3电感式传感器ppt课件

1、哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学上节回想上节回想 运用运用 特点特点交流电桥交流电桥二极管双二极管双T T网络网络差动脉冲宽度调制电路差动脉冲宽度调制电路运算放大器式电路运算放大器式电路 电容传感器电容传感器原理原理丈量电路丈量电路哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被丈量电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被丈量转化为电感量自感或互感的一种安装。转化为电感量自感或互感的一种安装。 可用来测位移、压力、振动等多种非电量，既可用可用来测位移、压力、振动等多种非电量，既可用于静态丈量，又可用于动态丈量。于静态丈量，又可用于动态丈量。电感式传感器电感式传感器自感型自感型

2、可变磁阻式可变磁阻式涡流式涡流式互感型互感型第第4.3节节 电感式传感器电感式传感器差动变压器式差动变压器式哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学变截面型变截面型 可变导磁面积型可变导磁面积型b变气隙式变气隙式 差动式差动式c单螺管线圈型单螺管线圈型d双螺管线圈差动双螺管线圈差动0l 4.3-1 4.3-1 自感式传感器自感式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学a) 气隙型气隙型 b) 截面型截面型 c) 螺管型螺管型(xLU I位移、流量、振动）（自感/互感）（ ）变间隙式、变面积式和螺管式。变间隙式、变面积式和螺管式。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学一、自感式传感器的任务原理一、自感式传感器的任务原理21

3、nm iiNLRIN线 圈 通 以 有 效 值 为 的 交 流 电 ， 产 生 磁 通 为，线 圈 匝 数 为。NULRII则（ 类 似）1nmmiiNINIRR 由磁路欧姆定律式中，式中，N为线圈匝数；为线圈匝数；Rm为磁路总磁阻。为磁路总磁阻。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学3121112200001112222, , , ,miillRSSSSl Sl S 总磁阻分别为气隙的磁导率、气隙和截面积。分别为铁心的磁导率、长度和截面积。分别为衔铁的磁导率、长度和截面积。 铁心的构造和资料确定后，自感是气隙厚度和铁心的构造和资料确定后，自感是气隙厚度和气隙截面积的函数。气隙截面积的函数。223121

4、1122002()miiNNLllRSSS0Sl1l2哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 螺管式电感传感器建立在磁路磁阻随着衔铁插入深度螺管式电感传感器建立在磁路磁阻随着衔铁插入深度不同而变化的根底上。不同而变化的根底上。,LfS 2LfS 1Lf变气隙型传感器变气隙型传感器变截面型传感器变截面型传感器 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学1. 1. 变气隙式自感传感器变气隙式自感传感器 002221112sslslRm气隙的磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻气隙的磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻 002sRm220 02mNsNLR磁路总的磁阻为磁路总的磁阻为 线圈的电感为线圈的电感为 l1l2哈尔滨工业大学哈尔滨工业

5、大学 输出灵敏度：输出灵敏度：000202sNL 200212sNddLK假设假设设设那那么么200LddLK由于灵敏度由于灵敏度 不是常数，故出现非线性误差不是常数，故出现非线性误差K哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学变间隙式电感传感器变间隙式电感传感器L-特性特性 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学当衔铁向上挪动当衔铁向上挪动时，气隙将减小，电感将增大为：时，气隙将减小，电感将增大为：)(2002ANL电感的变化量为：电感的变化量为：0001LLLL普通，取普通，取=0.10.10.20.200， 0 = 0 =0.10.10.50.5mmmm目的：为了得到较好的线性。目的

6、：为了得到较好的线性。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学同理：当衔铁向下挪动同理：当衔铁向下挪动时，气隙将增大，电感将时，气隙将增大，电感将减小为：减小为：)(2002ANL电感的变化量为：电感的变化量为：0002LLLL 引起的电感变化量大小不相等。引起的电感变化量大小不相等。 越大，越大，L1L1与与L2 L2 在数值上相差也越大，非线性在数值上相差也越大，非线性 越严重。越严重。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 变气隙式传感器变气隙式传感器 差动式差动式 这类自感式传感器非线性误差较大，存在其实电流，这类自感式传感器非线性误差较大，存在其实电流，而且有电磁力作用于活动衔铁，引起附加误差，所以不适而

