第四章 电感式传感器传感器课件

1、第四章第四章 电感式传感器电感式传感器11第四章 电感式传感器 主要内容：主要内容： 自感式传感器结构、原理及其基本特性；自感式传感器结构、原理及其基本特性；自感式传感器的电桥测量电路的输出特性；自感式传感器的电桥测量电路的输出特性；差动变压器组成结构、工作原理、输出特性及其差动整流电差动变压器组成结构、工作原理、输出特性及其差动整流电 路和相敏检波电路的工作原理；路和相敏检波电路的工作原理；高频反射式电涡流式传感器的结构、工作原理及基本特性；高频反射式电涡流式传感器的结构、工作原理及基本特性；各类电感式传感器的典型应用（位移型传感器）。各类电感式传感器的典型应用（位移型传感器）。第四章第四章

2、 电感式传感器电感式传感器l 电感式传感器就是利用线圈电感式传感器就是利用线圈自感自感或或互感互感随被测量变化来实随被测量变化来实现测量的一种装置。现测量的一种装置。l 传感器的结构特征：具有线圈绕组传感器的结构特征：具有线圈绕组 自感式传感器（变自感自感式传感器（变自感L L）l 类型：类型： 差动变压器（变互感差动变压器（变互感M M） 电涡流式传感器（变自感电涡流式传感器（变自感L L）l 特点：灵敏度高、输出功率大、测量范围宽。但存在交流特点：灵敏度高、输出功率大、测量范围宽。但存在交流零位信号，不宜于高频动态测量。零位信号，不宜于高频动态测量。 概概 述述第四章第四章 电感式传感器电

3、感式传感器4.1 4.1 自感式自感式( (变磁阻变磁阻) )传感器传感器 由由2 2铁芯、铁芯、1 1线圈、线圈、 3 3衔铁及弹簧等组成。当衔铁移动时，衔铁及弹簧等组成。当衔铁移动时，气隙厚度气隙厚度发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致线圈发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致线圈的电感值变化。的电感值变化。一、工作原理一、工作原理： 式中：式中：N -线圈匝数线圈匝数 RM -磁路总磁阻磁路总磁阻2MMNN INNLIIRRMRIN（磁路欧姆定律）（磁路欧姆定律）线圈自感为线圈自感为: :第四章第四章 电感式传感器电感式传感器000022211122SSSlSlRM 若若 很小，且不考

4、虑磁路铁损，则磁路总磁阻为很小，且不考虑磁路铁损，则磁路总磁阻为: :铁芯磁导率远大于空气铁芯磁导率远大于空气的磁导率，因此铁芯磁的磁导率，因此铁芯磁阻远较气隙磁阻小阻远较气隙磁阻小则则线圈自感线圈自感L L为为：分类：分类：变气隙厚度变气隙厚度的电感式传感器；的电感式传感器；变气隙面积变气隙面积S S的电感式传感器；的电感式传感器；202SNL 第四章第四章 电感式传感器电感式传感器自感式电感传感器常见的形式自感式电感传感器常见的形式 1 1线圈线圈coilcoil ；2 2铁芯铁芯Magnetic coreMagnetic core ；3 3衔铁衔铁Moving coreMoving co

5、re变气隙式变气隙式变截面式变截面式螺线管式螺线管式第四章第四章 电感式传感器电感式传感器L=f（S）L=f（）L(S)当当0时，时，L为为，考虑导磁体的磁阻，考虑导磁体的磁阻，L L并不等于并不等于，而具有一定的数，而具有一定的数值，考虑导磁体的磁阻时特性曲线如图中虚线所示。值，考虑导磁体的磁阻时特性曲线如图中虚线所示。二、输出特性二、输出特性220SNL L L= =f f()()为非线性关系为非线性关系L Lf f( (S S) )的特性曲线为一直线。的特性曲线为一直线。第四章第四章 电感式传感器电感式传感器变气隙式自感传感器变气隙式自感传感器初始电感量为：初始电感量为：02002SNL

