線圈,電磁爐的工作原理圖,渦流式電感傳感器分為高頻反射式和低頻透射式。 1.高頻反射式：高頻(1MHz)激勵電流,應(yīng)用： 用于位移及與位移有關(guān)的厚度、振動等測量。,5.3電渦流式傳感器,2.低頻透射式：低頻(20kHz)激勵電流,應(yīng)用： 用于測定材料厚度,5.3電渦流式傳感器,原理簡化模型： 線圈與被測導(dǎo)體等效為

21、相互耦合的兩個線圈。,2.電渦流傳感器基本特性,5.3.2電渦流的徑向形成范圍,25,基本特性： 1.電渦流形成范圍：徑向為傳感器線圈外徑的1.82.5 倍范圍內(nèi),且分布不均勻;渦流貫穿深度有限,深度一般可用經(jīng)驗公式獲得：,圖5-15,電渦流強度與距離的關(guān)系,2.渦流強度與x的關(guān)系非線性,只有在x/ras 1(一般取 0.050.15)的范圍才能得到較好的線性、提高靈敏度。,26,5-16,應(yīng)用： 一般要求,被測金屬的最小尺寸大于傳感器線圈直徑的2倍；被測物為圓柱體時,其直徑要求大于線圈直徑的3.5倍。,優(yōu)點 1.非接觸測量,抗干擾能力強 2.靈敏度高 3.分辨率高,位移檢測范圍1mm10mm

22、,最高分辨率可達0.1%。 4.結(jié)構(gòu)簡單,使用方便,不受油液介質(zhì)影響。,5.3.4 電渦流式傳感器的應(yīng)用,缺點被測材料物理特性對測量結(jié)果有影響 1.被測物體的導(dǎo)電率越高，傳感器的靈敏度越高，在相同的量程下，其線性范圍越寬。 2.被測體的形狀影響測量結(jié)果。 當(dāng)被測物體的面積比傳感器檢測線圈面積大得多時,傳感器的靈敏度基本不發(fā)生變化;當(dāng)被測物體的面積為傳感器線圈面積的一半時,傳感器的靈敏度減少一半;更小時,傳感器的靈敏度顯著下降。 如被測物體為圓柱體,當(dāng)它的直徑D為傳感器線圈直徑的3.5倍以上時,不影響測量結(jié)果,當(dāng)D/d=1(d為傳感器線圈直徑)時,傳感器的靈敏度降低至70%。,5.3.4 電渦流

23、式傳感器的應(yīng)用,電渦流探頭外形,交變磁場,1電渦流式傳感器的結(jié)構(gòu),電渦流探頭內(nèi)部結(jié)構(gòu),1線圈 2線圈管架 3殼體 4輸出電纜 5接插件 6瓷罩,表25 CZF1系列傳感器的性能,分析上表請得出結(jié)論： 探頭的直徑與測量范圍及分辨力之間有何關(guān)系？,420mA電渦流位移傳感器外形圖,（3）傳感器外形,V系列電渦流位移傳感器外形圖,位移測量,(a) 汽輪機主軸的軸向位移測量示意圖 (b) 磨床換向閥、先導(dǎo)閥的位移測量示意圖 (c) 金屬試件的熱膨脹系數(shù)測量示意圖,振幅測量,(a)汽輪機和空氣壓縮機常用的監(jiān)控主軸的徑向振動的示意圖 (b)測量發(fā)動機渦輪葉片的振幅的示意圖 (c) 通常使用數(shù)個傳感器探頭并

24、排地安置在軸附近,電渦流傳感器典型應(yīng)用,5.3.4 電渦流式傳感器的應(yīng)用,電渦流傳感器典型應(yīng)用,5.3.4 電渦流式傳感器的應(yīng)用,5.3.4 電渦流式傳感器的應(yīng)用,電渦流傳感器探傷檢測動畫演示,汽輪機葉片測試,測轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)速n（單位為r/min）的計算公式為,電渦流傳感器轉(zhuǎn)速測量動畫演示,齒輪轉(zhuǎn)速測量示意圖,【例】下圖中，設(shè)齒數(shù)z =48，測得頻率 f=120Hz，求該齒輪的轉(zhuǎn)速n 。,用于ABS系統(tǒng)的速度傳感器,厚度測量,測量前，可先用電渦流測厚儀對標(biāo)準(zhǔn)厚度的鍍層和銅箔作出“厚度輸出”電壓的標(biāo)定曲線，以便測量時對照。,電渦流涂層厚度儀,電渦流傳感器測量厚度動畫演示,該測厚儀與前面鍍層測厚有何區(qū)

25、別？,其它應(yīng)用,電渦流傳感器計數(shù)動畫演示,電渦流傳感器軸心軌跡測量動畫演示,5-1 何為電感式傳感器？電感式傳感器分哪幾類？各有何特點？ 5-2 差動變壓器式傳感器的零點殘余電壓產(chǎn)生的原因是什么？怎樣減小和消除它的影響 5-3 電渦流的形成范圍和滲透深度與哪些因素有關(guān)？被測體對電渦流式傳感器的靈敏度有何影響？,思考題與習(xí)題,5-4 已知變氣隙電感傳感器的鐵芯截面積S=1.5cm2,磁路長度l=20cm,相對磁導(dǎo)率1=5000,氣隙寬度0=0.5cm,=0.1 mm, 真空磁導(dǎo)率0=410-7H/m,線圈匝數(shù)W=3000,求單端式傳感器的靈敏度(L/L0)/。若將其做成差動結(jié)構(gòu)形式,靈敏度將如何變化？,思考題與習(xí)題,如圖所示,旋轉(zhuǎn)的鐵圓盤周邊上有凸起部,設(shè)置磁鐵NS使其夾著凸起部。每當(dāng)凸起部轉(zhuǎn)到磁鐵中間時,因空隙長變窄,故磁通增加。這時在線圈接頭處感應(yīng)出的電壓,如圖(b)。轉(zhuǎn)速越大,e也越大(高度大)。這個裝置就是轉(zhuǎn)速傳感器,可用于測定汽車發(fā)動機的轉(zhuǎn)速。,使用自感式傳感器實例,使用差動變