7、且有电磁力作用于活动衔铁，引起附加误差，所以不适用于精细丈量。用于精细丈量。 实践运用中广泛采用的是：实践运用中广泛采用的是：差动式自感传感器。差动式自感传感器。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2. 2. 变面积式自感传感器变面积式自感传感器 输入与输出呈线性关系，得到较大的线性范围，输入与输出呈线性关系，得到较大的线性范围，灵敏度较低。灵敏度较低。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学0022sNL 可变导磁面积型自感传感器：可变导磁面积型自感传感器：哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学3 3、差动式自感传感器、差动式自感传感器 单一式自感传感器：由于线圈电流的存在，使衔铁遭到单向单一式自感传感器：由于线圈电流的

8、存在，使衔铁遭到单向电磁力的作用输出信号易受电源电压和频率动摇、温度变化等电磁力的作用输出信号易受电源电压和频率动摇、温度变化等干扰干扰 传感器输出的非线性限制了运用变面积型传感器，传感器输出的非线性限制了运用变面积型传感器， 不不适于精细丈量。适于精细丈量。 差动式：由两个单一方式的构造对称组合，改善其性能。差动式：由两个单一方式的构造对称组合，改善其性能。 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学变气隙型差动传感器变气隙型差动传感器 ：输出灵敏度：输出灵敏度 rlLddLdLddLK/21221灵敏度提高了一倍。对电源电压与频率的动摇以及灵敏度提高了一倍。对电源电压与频率的动摇以及温度变化等外界干扰也

9、有补偿作用，从而提高了传感温度变化等外界干扰也有补偿作用，从而提高了传感器的稳定性。器的稳定性。3 3、差动式自感传感器、差动式自感传感器式中：式中：l l 为磁路的长度为磁路的长度r-r-铁心和衔铁的相对磁导率；铁心和衔铁的相对磁导率；哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学二、自感传感器的转换电路二、自感传感器的转换电路被丈被丈量量 x L转换电路转换电路及信号调及信号调理理电量电量传感器传感器转换电路类型：转换电路类型：*调幅式：调幅式： xA 调频式：调频式： xf 调相式：调相式： x阻抗发生变化阻抗发生变化哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学(1) (1) 变压器电桥变压器电桥输出空载电压输出空载电压

10、 2121121022ZZZZuuZZZuu衔铁偏离中间零点时衔铁偏离中间零点时 ，两线圈对称，两线圈对称，、ZZZZZZ21)/()2/(0ZZuuu0z2z1u/2u/2初始平衡形状，初始平衡形状，Z1=Z2=Z, u0=01 1、调幅电路、调幅电路空载输出电压空载输出电压 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学传感器衔铁挪动方向相反时传感器衔铁挪动方向相反时 ，、ZZZZZZ21空载输出电压空载输出电压 )/()2/(0ZZuu 只能确定衔铁位移的大小，不能判别位移的只能确定衔铁位移的大小，不能判别位移的方向。为了判别位移的方向，要在后续电路中配置方向。为了判别位移的方向，要在后续电路中配置相敏检

11、波器。相敏检波器。 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学(2) (2) 相敏检波电路相敏检波电路电路作用：区分衔铁位移方向。电路作用：区分衔铁位移方向。 U0的大小反映位移的大小反映位移的大小，的大小，U0的极性反映位移的方向。的极性反映位移的方向。消除零点剩余电压。使消除零点剩余电压。使x=0时，时，U0=0。ABCD+-哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学3 3谐振式调幅电路谐振式调幅电路电路的灵敏度很高，但是线性差，适用于线性要求不高的场所。电路的灵敏度很高，但是线性差，适用于线性要求不高的场所。01TTj LUUj Lj LjC哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学传感器自感变化将引起输出电压频率的变化。传感器

12、自感变化将引起输出电压频率的变化。 GCLf3/2()/4(/2) (/)fLCCLfL L Lf0LCf2/1 f 较大时有较高的精度。较大时有较高的精度。存在严重非线性。存在严重非线性。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学传感电感变化将引起输出电压相位变化传感电感变化将引起输出电压相位变化 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学RLjarctgeUU202LjRLjRUURLjURU)(20RLarctg2LLRLRL2)/(1/2哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学自感传感器的灵敏度：传感器测头自感传感器的灵敏度：传感器测头+转换电路总灵敏度转换电路总灵敏度xLLkt/ )/()/(0LLukcxukkkctz/