6、 若衔铁下移若衔铁下移： = 0+ 2200000002()2SNSNLLLL 自感的相对变化量为：自感的相对变化量为： 000011LL则电感减小，变化量为则电感减小，变化量为LL：第四章第四章 电感式传感器电感式传感器一般一般10 ，则上式则上式可由泰勒级可由泰勒级数数展开展开成成级级数形式为数形式为 .13020000LL忽略高次项，可得自感变化与气隙变化成忽略高次项，可得自感变化与气隙变化成近似线性关系近似线性关系： 00LL 变气隙式自感传感器的灵敏度为：变气隙式自感传感器的灵敏度为：001LLK灵敏度灵敏度K随初始气隙的增大而减小。随初始气隙的增大而减小。第四章第四章 电感式传感器

7、电感式传感器非线性误差为非线性误差为:%1000020可见可见非线性误差随非线性误差随 的增大而增大的增大而增大 存在矛盾：测量范围（大）、灵敏度（高）、线性度（小）相矛盾存在矛盾：测量范围（大）、灵敏度（高）、线性度（小）相矛盾因此变隙式常用于测量微小位移的场合，并且通常采用差动式因此变隙式常用于测量微小位移的场合，并且通常采用差动式100大小0第四章第四章 电感式传感器电感式传感器采用差动变隙式，可以减采用差动变隙式，可以减小非线性，提高灵敏度。小非线性，提高灵敏度。 220012020000122()2()1()SNSNLLLL 差动变隙式的电感变化量为：差动变隙式的电感变化量为：差动式

8、变气隙式自感传感器差动式变气隙式自感传感器第四章第四章 电感式传感器电感式传感器差动式电感传感器的电感差动式电感传感器的电感相对变化量相对变化量为：为：2000)(112LL当当10 ，上式展开成，上式展开成泰勒级泰勒级数：数：24000021.LL 忽略忽略高高次项次项，可，可得得:002LL差动变隙式灵敏度为差动变隙式灵敏度为：002LLK非线性误差为：非线性误差为：%10020030第四章第四章 电感式传感器电感式传感器差动式自感传感器的灵敏度比单线圈差动式自感传感器的灵敏度比单线圈传感器提高一倍传感器提高一倍差动式自感传感器非线性失真减小。差动式自感传感器非线性失真减小。如当如当/=1

9、0/=10时时 , , 单线圈单线圈1010；而差动式的；而差动式的 1 1采用差动式传感器，还能抵消温度变采用差动式传感器，还能抵消温度变化、电源波动、电磁吸力等因素对传感化、电源波动、电磁吸力等因素对传感器的影响。器的影响。 结论：结论：线 圈电 感电 感线 圈气 隙第四章第四章 电感式传感器电感式传感器1. 1. 电感式传感器的等效电路电感式传感器的等效电路 电感式传感器等效阻抗：电感式传感器等效阻抗： RCLZ2222)1 ()1 ()(LCLjLCRCjLjRCjLjRZ LjRZ2222)1 (;)1 (LCLLLCRRQ Q高时：高时： 由以上分析，并联电容由以上分析，并联电容C

10、 C的存在，会引起传感器性能的一系的存在，会引起传感器性能的一系列变化。因此，在实际测量中，若根据需要列变化。因此，在实际测量中，若根据需要更换了连接电缆线更换了连接电缆线的长度的长度，在高精度测量时应对传感器的灵敏度，在高精度测量时应对传感器的灵敏度重新进行标定重新进行标定。第四章第四章 电感式传感器电感式传感器 图图4-5 交流电桥式测量电路交流电桥式测量电路2.2.交流电桥式测量电路交流电桥式测量电路1Z2Z 图中传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂图中传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂 和和 ，另外两个相邻的桥臂用纯电阻代替。另外两个相邻的桥臂用纯电阻代替。 设设Z1=Z0+Z1, Z2

