传感器原理及应用第4章电感式传感器.ppt

4.1 变磁阻式传感器 4.2 差动变压器式传感器 4.3 电涡流式传感器,4 电感式传感器,4.1 电感式传感器,利用电磁感应原理将被测非电量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈自感量L或互感量M的变化,再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出, 这种装置称为电感式传感器。 自感式、互感式和电涡流式三种传感器,概述,各种电感式传感器,概述 电感式传感器应用,电感传感器测量滚珠直径，实现按误差分装筛选,4.1 变磁阻式传感器,4.1 工作原理 由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。 当衔铁移动时, 气隙厚度发生改变, 引起磁路中磁阻变化, 导致电感线圈的电感值变化, 测出电感量的变化, 就能确定衔铁位移量的大小和方向。,1线圈； 2铁芯（定铁芯）；3衔铁（动铁芯）,图4-1 变磁阻式传感器, 总磁链; I 电流; w 匝数; 磁通。 磁路欧姆定律, 得 ,电感定义, 线圈中电感量为:,Rm总磁阻。忽略磁路磁损, 总磁阻为 Rm= 1铁芯导磁率; 2衔铁导磁率; L1铁芯的长度; ,L2衔铁的长度; S1铁芯的截面积; S2衔铁的截面积; S0气隙的截面积; 气隙的厚度。 0 空气的导磁率;,气隙磁阻大于铁芯和衔铁的磁阻, Rm可近似为Rm =, 电感L是磁阻Rm的函数, 改变或S0可导致电感变化.变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度的传感器和变气隙面积0的传感器。变气隙厚度式电感传感器使用最广泛。 ,可得,4.1.2 输出特性 设初始气隙为0, 初始电感量为L0, 衔铁位移引起的气隙变化量为, L 与之间是非线性关系.,图4-2 变隙式电感传感器的L-特性,当衔铁上移时, 传感器气隙减小, 即=0-, 输出电感为L = L0+L, 得,初始电感量为,当/01时, 用台劳级数展开成级数形式为 L = L0+L =,可求得电感增量L和相对增量L/ L0的表达式,衔铁下移时, 传感器气隙增大, 即=0+, 输出电感为L = L0-L, 这时有:,经过作线性处理，忽略高次项, 可得 灵敏度为 ,单线圈式变间隙式电感传感器用于测量微小位移时比较精确。,差动变隙式电感传感器由两个相同的电感线圈、和磁路组成, 测量时, 衔铁通过导杆与被测位移量相连, 当被测体上下移动时, 导杆带动衔铁也以相同的位移上下移动。,使两个磁回路中磁阻发生大小相等, 方向相反的变化, 导致一个线圈的电感量增加, 另一个线圈的电感量减小, 形成差动形式。,图4-3 差动变隙式电感传感器,当差动使用时, 两个电感线圈接成交流电桥的相邻桥臂, 另两个桥臂由电阻组成, 电桥输出电压与L有关. 表达式为 L = L1+L2,进行线性处理，忽略高次项得,灵敏度K0为,可以得到如下结论: 差动式比单线圈式的灵敏度高一倍。 差动式的线性度得到明显改善。构成差动 的两个变隙式电感传感器在结构尺寸、 材 料、电气参数等方面均应完全一致。,4.1.3 测量电路 测量电路有交流电桥式、 交流变压器式以及谐振式等。,1电感式传感器的等效电路 线圈电感：有功分量和无功分量. 有功分量包括：线圈线绕电阻和涡流损耗电 阻及磁滞损耗电阻。 无功分量包含：线圈的自感L，绕线间分布电 容C。,图4-4 电感式传感器的等效电路,图4-4中,L为线圈的自感,R为折合有功电阻的总电阻 ,C为并联寄生电容 . 上图的等效线圈阻抗为,将上式有理化并应用品质因数 , 可得,当 且 时,上式可近似为,则 并联电容的存在，使有效串联损耗电阻及有效电感增加，有效Q值减小.,2. 交流电桥式测量电路 传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂Z1和Z2, 另外二个相邻的桥臂用纯电阻代替, 其输出电压 ,将 代入 得, 电桥输出电压与 有关.,图4-5 交流电桥测量电路 图46 变压器式交流电桥,3. 