13、0传感器构造测头灵敏度：传感器构造测头灵敏度：转换电路灵敏度：转换电路灵敏度：总灵敏度：总灵敏度：传感器灵敏度单位：传感器灵敏度单位：mV/m V三、自感式传感器的灵敏度三、自感式传感器的灵敏度当电源电压为当电源电压为1V，衔铁偏，衔铁偏移移1 m 时，输出电压为时，输出电压为多少多少mV。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学线圈线圈N2中的互感电动势：中的互感电动势：121EddtM dI dt122212:NN穿过的磁链，1212:MNNddI线圈对的互感系数，11j tMIIe设：11dIdtj I 则：1Ej MI 111()IURj L二次线圈的开路输出电压：二次线圈的开路输出电压：11()

14、oUEj MURj L 二次线圈的开路输出电压随互二次线圈的开路输出电压随互感的变化而变化。感的变化而变化。 4.3-2 4.3-2 互感式传感器互感式传感器一、互感传感器的转换电路一、互感传感器的转换电路哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学二、互感传感器的转换电路二、互感传感器的转换电路1、反串电路、反串电路: (二次线圈反相串接二次线圈反相串接)1M2M2aE2bE22oabUEE衔铁在平衡位时活动衔铁向上挪动时,由于磁阻的影响, 使M1M2 ，反之即：当衔铁位移发生变化时，输出电压会随之发生变化哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学二、互感传感器的转换电路二、互感传感器的转换电路2、桥路、桥路:22()

15、2oabUEE12RRRP设：，不计，有：桥路的灵敏度为前面反串电路的0.5，但其优点是利用RP可进展调零，不再需求另外配置调零电路。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 电感式传感器的具有以下优点是： 1、构造简单，传感器无活动电触点，因此任务可靠、寿命长； 2、输出功率大、输出阻抗小、抗干扰才干强、对任务环境要求不高。灵敏度和分辨率高，能测出0.01的位移变化 。传感器的输出信号强，电压灵敏度普通每毫米的位移可达数百毫伏的输出； 3、线性度和反复性都比较好，在一定位移范围几十微米到数毫米范围内，传感器非线性误差可做到0.05%0,1%，并且稳定性比较好； 4、能实现信息的远间隔传输、记录、显示和控

16、制，因此在工业控制中广泛被采用；哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 主要缺陷是： 频率呼应低，不适用于快速丈量。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学上节回想上节回想 电感式传感器电感式传感器自感式自感式原理原理转换电路转换电路灵敏度灵敏度互感式互感式原理原理转换电路转换电路2231211122002()miiNNLllRSSS调幅式调幅式调频式调频式调相式调相式11()oUEj MURj L 反串电路反串电路桥路桥路变压器变压器电桥电桥谐振式谐振式哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2、零残电压过大带来的影响：、零残电压过大带来的影响：灵敏度下降、非线性误差增大灵敏度下降、非线性误差增大丈量有用的信号被淹没，不再反

17、映被丈量变化呵斥放丈量有用的信号被淹没，不再反映被丈量变化呵斥放大电路后级饱和，仪器不能正常任务大电路后级饱和，仪器不能正常任务1、定义：在调幅式电路中，、定义：在调幅式电路中，当当u0=0时，应有时，应有Z1=Z2=Z，而而Z包含两部分包含两部分R和和L，只需两，只需两部分分别相等时即部分分别相等时即R1=R2，L1=L2，才干保证，才干保证u0=0。但在实践中很难到达，实。但在实践中很难到达，实践的践的u0 x曲线如图，曲线如图， x=0时时， u0=e0，称为零点剩余电，称为零点剩余电压。压。4.3-3 4.3-3 零点剩余电压零点剩余电压零点剩余电压零点剩余电压0 xe0哈尔滨工业大学

18、哈尔滨工业大学1 基波正交分量基波正交分量(a)剩余电压的波形剩余电压的波形 (b)波形分析波形分析13245UZtUiUZUt图中图中Ui为差动变压器初级的鼓励电压，为差动变压器初级的鼓励电压，UZ为零点剩余为零点剩余电压电压2 基波同相分量基波同相分量3 二次谐波二次谐波4 三次谐波三次谐波 5 电磁干扰电磁干扰哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学基波分量 由于两个电感线圈不能够完全一致，因此它的等效电路参数互感M、自感L及损耗电阻R不能够一样，从而使两个线圈的感应电动势数值不等。3、零点剩余电压产生缘由：、零点剩余电压产生缘由：哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学自感线圈的等效电路自感线圈的等效电路 自