11、=Z0-Z2 Z1Z2= Z差动式的电桥输出电压差动式的电桥输出电压: :UZZZZU)(221210第四章第四章 电感式传感器电感式传感器 对于高对于高Q值值( )( )的差动式电感传感器，其输出电压为：的差动式电感传感器，其输出电压为： 000222oUZUjLULUZRj LL0LLQL R00()LL 002UU 其中：其中： 衔铁在中间位置时，单个线圈的电感衔铁在中间位置时，单个线圈的电感; R; R0 0为其损耗。为其损耗。 单线圈电感的变化量。单线圈电感的变化量。 将将 代入上式得代入上式得 ：第四章第四章 电感式传感器电感式传感器图中图中B B点的电压为：点的电压为：2BEU2

12、12AZUEZZ图中图中A A点的电压为：点的电压为：变压器式交流电桥变压器式交流电桥输出电压：输出电压：讨论：讨论：（1 1）当铁芯处于中间位置时，）当铁芯处于中间位置时，Z1=Z2=Z，这时，这时U0=0,电桥平衡；电桥平衡；（2）当铁芯向下移动时，）当铁芯向下移动时，Z2=Z+Z，Z1=Z-Z 得：得：12222SOSRjLZZZEUEEZZRj L EZZZZUUUBA)(221210第四章第四章 电感式传感器电感式传感器(3)(3)当铁芯向上移动同样大小的距离时，当铁芯向上移动同样大小的距离时，Z Z2 2=Z-Z, Z=Z-Z, Z1 1=Z+Z=Z+Z，得：，得： 01222ZZ

13、EZUEZZ 幅值为：幅值为：222222222SOSSLRLUEERLRL 输出电压幅值为输出电压幅值为:ELRLUsO222两种情况的输出电压相位相反，由于是交流电压，所以难以判两种情况的输出电压相位相反，由于是交流电压，所以难以判别位移方向。输出电压必须经过检波后才能判别位移方向。别位移方向。输出电压必须经过检波后才能判别位移方向。第四章第四章 电感式传感器电感式传感器4.4.谐振式测量电路谐振式测量电路(1)(1)调频电路调频电路 调频电路的基本原理是调频电路的基本原理是传感器电感变化引起输出电传感器电感变化引起输出电压频率的变化。压频率的变化。( )( )(2)(2)调幅电路调幅电路

14、调幅电路的基本原理是传感调幅电路的基本原理是传感器电感变化引起输出电压幅器电感变化引起输出电压幅值的变化。值的变化。L L0 0为谐振点的电感值为谐振点的电感值调幅电路调频电路谐振式电路1 2fLC第四章第四章 电感式传感器电感式传感器0U四、零点残余电压四、零点残余电压定义：定义：在衔铁处于中间位置时输出电压应为零，但实际不在衔铁处于中间位置时输出电压应为零，但实际不为零，存在某个输出值为零，存在某个输出值 ，这个不为零的电压称为零点残，这个不为零的电压称为零点残余电压。余电压。它使得传感器在零点附近不灵敏，限制了分辨率的提高。它使得传感器在零点附近不灵敏，限制了分辨率的提高。减小零点残余电

15、压采取的措施：减小零点残余电压采取的措施：1.1.设计和工艺上力求做到对称设计和工艺上力求做到对称电路上补偿电路上补偿第四章第四章 电感式传感器电感式传感器自感式压力传感器自感式压力传感器PA五、自感式电感传感器应用五、自感式电感传感器应用第四章第四章 电感式传感器电感式传感器P第四章第四章 电感式传感器电感式传感器4.2 4.2 差动变压器式传感器差动变压器式传感器(linear variable differential transformers(LVDTs)1 1 初级线圈初级线圈;2.3;2.3次级线圈次级线圈;4;4衔铁衔铁1243123( (a a) )气隙型气隙型( (b b)

16、)螺管型螺管型l 变变互感互感量的传感器。根据变压量的传感器。根据变压器的基本原理制成，次级绕组器的基本原理制成，次级绕组都用差动形式连接，故称为差都用差动形式连接，故称为差动变压器动变压器. .l 分为气隙式、变面积式和螺管分为气隙式、变面积式和螺管式等式等。 目前多采用螺管式。目前多采用螺管式。因为变因为变隙式行程很小隙式行程很小(l0(l00.5 mm)0.5 mm)， 结构也很复杂。结构也很复杂。l 它可以测量它可以测量1 1100mm100mm范围内的范围内的机械位移，并具有测量精度高，机械位移，并具有测量精度高，灵敏度高，结构简单，性能可灵敏度高，结构简单，性能可靠等优点靠等优点第

