传感器第3章课件

1、 电感式传感器是一种机电转换装置，电感式传感器是一种机电转换装置， 特别是在自动控制设备中广泛应用。特别是在自动控制设备中广泛应用。 电感式传感器利用电磁感应定律将被测电感式传感器利用电磁感应定律将被测 非电量（如位移、压力、流量、振动）非电量（如位移、压力、流量、振动） 转换为电感或互感的变化。转换为电感或互感的变化。 按传感器结构可分为：按传感器结构可分为： 自感式、互感式、电涡流式。自感式、互感式、电涡流式。 v 只要改变气隙厚度或气隙截面积就可以改变电感。只要改变气隙厚度或气隙截面积就可以改变电感。IN L MRIN MRNL2线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁 2202ANRNL RRRFM

2、RRF 222111ALALRFAR02 00220 ANL 0000111LL线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁 0, 00000112222 ANANLLL 00000122202LAN001 LL001/LLK时时，当当 1 0 .)1 (200001 LL时，当 10002 LL0, 0022200000222LANANLLL.)1 (2010002 LL001/LLK在实际使用中，常采用两个相同的传在实际使用中，常采用两个相同的传感线圈感线圈构成差动式自感传构成差动式自感传感器，两个线圈的感器，两个线圈的要要求完全相同。这种结构除了可以改善线性、求完全相同。这种结构除了可以改善线性、提高灵敏度

3、外，对温度变化、电源频率变提高灵敏度外，对温度变化、电源频率变化等的影响也可以进行补偿，从而减少了化等的影响也可以进行补偿，从而减少了外界影响造成的误差。外界影响造成的误差。43 32 21 13 31 14 41 12 23 344衔铁衔铁R1R2L2L1ACU0U)(20012ANL)(ANL 00222 .LL32000011 .LL30200021 02K .LLLL530000122 .12420000012LLLLLZCLRcReUoU)(2)(2)(2)2(021.2121.2110LjRLLjUUZZZZURRZZZUS值值很很高高时时：当当自自感感线线圈圈的的品品质质因因数数

4、SRLQ 002ACUU004LLUUACL/mH/mmACAUZZZU212B B点电位为点电位为2ACBUU 211202ZZZZUUUUUACBAAB 2ACU2ACU0U初始位置初始位置 衔铁下移衔铁下移 LjRLjUZZUZZZZUUACACAC42221210,ZZZ 210 ABU,ZZZ 2ZZZ1衔铁上移衔铁上移 ZZZ1ZZZ2）（184 40LLUUACAB)(2222212110LjRLjUZZUZZZZUUACACACv 把被测的非电量变化转换成为把被测的非电量变化转换成为 线圈互感量的变化的传感器称为线圈互感量的变化的传感器称为互感式传感器。互感式传感器。 这种传感

5、器根据变压器的基本这种传感器根据变压器的基本 原理制成，并将次级线圈绕组用原理制成，并将次级线圈绕组用 差动形式连接。差动形式连接。 差动变压器的结构形式较多，差动变压器的结构形式较多， 应用最多的是螺线管式差动变压应用最多的是螺线管式差动变压 器。它可测量器。它可测量1100mm1100mm范围内的范围内的 机械位移。机械位移。次次 级级次次 级级骨架骨架初初 级级衔衔 铁铁次次 级级次次 级级初初 级级 等效电路：等效电路： 两个次级线圈必须反相串联接，保证差动形式。两个次级线圈必须反相串联接，保证差动形式。 如果线圈完全对称并且衔铁处于中间位置时两线圈如果线圈完全对称并且衔铁处于中间位置

6、时两线圈 互感系数相等互感系数相等 电动势相等电动势相等 abMM22abEE0220abUEE差动输出电压为零：差动输出电压为零：u 可见可见: : 输出电压大小和符号反映了输出电压大小和符号反映了 铁心位移的大小和方向。铁心位移的大小和方向。当衔铁上下移动时，输出电压随衔铁位移变化。当衔铁上下移动时，输出电压随衔铁位移变化。22abEE00U 若衔铁上移若衔铁上移 22abEE00U 若衔铁下移若衔铁下移 由此得到输出电压有效值为由此得到输出电压有效值为 ：02211()()iabUMMURLv 可见输出电压与互感的差值有关可见输出电压与互感的差值有关21aaEj M I 21bbEj M

7、 I 根据电磁感应定律，次级感应电动势分别为根据电磁感应定律，次级感应电动势分别为 铁芯向右移，铁芯向右移， 输出与输出与E2a同极性；同极性； 铁芯向左移，铁芯向左移， 输出与输出与E2b同极性；同极性； u输出电压的幅值取决于线圈输出电压的幅值取决于线圈 互感即衔铁在线圈中移动的互感即衔铁在线圈中移动的 距离距离X X。UoUo与与Ui的相位由衔的相位由衔 铁的移动方向决定。铁的移动方向决定。 差动变压器输出电压和位移的关系差动变压器输出电压和位移的关系 差动变压器结构形式差动变压器结构形式 v 由于两个次级线圈绕组电由于两个次级线圈绕组电气系数气系数 （M M互感互感 L L电感电感 R