19、感线圈不是一个纯电感，除了电感量自感线圈不是一个纯电感，除了电感量L之外，还存在线之外，还存在线圈的铜耗、铁心的涡流及磁滞损耗。圈的铜耗、铁心的涡流及磁滞损耗。ReRhCLIoRc自感线圈等效电路自感线圈等效电路Rc Rc 铜损电阻；铜损电阻；Re Re 铁心涡流损耗电阻；铁心涡流损耗电阻；Rh Rh 铁心的磁滞损耗电阻；铁心的磁滞损耗电阻；C C 分布等效电容线圈分布等效电容线圈 绕组间。绕组间。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学高次谐波 高次谐波分量主要由导磁资料磁化曲线的非线性引起。由于磁滞损耗和铁磁饱和的影响，使得鼓励电流与磁通波形不一致产生了非正弦(主要是三次谐波)磁通，从而在次级绕组感应

20、出非正弦电势。另外，鼓励电流波形失真，因其内含高次谐波分量，这样也将导致零点剩余电压中有高次谐波成分。 3、零点剩余电压产生缘由：、零点剩余电压产生缘由：哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 从设计和工艺上保证构造对称性 为保证线圈和磁路的对称性，首先，要求提高加工精度，线圈选配成对，采用磁路可调理构造。其次，应选高磁导率、低矫顽力、低剩磁感应的导磁资料。并应经过热处置，消除剩余应力，以提高磁性能的均匀性和稳定性。由高次谐波产生的要素可知，磁路任务点应选在磁化曲线的线性段。 4、消除零点剩余电压方法：、消除零点剩余电压方法：哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学采用相敏检波电路不仅可鉴别衔铁挪动方向，而且把衔铁

21、在中间位置时，产生零点剩余电压消除掉。如图，采用相敏检波后衔铁反行程时的特性曲线由1变到2，从而消除了零点剩余电压。U0+x-x210相敏检波后的输出特性相敏检波后的输出特性 选用适宜的丈量电路 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学适用相敏检波电路适用相敏检波电路哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 采用补偿线路在差动变压器次级绕组侧串、并联适当数值的电阻、电容元件，当调整这些元件时，可使零点残存电压减小。A、在次级绕组侧并联电容。由于两个次级线圈感应电压相位不同，并联电容可改动绕组的相位，并联电阻R是为了利用R的分流作用，使流入传感器线圈的电流发生变化，从而改动磁化曲线的任务点，减小高次谐波所产生的剩余电压

22、。CR(a)1U0U哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学串联电阻串联电阻R可以调整次级线圈的电阻分量。可以调整次级线圈的电阻分量。 CR(a)1U0U(b)CR1U0U哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学在次级绕组侧并联电位器在次级绕组侧并联电位器W用于电气调零，改动两个次级线圈用于电气调零，改动两个次级线圈输出电压的相位。电容输出电压的相位。电容C可有效的补偿高次谐波。可有效的补偿高次谐波。接入补偿电阻接入补偿电阻R以防止负载不是纯电阻而引起较大的零点残存电以防止负载不是纯电阻而引起较大的零点残存电压。压。 R2WR1C(c)1U0URW(d)1U0U哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学电感式传感器普通用于接触丈量

23、，它主要用于位电感式传感器普通用于接触丈量，它主要用于位移丈量，也可以用于振动、压力、流量、液位等移丈量，也可以用于振动、压力、流量、液位等参数丈量。参数丈量。4.3-4 4.3-4 电感式传感器的运用电感式传感器的运用厚度厚度, ,角度角度, ,外表粗糙度外表粗糙度; ;拉伸拉伸, ,紧缩紧缩, ,垂直度垂直度; ;压力压力, ,流量流量, ,液位液位; ;张力张力, ,重力重力, ,负荷量负荷量; ;扭矩扭矩, ,应力应力, ,动力动力; ;气压气压, ,温度温度; ;振动振动, ,速度速度, ,加速度加速度; ;等等. .哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 板的厚度丈量板的厚度丈量 哈尔滨工业