17、四章第四章 电感式传感器电感式传感器 1.1.螺线管式结构螺线管式结构: : 如图，由如图，由一个初级线圈一个初级线圈，两个次级线圈两个次级线圈和和插入线圈中央插入线圈中央的圆柱形铁芯的圆柱形铁芯等组成。等组成。- -活动衔铁；活动衔铁；- -导磁外壳；导磁外壳；- -骨架；骨架；- -匝数为匝数为 的初级绕组；的初级绕组；- -匝数为匝数为 的次级绕组；的次级绕组；- -匝数为匝数为 的次级绕组的次级绕组图图4.2 4.2 螺线管式差动变压器结构图螺线管式差动变压器结构图1W2aW2bW4.2.1 4.2.1 螺线管式差动变压器螺线管式差动变压器第四章第四章 电感式传感器电感式传感器 差动变

18、压器式传感器中差动变压器式传感器中两个次级线圈反向串联两个次级线圈反向串联，并且在忽，并且在忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下，其等略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下，其等效电路如下图所示。效电路如下图所示。iUr1ar1bL1aL1bL2aL2bbE2aE2r2ar2boURLMaMb二二. .基本特性基本特性差动变压器等效电路差动变压器等效电路第四章第四章 电感式传感器电感式传感器初级线圈初级线圈次级线圈次级线圈次级线圈输出电压：次级线圈输出电压：次级线圈输出电压有效值：次级线圈输出电压有效值：111LjRUI12IMjEaa12IMjEbb111220)()(LjR

19、UMMjIMMjEEUbababaUMMkULRMMUbaba)()()(21210iUr1ar1bL1aL1bL2aL2bbE2aE2r2ar2boURLMaMb第四章第四章 电感式传感器电感式传感器（1 1）初始位置，衔铁处于中间位置）初始位置，衔铁处于中间位置 （2 2）当衔铁上升）当衔铁上升 x xMMMaMMMb (3) (3) 当衔铁下降当衔铁下降 x xU0与与E2a同相同相 U0与与E2b同相同相 MMMa MMMb baMM ULRMEEUba2121220)(2ULRMU21210)(20)()(111220LjRUMMjIMMjEEUbababa看出输出电压看出输出电压U

20、0大小与极性反映衔铁位移的大小和方向。大小与极性反映衔铁位移的大小和方向。但由于但由于U0是交流电压，所以输出电压是交流电压，所以输出电压U0在输入到指示器前必须先进在输入到指示器前必须先进行整流、检波等。行整流、检波等。 第四章第四章 电感式传感器电感式传感器 差动变压器零点残余电压差动变压器零点残余电压 定义定义：在衔铁处于中间位置时输出电压应为零，但实际不为在衔铁处于中间位置时输出电压应为零，但实际不为零，存在某个输出值零，存在某个输出值 ，这个不为零的电压称为零点残余，这个不为零的电压称为零点残余电压。它是衡量差动变压器质量的重要指标。电压。它是衡量差动变压器质量的重要指标。0U第四章

21、第四章 电感式传感器电感式传感器3-14 3-14 差动变压器输出电压特性曲线差动变压器输出电压特性曲线第四章第四章 电感式传感器电感式传感器 差动变压器输出是一个调幅波，幅值随衔铁的位移变化差动变压器输出是一个调幅波，幅值随衔铁的位移变化, ,用交流电压表测量存在下述问题：用交流电压表测量存在下述问题： (1)(1)交流电压表无法判别衔铁移动方向交流电压表无法判别衔铁移动方向; ; (2) (2)总有零位电压输出总有零位电压输出, ,因而零位附近的小位移测量困难。因而零位附近的小位移测量困难。 4.2.3 4.2.3 差动变压器的测量电路差动变压器的测量电路解决办法：解决办法：1.1.差动整