变压器式交流电桥 电桥两臂Z1、Z2为传感器线圈阻抗, 另外两桥臂为交流变压器次级线圈的1/2阻抗。负载阻抗为无穷大时, 桥路输出电压,传感器的衔铁处于中间位置, 即Z1= Z2=Z时有=0, 电桥平衡。 传感器衔铁上移时, 即Z1=Z+Z, Z2=Z-Z, 此时,传感器衔铁下移时, 则Z1=Z-Z, Z2=Z+Z, 此时 ,衔铁上下移动相同距离时, 输出电压的大小相等, 但方向相反. 由于 是交流电压,输出指示无法判断位移方向, 配合相敏检波电路来解决。,4. 谐振式测量电路 有谐振式调幅电路、谐振式调频电路.,图4-7 谐振式调幅电路 图4-8 谐振式调频电路,调幅电路，电感L与电容C, 变压器原边串联在一起, 接入交流电源, 变压器副边有电压输出, 幅值随着电感L变化。,调频电路的传感器电感L变化引起输出电压频率的变化。电感L和电容C接入振荡回路中, 振荡频率,当L变化时, 振荡频率随之变化, 根据f的大小可测出被测量的值。,4.1.4 应用 变隙式电感压力传感器: 由膜盒、铁芯、衔铁及线圈等组成.,当压力进入膜盒时, 膜盒的顶端在压力P的作用下产生与压力P大小成正比的位移。衔铁也发生移动, 使气隙发生变化, 流过线圈的电流发生相应的变化, 电流表指示值反映了被测压力的大小。,图4-9 变隙电感式传感器结构图,变隙式差动电感压力传感器由C形弹簧管、衔铁、铁芯和线圈等组成。,图4-10 变隙式差动电感压力传感器,被测压力进入C形弹簧管时, C形弹簧管产生变形,其自由端发生位移,带动与自由端连接成一体的衔铁运动,使线圈1和线圈2 中的电感发生大小相等、符号相反的变化,一个电感量增大,另一个电感量减小。 ,输出电压与被测压力之间成比例关系,只要检测仪表测量出输出电压,即可得知被测压力的大小。,4.1.2 差动变压器式传感器,把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化的传感器称为互感式传感器。 次级绕组用差动形式连接,差动变压器结构形式,有变隙式、变面积式和螺线管式 一、螺线管式差动变压器工作原理 由初级线圈, 两个次级线圈和铁芯等组成。 ,分为一节、二节、三节、四节和五节式等类型. 一节式灵敏度高, 三节式零点残余电压较小, 常采用的是二节式和三节式两类。,图4-11 差动变压器式传感器的结构示意图 （a）、（b）变隙式差动变压器 （c）、（d）螺线管式差动变压器 （e）、（f）变面积式差动变压器,1-活动衔铁；2导磁外壳； 3骨架；4匝数为w1的初级绕组；5匝数为w2a的次级绕组；6匝数为w2b的次级绕组 图4-12 螺线管式差动变压器结构,图413 线圈排列方式 (a)一节式；(b)二节式；(c)三节式；(d)四节式；(e)五节式,差动变压器式传感器中两个次级线圈反向串联, 当初级绕组w1加以激励电压 时,在两个次级绕组w2a和w2b中便会产生感应电势和 。,活动衔铁处于初始平衡位置时,两互感系数M1=M2。有 变压器两次级绕组反向串联, 因而 差动变压器输出电压为零。 ,图4-14 差动变压器等效电路,活动衔铁向上移动时,由于磁阻的影响, w2a中磁通将大于w2b, 使M1M2,因而增加, 而减小。反之, 增加, 减小。因为 , 所以当、 随着衔铁位移x变化时, 也必将随x变化。 ,当衔铁位于中心位置时, 差动变压器输出电压并不等于零,在零位移时的输出电压 称为零点残余电压: ,4-15 差动变压器的输出电压特性曲线,零点残余电压是由于几何尺寸不对称，材料的非线性。 由基波和高次谐波组成: 基波产生的原因是：两次级绕组的电气参数和几何尺寸不对称，感应电势的幅值不等、相位不同.,高次谐波中起主要作用的是三次谐波， 原因是由于材料磁化曲线的非线性(磁饱和、磁滞)。,二、 基本特性 次级开路时有 次级绕组中感应电势的表达式分别为:,两绕组反向串联, 次级开路, 可得: 输出电压的有效值为 ,(1) 活动衔铁处于中间位置时 M1=M2=M,故 (2) 活动衔铁向上移动时 M1=M+M M2=M-M 故, 与 同极性。 , (3) 活动衔铁向下移动时 M1=M-M M2=M+M 故 , 与 同极性。,三、差动变压器式传感器测量电路 输出的是交流电压, 交流电压表测量, 只能反映衔铁位移的大小, 不能反映移动方向。 采用差动整流电路和相敏检波电路。 ,1. 差动整流电路 把差动变压器的两个次级输出电压分别整流, 然后将整流的电压或电流的差值作为输出,图3-16 差动整流电路,流经电容C1的电流方向总是从2到4,流经电容C2的电流方向从6到8,整流电路的输出电压为 ,U2=U24-U68,衔铁在零位时,因为U24=U68 ,所以U2=0; 衔铁在零位以上时,因为U24U68,则U20; 衔铁在零位以下时,则有U24U68,则U20 。 U2的正负表示衔铁位移的方向。,差动整流电路 ，输入一交流信号时,差动整流电路分析动画演示： 差分整流上线圈上半周 差分整流上线圈下半周 差分整流下线圈上半周 差分整流下线圈下半周,2. 相敏检波电路 VD1、VD2、VD3、VD4为四个性能相同的二极管,以同一方向串联成一个闭合回路,形成环形电桥。 输入信号u2通过变压器T1加到环形电桥的一个对角线。,参考信号us通过变压器T2加入环形电桥的另一个对角线。 输出信号uL从变压器1与2的中心抽头引出。 平衡电阻R起限流作用, 避免二极管导通时变压器T2的次级电流过大。,图4-17 相敏检波电路,当位移x0时,u2与us同频同相, 当位移x0时,u2与us均为正半周时,环形电桥中二极管VD1、D4截止,VD2、VD3导通,则可得图（b）的等效电路。,图418 波形图,则有 us1= us2= u21= u22= 输出电压u0的表达式:,当u2与us均为负半周时, 二极管VD2、VD3截止, VD1、 VD4导通。 等效电路如图（c）所示, 输出电压uL 表达式与前式相同, 只要位移x0, 不论u2与us是正半周还是负半周，负载RL两端得到的电压uL始终为正。,当x0时,u2与us为同频反相。不论u2与us是正半周还是负半周, 负载电阻RL两端得到的输出电压uL表达式总是为,uL的值反映位移x的大小, 极性则反映了位移x的方向。,4、差动变压式传感器的应用 当被测体带动衔铁以x(t)振动时, 导致差动变压器的输出电压也按相同规律变化。 ,1悬梁臂；2差动变压器 图4-19 差动变压器式加速度传感器原理图,差动变压器传感器的应用,差动变压器式传感器可直接用于位移测量，也可以用来测量与位移有关的任何机械量，如振动，加速度，应变等等。,（1）压差计 当压差变化时，腔内膜片位移使差动变 器次级电压发生变化，输出与位移成正 比，与压差成正比。,（2）液位测量 沉筒式液位计将水位变化转换成位移变化，再转换为电感的变化，差动变压器的输出反映液位高低。,（3）电感测厚仪 L1、L2是电感器传感器的两个线圈作为 两个桥臂； 四只二极管D1-D4组成相敏整流器； RP1调零电位器，RP2调电流表M满度；,被测厚度正常时 电桥平衡无电流，被测厚度变化时电流M表方向偏转根据电流方向确定衔铁移动方向。,微压传感器,4.1.3 电涡流式传感器,法拉第电磁感应原理, 块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时, 导体内将产生感应电流, 电涡流, 称为电涡流效应。,根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。 分为高频反射式和低频透射式两类, 最大的特点是进行非接触式连续测量.,4.1.3.1 工作原理 根据法拉第定律, 当传感器线圈通以正弦交变电流 时, 线圈周围空间必然产生正弦交变磁场 , 使置于此磁场中的金属导体中感应电涡流 , 又产生新的交变磁场 。根据愣次定律, 的作用将反抗原磁场 , 导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。