24、大学哈尔滨工业大学 张力丈量张力丈量哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学测头测头测杆测杆电感电感线圈线圈磁芯磁芯以下图所示是一个丈量尺寸用的轴向自感式传感器以下图所示是一个丈量尺寸用的轴向自感式传感器 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学旁向式差动电感式传感器旁向式差动电感式传感器总行程： 1.5mm 丈量力：0.40.7N示值变动性：0.2m轴向式差动电感式传感器轴向式差动电感式传感器总行程： 3mm 丈量力：0.450.65N示值变动性：0.03m总行程：1.5mm 丈量力：0.120.18N示值变动性：0.05m哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学轴向式差动变压器式传感器轴向式差动变压器式传感器总行程： 100

25、mm 线性度：0.15% 总行程： 2 7mm 丈量力：0.91.2N示值变动性：0.5m哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学特点：不仅可以丈量微米级直径，特点：不仅可以丈量微米级直径，而且经过其在孔内旋转和平移可以而且经过其在孔内旋转和平移可以丈量其椭圆度和圆柱度丈量其椭圆度和圆柱度被测孔内径范围被测孔内径范围:25:25120mm 120mm 丈量力：丈量力：1.31.30.3N0.3N示值变动性：示值变动性：1 1m m特点：不仅可以丈量微米级直径，特点：不仅可以丈量微米级直径，还可以丈量轴的椭圆度和圆柱度还可以丈量轴的椭圆度和圆柱度被测轴直径范围被测轴直径范围:25:25120mm 120mm

26、 丈量力：丈量力：4 41.5N1.5N示值变动性：示值变动性：1 1m m丈量原理：本产品是一种电感内藏式电子丈量原理：本产品是一种电感内藏式电子卡，丈量前，先用随机配置的规范器对仪卡，丈量前，先用随机配置的规范器对仪器示值进展校准。然后，用卡规丈量轴类器示值进展校准。然后，用卡规丈量轴类工件的直径，使卡规卡口产生弹性变形。工件的直径，使卡规卡口产生弹性变形。经过杠杆的作用，使另一端的电感传感器经过杠杆的作用，使另一端的电感传感器产生与被测尺寸成一定比例的变化信号，产生与被测尺寸成一定比例的变化信号，该信号经过放大和转换处置后，经过该信号经过放大和转换处置后，经过A/D转转换器，送入单片计算

27、机进展信号处置，然换器，送入单片计算机进展信号处置，然后，经过液晶屏幕显示丈量结果。后，经过液晶屏幕显示丈量结果。 塞规式丈量系统的原理是经过比塞规式丈量系统的原理是经过比对法丈量，运用之前，根据工件对法丈量，运用之前，根据工件的大小制造出一个相应尺寸的环的大小制造出一个相应尺寸的环规，然后将测头放入环规定基准规，然后将测头放入环规定基准值，完成这个任务之后就可以把值，完成这个任务之后就可以把测头放入所需丈量的孔径，这个测头放入所需丈量的孔径，这个时候可以直接读出数据。时候可以直接读出数据。 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学特点：特点：可单传感器丈量，可单传感器丈量，也可两个传感器也可两个传感器进

28、展和差演算丈进展和差演算丈量量 档档 位位丈量范围丈量范围分辨率分辨率示值误差示值误差第一档第一档100.010.05第二档第二档1000.10.5第三档第三档1000110目的电感测微仪是一种可以丈量微小尺寸变化的精细丈量仪器，它由主电感测微仪是一种可以丈量微小尺寸变化的精细丈量仪器，它由主体和测头两部分组成，配上相应的丈量安装例如丈量台架等，体和测头两部分组成，配上相应的丈量安装例如丈量台架等，可以完成各种精细丈量。例如，检查工件的厚度、内径、外径、椭可以完成各种精细丈量。例如，检查工件的厚度、内径、外径、椭圆度、平行度、直线度、径向跳动等，被广泛运用于精细机械制造圆度、平行度、直线度、径