22、流电路差动整流电路 2.2.相敏检测电路相敏检测电路4.2.2 4.2.2 变隙式差动变压器变隙式差动变压器（自学）（自学）第四章第四章 电感式传感器电感式传感器1.1.差动整流电路差动整流电路 把差动变压器两个次级电压分别整流后，以它们的差作把差动变压器两个次级电压分别整流后，以它们的差作为输出。是最常用的测量电路形式。为输出。是最常用的测量电路形式。 有有电压输出型电压输出型整流电路，如图整流电路，如图(a)(a)、图、图(b)(b)用在连接高阻抗负载用在连接高阻抗负载( (如数字电压表如数字电压表) )的场合；的场合； 有有电流输出型电流输出型整流电路，如图整流电路，如图(c)(c)、图

23、、图(d)(d)用在连接低阻抗负载用在连接低阻抗负载( (如动圈式电流表如动圈式电流表) )的场合。的场合。 差动变压器灵敏度较高，一般满量程输出电压可达几伏，差动变压器灵敏度较高，一般满量程输出电压可达几伏，在要求不高时，可直接接入整流电路。常用的差动整流电路在要求不高时，可直接接入整流电路。常用的差动整流电路如图所示。如图所示。第四章第四章 电感式传感器电感式传感器(a)(a)半波电压输出；半波电压输出；(c)(c)半波电流输出；半波电流输出；(b)(b)全波电压输出；全波电压输出；(d)(d)全波电流输出全波电流输出第四章第四章 电感式传感器电感式传感器差动整流电路差动整流电路衔铁在衔铁

24、在零位以上零位以上e上ttte上ttte上te下tU2te下U2U2e下衔铁在衔铁在零位以上零位以上衔铁在衔铁在零位零位第四章第四章 电感式传感器电感式传感器输入信号输入信号u u2 2 : :差动变压器差动变压器式传感器输出的调幅波电式传感器输出的调幅波电压。压。参考信号参考信号u us s : u : us s 和差动和差动变压器激磁电压变压器激磁电压u u1 1由同一由同一振荡器供电。振荡器供电。2.2.相敏检波电路相敏检波电路（1 1）四个性能相同的二极管，以同一方向串联成一个闭合回路，四个性能相同的二极管，以同一方向串联成一个闭合回路，形成环形电桥形成环形电桥输出信号输出信号u uo

25、 o ：输出信号为一：输出信号为一直流信号直流信号，其方向反映铁芯位移方，其方向反映铁芯位移方 向，其大小表示铁芯位移的大小向，其大小表示铁芯位移的大小。第四章第四章 电感式传感器电感式传感器（2）相敏检波电路工作条件：）相敏检波电路工作条件：l us的幅值要远大于输入信号的幅值要远大于输入信号u2 的幅值，以便有效控制的幅值，以便有效控制四个二极管的导通状态。四个二极管的导通状态。l us 和差动变压器式传感器激磁电压和差动变压器式传感器激磁电压u1由同一振荡器供由同一振荡器供电，保证二者电，保证二者同频、同相同频、同相（或反相）（或反相）（3 3）工作分析：）工作分析：当位移当位移x 0

26、时，时，u2与与us同频同相同频同相 ( (图见图见p76p76图图4-19)4-19)第四章第四章 电感式传感器电感式传感器第四章第四章 电感式传感器电感式传感器当位移当位移 时时 u u2 2与与u us s同频反相同频反相 当当u u2 2与与u us s均为正半周时均为正半周时, ,V VD1D1、V VD4D4截止截止 M M点点+ +V VD2D2、V VD3D3导通导通 O O点点- -当当u u2 2与与u us s均为负半周时均为负半周时, , V VD2D2、V VD3D3截止截止 M M点点+ +V VD1D1、V VD4D4导通导通 O O点点- - 当当u us s均