8、 R内内阻）不同，几何尺寸工艺上阻）不同，几何尺寸工艺上很难保证完全相同。实际的很难保证完全相同。实际的特性曲线，在零点上总有一特性曲线，在零点上总有一个最小的输出电压，这个铁个最小的输出电压，这个铁芯处于中间位置时最小不为芯处于中间位置时最小不为零的电压称为零点残余电压。零的电压称为零点残余电压。 差动变压器输出交流信号。为正确反映衔铁位移差动变压器输出交流信号。为正确反映衔铁位移 大小和方向，常采用差动整流电路和相敏检波电路。大小和方向，常采用差动整流电路和相敏检波电路。 （1 1）差动整流电路）差动整流电路 ，输入一交流信号时输入一交流信号时（a）相敏检波电路原理图；（b）us、u2为正

9、半周时等效电路；(c) us、u2为负半周时等效电路 上一页返 回下一页 (a）被测位移变化波形图；(b)差动变压器激励电压波形；(c) 差动变压器输出电压波形；(d)相敏检波解调电压波形；(e)相敏检波输出电压波形上一页返 回下一页轴向式电感轴向式电感 测微器的外形测微器的外形 航空插头航空插头红宝石测头红宝石测头圆柱滚子圆柱滚子滑道滑道分选仓位分选仓位轴承滚子外形轴承滚子外形（参考中原量仪股份有限公司资料）（参考中原量仪股份有限公司资料）滑道滑道11个分选仓位个分选仓位（参考无锡市通达滚（参考无锡市通达滚子有限公司资料）子有限公司资料）废料仓废料仓仿形头仿形头主主轴轴旋转盘旋转盘420mA

10、 在上一张图中，若取样电阻在上一张图中，若取样电阻RL =500.0 ，则对应于则对应于420mA的输出电流，输出电压的输出电流，输出电压Uo为为210V。 当电涡流线当电涡流线圈与金属板的距圈与金属板的距离离x 减小时，电减小时，电涡流线圈的等效涡流线圈的等效电感电感L 减小，等减小，等效电阻效电阻R 增大。增大。感抗感抗XL 的变化比的变化比 R 的变化的变化 大大 得得 多，流过电涡流多，流过电涡流线圈的电流线圈的电流 i1 增增大。大。 图图4-1是电涡流传感器工作原理示意图。当高频是电涡流传感器工作原理示意图。当高频（100kHz左右）信号源产生的高频电压施加到一个靠左右）信号源产生

11、的高频电压施加到一个靠近金属导体附近的电感线圈近金属导体附近的电感线圈L1时，将产生高频磁场时，将产生高频磁场H1。如被测导体置于该交变磁场范围之内时，被测导体就如被测导体置于该交变磁场范围之内时，被测导体就产生电涡流产生电涡流i2。i2在金属导体的纵深方向并不是均匀分在金属导体的纵深方向并不是均匀分布的，而只集中在金属导体的表面，这称为集肤效应布的，而只集中在金属导体的表面，这称为集肤效应（也称趋肤效应）。（也称趋肤效应）。 电涡流线圈受电涡流影响时的等效阻抗电涡流线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的的函数表达式为：函数表达式为： Z=R+jL=f（i1、f、 、 、r、x） （4-1） 如果控

12、制上式中的如果控制上式中的i1、f、 、 、r不变，电不变，电涡流线圈的阻抗涡流线圈的阻抗Z就成为哪个非电量的单值函数？就成为哪个非电量的单值函数？属于接触式测量还是非接触式测量？属于接触式测量还是非接触式测量？ 间距间距x的测量：的测量：如果控制上式中的如果控制上式中的i1、f、 、 、r不不变，电涡流线圈的阻抗变，电涡流线圈的阻抗Z就成为间距就成为间距x的单值函数，这的单值函数，这样就成为非接触地测量位移的传感器。样就成为非接触地测量位移的传感器。 多种用途：多种用途：如果控制如果控制x、i1、f不变，就可以用来检不变，就可以用来检测与表面电导率测与表面电导率 有关的有关的表面温度、表面裂

13、纹等参数表面温度、表面裂纹等参数，或者用来检测与材料磁导率或者用来检测与材料磁导率 有关的有关的材料型号、表面硬材料型号、表面硬度度等参数。等参数。 电涡流位移传感器是一种输出为电涡流位移传感器是一种输出为模拟量模拟量的的电子器件。当金属物体接近此感应面时，金属电子器件。当金属物体接近此感应面时，金属表面将吸取电涡流探头中的高频振荡能量，使表面将吸取电涡流探头中的高频振荡能量，使振荡器的输出幅度线性地衰减，根据振荡器的输出幅度线性地衰减，根据衰减量的衰减量的变化变化或或振荡频率振荡频率的变化，可地计算出与被检物的变化，可地计算出与被检物体的距离、振动等参数。这种位移传感器属于体的距离、振动等参数。这种位移传感器属于非接触测量非接触测量，工作时不受灰尘等因素的影响，工作时不受灰尘等因素的影响，可在各种恶劣条件下使用。可在各种恶劣条件下使用。数显数显位移测量仪及探头位移测量仪及探头导向辊的材料可以用导向辊的材料可以用金属制