29、向跳动等，被广泛运用于精细机械制造业、晶体管和集成电路制造业以及国防、科研、计量部门的精细长业、晶体管和集成电路制造业以及国防、科研、计量部门的精细长度丈量。目前，国内常用的电感测微仪有指针式和数字式两种度丈量。目前，国内常用的电感测微仪有指针式和数字式两种 。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学轮廓仪轮廓仪轮廓仪：丈量工件外表轮廓情况的仪轮廓仪：丈量工件外表轮廓情况的仪器器 按起伏节距的大小分为：微观不平度、波度、宏观几何外形误差按起伏节距的大小分为：微观不平度、波度、宏观几何外形误差微观不平度：外表粗糙微观不平度：外表粗糙度，其粗高与粗距都很度，其粗高与粗距都很小。小。波波 度：是一种周期性度：是

30、一种周期性的起伏，其波距比波高的起伏，其波距比波高大得多。大得多。宏观外形误差：宏观外形误差： 如直如直线度、平面度、圆度误线度、平面度、圆度误差差 等，它的波距很大等，它的波距很大，在一个外表上只需几，在一个外表上只需几个起伏，甚至不呈周期个起伏，甚至不呈周期性变化。性变化。 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学立柱驱动传感器驱动箱多路接口板测量放大器滤波器记录器功率放大器时基电路附件接口电路Ra 计算电路检测与闩锁电路去各计算电路HSC计算电路Rq计算电路Rp Ry计算电路Rz计算电路 a a计算电路模数转换电路显示电路 典型电动轮廓仪组成框图典型电动轮廓仪组成框图哈尔

31、滨工业大学哈尔滨工业大学4.3-5 4.3-5 电涡流式传感器电涡流式传感器 电涡流传感器可以丈量位移、厚度、转速、电涡流传感器可以丈量位移、厚度、转速、振动、硬度等参数，还可以进展无损探伤，是振动、硬度等参数，还可以进展无损探伤，是一种运用广泛且有开展出路的传感器。一种运用广泛且有开展出路的传感器。 电涡流传感器是利用电涡流效应原理，将电涡流传感器是利用电涡流效应原理，将位移等非电量转换为阻抗的变化或电感的变位移等非电量转换为阻抗的变化或电感的变化，或化，或Q值的变化，从而进展非电量电测的。值的变化，从而进展非电量电测的。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学一、高频反射式涡流传感器任务原理一、高频反

32、射式涡流传感器任务原理2I1IH1H22asr 一个通有交变电流一个通有交变电流 的线圈，的线圈，由于电流的变化，在线圈周围就由于电流的变化，在线圈周围就产生一个交变磁场产生一个交变磁场H1，当被测导，当被测导体置于该磁场范围之内，被测导体置于该磁场范围之内，被测导体内便产生电涡流体内便产生电涡流 ，电涡流也，电涡流也将产生一个新磁场将产生一个新磁场 H2， H2与与 H1方向相反，因此抵消部分原磁场，方向相反，因此抵消部分原磁场，从而导致线圈的电感量、阻抗和从而导致线圈的电感量、阻抗和质量因数发生改动。质量因数发生改动。 1I2Iasr 线圈等效外半径线圈等效外半径1I哈尔滨工业大学哈尔滨工

33、业大学 普通地说，传感器线圈的阻抗普通地说，传感器线圈的阻抗 Z 、电感、电感L和和质量因数质量因数Q的变化与导体的几何外形、电导率的变化与导体的几何外形、电导率 、磁导率磁导率有关，也与线圈的几何参数、电流的频有关，也与线圈的几何参数、电流的频率率以及线圈到被测导体间间隔以及线圈到被测导体间间隔x有关。假设控制有关。假设控制上述参数中一个变化，其他皆不变化，就可以构上述参数中一个变化，其他皆不变化，就可以构成测位移、测温度、测硬度等各种传感器。成测位移、测温度、测硬度等各种传感器。 下面分析一下电涡流下面分析一下电涡流对电路参数的影响。对电路参数的影响。Z = f (,x,)哈尔滨工业大学哈

34、尔滨工业大学R2R1L1L2U1I2IM 首先把被测导体上首先把被测导体上构成的电涡流等效为一构成的电涡流等效为一个短路环，这样可使得个短路环，这样可使得分析问题更简便。这个分析问题更简便。这个简化模型可用下面的等简化模型可用下面的等效电路图来表示。效电路图来表示。 假定传感器线圈原有电阻假定传感器线圈原有电阻R1，电，电感感L1，那么其复阻抗，那么其复阻抗 Z1=R1+jL1 当有被测导体接近传感器当有被测导体接近传感器线圈时，那么成为一个耦合电线圈时，那么成为一个耦合电感，线圈与导体之间存在一个感，线圈与导体之间存在一个互感系数互感系数M，互感系数随线圈，互感系数随线圈与导体之间间隔的减小