27、为正半周时均为正半周时, ,V VD1D1、V VD4D4截止截止 M M点点- -V VD2D2、V VD3D3导通导通 O O点点+ +当当u us s均为负半周时均为负半周时, ,V VD2D2、V VD3D3截止截止 M M点点- -V VD1D1、V VD4D4导通导通 O O点点+ + 0 x可见：输出信号电压方向反映铁芯位移方向，其大小表示铁可见：输出信号电压方向反映铁芯位移方向，其大小表示铁芯位移的大小芯位移的大小第四章第四章 电感式传感器电感式传感器第四章第四章 电感式传感器电感式传感器 (a)(a)被测位移变化波形图被测位移变化波形图 (b)(b)差动变压器激励电压波形差动

28、变压器激励电压波形 (c)(c)差动变压器输出电压波形差动变压器输出电压波形 (d)(d)相敏检波解调电压波形相敏检波解调电压波形 (e)(e)相敏检波输出电压波形相敏检波输出电压波形(a)(a)(e)(e)(d)(d)(c)(c)(b)(b)图图4-10 4-10 波形图波形图第四章第四章 电感式传感器电感式传感器相敏检波电路相敏检波电路移相器移相器第四章第四章 电感式传感器电感式传感器4.2.4 4.2.4 差动变压器式传感器的应用差动变压器式传感器的应用1位移测量位移测量 浮子铁芯液罐 它可以作为精密测量仪的主要部它可以作为精密测量仪的主要部件，对零件进行多种精密测量工作，件，对零件进行

29、多种精密测量工作，如内径、外径、不平行度、粗糙度、如内径、外径、不平行度、粗糙度、不垂直度、振摆、偏心和椭圆度等。不垂直度、振摆、偏心和椭圆度等。 图为图为。当某一设定。当某一设定液位使铁芯处于中心位置时，差动变液位使铁芯处于中心位置时，差动变压器输出信号压器输出信号Uo=0Uo=0；当液位上升或下；当液位上升或下降时，降时，UoUo 0 0，通过相应的测量电路便，通过相应的测量电路便能确定液位的高低。能确定液位的高低。 差动变压器差动变压器测量的基本量是位移，测量的基本量是位移，也可以测量与位移有关的也可以测量与位移有关的任何机械量，如振动、加速度、应变、比重、张力和厚度等。任何机械量，如振

30、动、加速度、应变、比重、张力和厚度等。第四章第四章 电感式传感器电感式传感器2振动和加速度测量振动和加速度测量 利用差动变压器加上悬臂梁弹性支承可构成加速度计。利用差动变压器加上悬臂梁弹性支承可构成加速度计。为了满足测量精度，加速度计的固有频率应比被测频率上为了满足测量精度，加速度计的固有频率应比被测频率上限大限大35倍。倍。 差动变压器加速度计结构及其测量电路框图差动变压器加速度计结构及其测量电路框图(a)结构；结构；(b)测量电路框图测量电路框图1-弹性支承；弹性支承；2-差动变压器差动变压器输出被测加速度方向振荡器稳压电源检波器滤波器第四章第四章 电感式传感器电感式传感器3压力测量压力测

31、量 差动变压器和弹性敏感元件组合，可以组成开环压力传差动变压器和弹性敏感元件组合，可以组成开环压力传感器。由于差动变压器输出是标准信号，常称为变送器。感器。由于差动变压器输出是标准信号，常称为变送器。(a)微压变送器；微压变送器； (b)测量电路框图测量电路框图 1-接头；接头；2-膜盒；膜盒；3-底座；底座；4-线路板；线路板；5-差曲变压器线圈；差曲变压器线圈；6-衔铁；衔铁；7-罩光；罩光；8-插头；插头；9-通孔通孔第四章第四章 电感式传感器电感式传感器4.4.不圆度计不圆度计 该圆度计采用该圆度计采用旁向式电感测微头旁向式电感测微头第四章第四章 电感式传感器电感式传感器 电感式不圆度