,图 4-20 电涡流传感器原理图,传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的函数关系式为 Z = F（ , ,r ,f ,x） r 线圈与被测体的尺寸因子.,保持上式中其它参数不变, 只改变其中一个参数, 传感器线圈阻抗Z就仅仅是这个参数的单值函数。通过与传感器配用的测量电路测出阻抗Z的变化量, 即可实现对该参数的测量。,4.1.3.2 基本特性 模型中把在被测金属导体上形成的电涡流等效成一个短路环, h由以下公式求得,1传感器线圈；2短路环；3被测金属导体 图421 电涡流传感器简化模型,根据简化模型, 可画出如图所示等效电路图。图中R2为电涡流短路环等效电阻, 其表达式为,根据基尔霍夫第二定律, 可列出如下方程：,1传感器线圈； 2电涡流短路环 图4-22 电涡流传感器等效电路,解得等效阻抗Z的表达式为 ,线圈的等效品质因数Q值 为 等效阻抗Z,等效品质因数Q,为电涡流基本特性。,4.1.3.3 电涡流形成范围 1. 电涡流的径向形成范围 电涡流密度是线圈与导体间距离x的函数和沿线圈半径方向r的函数。, 电涡流径向形成的范围大约在传感器线 圈外径ras的1.82.5 倍范围内, 分布不均匀 电涡流密度在短路环半径r=0处为零。 ,图4-23 电涡流密度J与半径r的关系曲线,电涡流最大值在r=ras附近的一个区域内。 可以用平均半径为ras（ras=（ri+ra）/2）的短路环来集中表示分散的电涡流（图中阴影部分）。,2. 电涡流强度与距离的关系 当x改变时, 电涡流密度发生变化, 电涡流强度随距离x的变化而变化。 电涡流强度为 ,表明: 电涡强度与距离x呈非线性关系, 随着x/ras的增加而减小。 当测量位移时, 在x/ras1(一般取 0.050.15)的范围才能得到较好的线性和较高的灵敏度。,图4-24 电涡流强度与距离归一化曲线,3. 电涡流的轴向贯穿深度 由于趋肤效应, 电涡流沿金属导体纵向的H1分布是不均匀的, 分布按指数规律衰减, 用下式表示： Jd =J0 e-d/h 密度主要分布在表面附近。 ,3.1.3.4 电涡流传感器测量电路 主要有调频式、调幅式电路两种。 1调频式电路,图4-25 调频式测量电路 （a）测量电路框图； （b）振荡电路,传感器线圈接入LC振荡回路，当传感器与被测导体距离x改变时，传感器的电感变化，导致振荡频率的变化，该变化的频率是距离x的函数，fL(x)，可由数字频率计直接测量,振荡器的频率为,2调幅式电路 由传感器线圈L、电容器C和石英晶体组成的晶体振荡电路。,图4-26 调幅式测量电路示意图,石英晶体振荡器起恒流源的作用，给谐振回路提供一个频率(fo)稳定的激励电流i。 LC回路输出电压为 U。 i。f(Z),L的数值随距离X的变化,输出电压随x而变化。 输出电压经放大、检波后，由指示仪表直接显示出x的大小。,4.1.3.5 电涡流传感器的应用,目前主要应用于测位移、振动、 转速、测 厚度、测材料、测温度、电涡流探伤。 特点：做非接触式测量。,应用 （1）测厚 ：低频透射式涡流厚度传感器 高频反射式涡流厚度传感器 （2）测转速 （3）测振动 （4）电涡流探伤,电涡流传感器,低频透射式涡流厚度传感器,电涡流金属板、带材厚度测量,涡流非导电材料厚度测量,涡流轴心轨迹测量,涡流转速测量,涡流振动测量,4.1.3.5 电涡流式传感器的应用 1. 低频透射式涡流厚度传感器 在被测金属的上方设有发射传感器线圈L1, 下方设有接收传感器线圈L2。在L1上加低频电压U1时, L1上产生交变磁通1, 若两线圈间无金属板, 则交变磁场直接耦合至L2中, L2产生感应电压U2。,将被测金属板放入两线圈之间, 则L1线圈产生的磁通将导致在金属板中产生电涡流。,此时磁场能量受到损耗, 到达L2的磁通将减弱为, 使L2产生的感应电压U2下降。 金属板越厚, 涡流损失就越大, U2电压就越小.可根据U2电压的大小得知被测金属板的厚度.,图4-27 透射式涡流厚度传感器结构原理图,2. 高频反射式涡流厚度传感器 两传感器的输出电压之和为2Uo数值不变。 如果被测带材厚度