32、测量系统外形电感式不圆度测量系统外形测量头测量头旋转盘旋转盘第四章第四章 电感式传感器电感式传感器5. 5. 电感式滚柱直径分选装置电感式滚柱直径分选装置 1 1气缸气缸 2 2活塞活塞 3 3推杆推杆 4 4被测滚柱被测滚柱 5 5落料管落料管 6 6电感测电感测微器微器 7 7钨钢测头钨钢测头 8 8限位挡板限位挡板 9 9电磁翻板电磁翻板 1010容器（料斗）容器（料斗） 第四章第四章 电感式传感器电感式传感器l 电涡流效应：电涡流效应：成块金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割成块金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线的运动时磁力线的运动时, ,导体内将产生旋涡状的感应电流导

33、体内将产生旋涡状的感应电流, ,这电流称这电流称电涡电涡流流, ,这现象称这现象称电涡流效应电涡流效应。l 电涡流传感器电涡流传感器 (线圈线圈-金属导体系统金属导体系统)就是一种基于电涡流效应原就是一种基于电涡流效应原理的传感器。理的传感器。l 应用：应用：测量位移、厚度、表面温度、测量位移、厚度、表面温度、转速转速、应力、材料损伤等，、应力、材料损伤等，还可制作接近开关还可制作接近开关l 特点：特点：体积小、灵敏度高、频率响应宽，可实现体积小、灵敏度高、频率响应宽，可实现非接触非接触连续测量连续测量l 类型：类型：在金属导体内产生的电涡流存在趋肤效应，根据电涡流在在金属导体内产生的电涡流存

34、在趋肤效应，根据电涡流在导体内的渗透情况分为：导体内的渗透情况分为：高频反射式（应用广泛）高频反射式（应用广泛）、低频透射式、低频透射式 4.3 4.3 涡流式传感器涡流式传感器( (Eddy current sensors) )第四章第四章 电感式传感器电感式传感器4.3.1 4.3.1 高频反射式电涡流传感器工作原理高频反射式电涡流传感器工作原理1234561- 线圈线圈 2 -框架框架 3- 衬套衬套4 -支架支架 5 -电缆电缆 6 -插头插头电涡流传感器实质是一个电涡流传感器实质是一个线圈线圈- -导体系统导体系统。线圈线圈导体系统导体系统由传感器线圈和被测导体组成：由传感器线圈和被

35、测导体组成： 线圈线圈导体系统导体系统第四章第四章 电感式传感器电感式传感器 如图：当传感器线圈通交变电流如图：当传感器线圈通交变电流i1i1 交变磁场交变磁场H1 H1 金属金属板中将产生感应电动势板中将产生感应电动势 电涡流电涡流i2 i2 磁场磁场H2 H2 H2H2对对线圈的反作用线圈的反作用( (减弱线圈原磁场减弱线圈原磁场) ) 从而导致线圈的从而导致线圈的电感量电感量L L、阻抗阻抗Z Z或或品质因数品质因数Q Q发生变化。发生变化。线 圈金 属 导 体第四章第四章 电感式传感器电感式传感器 电涡流电涡流i i2 2的大小与金属导体的电阻率的大小与金属导体的电阻率 、导磁率、导磁

36、率 、厚、厚度度t t、线圈与金属之间的距离、线圈与金属之间的距离x x、线圈的激磁电流角频率、线圈的激磁电流角频率 等等参数有关，参数有关，显然，传感器线圈的阻抗显然，传感器线圈的阻抗Z Z可用函数表达式来描可用函数表达式来描述：述： ,.),(rxfZ若能控制式中其它参数不变，只改变其中一个参数，这若能控制式中其它参数不变，只改变其中一个参数，这样样阻抗就能成为这个参数的单值函数阻抗就能成为这个参数的单值函数，从而实现该参数，从而实现该参数的测量的测量。第四章第四章 电感式传感器电感式传感器4 4.3.2 .3.2 基本特性基本特性1.1.电涡流传感器简化模型电涡流传感器简化模型 把在被测

37、金属导体上形成的电涡流把在被测金属导体上形成的电涡流等效成一个短路环等效成一个短路环，（见教材（见教材p78p78图图 ）即假设电涡流仅分布在环体之内，模型中）即假设电涡流仅分布在环体之内，模型中h h（电涡流的贯穿深度）可由下式求得：（电涡流的贯穿深度）可由下式求得：fhr0式中：式中：f-f-线圈激磁电流的频率线圈激磁电流的频率第四章第四章 电感式传感器电感式传感器由线圈由线圈金属导体系统构成的电涡流传感器可以用右图所示金属导体系统构成的电涡流传感器可以用右图所示的等效电路来分析。的等效电路来分析。根据基尔霍夫定律，可根据基尔霍夫定律，可以列出电路方程组为以列出电路方程组为:0222211

38、21111ILjIRIMjUIMjILjIR2 2. .等效电路分析等效电路分析1-1-传感器线圈传感器线圈2-2-电涡流短路环电涡流短路环电涡流传感器等效电路电涡流传感器等效电路第四章第四章 电感式传感器电感式传感器 得出线圈的等效电阻和等效电感分别为得出线圈的等效电阻和等效电感分别为: :2222222122222221LLRMLLRLRMRReqeq222211212eqeq222222221()()UMMZRRjLLRj LRLRLI联立解得：联立解得：第四章第四章 电感式传感器电感式传感器4.3.34.3.3电涡流的形成范围电涡流的形成范围1电涡流电涡流I2与距离与距离x的关系的关系

39、: 电涡流强度与电涡流强度与x ros关系曲线关系曲线2电涡流的径向形成范围电涡流的径向形成范围对于一定的距离对于一定的距离x来说，则电涡流密度来说，则电涡流密度j仅是仅是r的函数，即的函数，即: OSrxxII22121)(),(rfrrxFjconstx第四章第四章 电感式传感器电感式传感器环电涡流密度环电涡流密度jr随电涡流环半径随电涡流环半径r的变化规律可用下列公式的变化规律可用下列公式表示：表示： 式中式中 =r/ros ras为传感器线圈外半径，为传感器线圈外半径， r为电涡流环半径；为电涡流环半径； j0 =1处的最大电涡流密度。处的最大电涡流密度。 在在r=ros处，处，jr=

40、j0电流密度达最大值电流密度达最大值 ； ； jr j0r/ros曲线曲线 ososrrrejrrejj 0 )1(14140 )1(440 0lim0 rrj0jlimrr 第四章第四章 电感式传感器电感式传感器 3电涡流的轴向贯穿深度电涡流的轴向贯穿深度 由于趋肤效应，磁场不能透过所有厚度的金属导体。电涡流由于趋肤效应，磁场不能透过所有厚度的金属导体。电涡流密度在金属导体中轴向分布是按指数规律衰减的，可用下式表示：密度在金属导体中轴向分布是按指数规律衰减的，可用下式表示： 式中式中jx金属导体内离表面距离为金属导体内离表面距离为x处的电涡流密度；处的电涡流密度； jo金属导体表面上的电涡流

41、密度，即最大电涡流密度；金属导体表面上的电涡流密度，即最大电涡流密度； x金属导体内某点离表面的距离；金属导体内某点离表面的距离； 电涡流密度电涡流密度jx=jo/e处离开导体表面的距离，即趋肤深度。处离开导体表面的距离，即趋肤深度。 /0 xxejj 第四章第四章 电感式传感器电感式传感器 趋肤深度趋肤深度 称为电涡流的轴向贯穿深度，它的数值与线称为电涡流的轴向贯穿深度，它的数值与线圈的激励频率圈的激励频率f、金属导体材料的电磁性质、金属导体材料的电磁性质(电导率电导率 和磁导率和磁导率 = r 0)有关，可由下式计算有关，可由下式计算:ffr 10 第四章第四章 电感式传感器电感式传感器分析可得：分析可得：(1)电涡流密度的大小，与导体离线圈的距离直接有关，随电涡流密度的大小，与导体离线圈的距离直接有关，随着距离的增大，电涡流密度将显著减小；着距离的增大，电涡流密度将显著减小；(2)电涡流密度的大小，在径向与离开轴心的距离有关。电涡流密度的大小，在径向与离开轴心的距离有关。 贯穿深度与激励频率关系贯穿深度与激励频率关系 电涡流密度与电