35、而增大。与导体之间间隔的减小而增大。短路环可看作一匝短道路圈，短路环可看作一匝短道路圈，电阻为电阻为R2，电感为，电感为L2。 11112R Ij L Ij MIU122220j MIR Ij L I 根据根本霍氏定律，列出根据根本霍氏定律，列出电路方程组：电路方程组：哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学解方程组，可知传感器任务时复阻抗为：解方程组，可知传感器任务时复阻抗为： 2222121222222222()()UMMZRRjLLIRLRL22122222()MLLLRL22122222()MRRRRL2222211222221221221()1()LMLLRLQRMRRRL电感为：电感为：电阻为

36、：电阻为：质量因数：质量因数：Q涡流环部分涡流环部分阻抗的平方阻抗的平方电感器在某一频率的交电感器在某一频率的交流电压下任务时，所呈流电压下任务时，所呈现的感抗值与其等效损现的感抗值与其等效损耗电阻之比耗电阻之比,下降了。下降了。非磁性导体：非磁性导体：软磁导体：软磁导体：1 =L / R哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学二、高频反射式电涡流传感器的丈量电路二、高频反射式电涡流传感器的丈量电路 假设能控制器中大部分参数恒定不变，只改动其中一个假设能控制器中大部分参数恒定不变，只改动其中一个参数，那么阻抗为该参数的单值函数。参数，那么阻抗为该参数的单值函数。(, ,)Zfx 电阻率电阻率磁导率磁导率被

37、测物体与被测物体与线圈间隔线圈间隔电流角频率电流角频率被测参数的变化被测参数的变化 Z、L、Q的变化的变化 电量的变化电量的变化涡流涡流变化变化丈量丈量电路电路 常用的电路有：电桥电路、谐振电路、正反响电路等，常用的电路有：电桥电路、谐振电路、正反响电路等，本文主要讲谐振电路。本文主要讲谐振电路。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学1、调幅式电路、调幅式电路 L、C组成谐振电路，谐振频率组成谐振电路，谐振频率 12fLC源源极极跟跟踪踪器器交交流流放放大大器器检检波波滤滤波波器器xVDC振荡器振荡器RCLui0哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 振荡器向传感器线圈振荡器向传感器线圈L L和和C C 组成的并

38、联谐振回路提供组成的并联谐振回路提供一个频率及振幅稳定的高频鼓励信号，它相当于一个恒流一个频率及振幅稳定的高频鼓励信号，它相当于一个恒流源。当被测导体距传感器线圈相当远时，传感器谐振回路源。当被测导体距传感器线圈相当远时，传感器谐振回路的谐振频率为回路的固有频率，这时谐振回路的质量因数的谐振频率为回路的固有频率，这时谐振回路的质量因数Q Q 值最高，阻抗最大，振荡器提供的恒定电流与其上产生值最高，阻抗最大，振荡器提供的恒定电流与其上产生的压降最大。当被测导体与传感器线圈间隔在传感器测试的压降最大。当被测导体与传感器线圈间隔在传感器测试范围内变化时，由于涡流效应使传感器的质量因数范围内变化时，由

39、于涡流效应使传感器的质量因数Q Q 值下值下降，传感器线圈的电感也随之发生变化，从而使谐振回路降，传感器线圈的电感也随之发生变化，从而使谐振回路任务在失谐形状，这种失谐形状随被测导体与传感器线圈任务在失谐形状，这种失谐形状随被测导体与传感器线圈间隔越来越近而变得越来越大，回路输出的电压也越来越间隔越来越近而变得越来越大，回路输出的电压也越来越小。谐振回路输出的信号经检波、滤波放大后送给后续电小。谐振回路输出的信号经检波、滤波放大后送给后续电路，可直接显示出被测物体的位移量。路，可直接显示出被测物体的位移量。 任务原理：任务原理：哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学定频调幅谐振曲线定频调幅谐振曲线当被测

40、导体为软磁资料时，由于L增大而使谐振频率下降(向左偏移)。当被测导体为非软磁资料时那么反之(向右偏移)哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学x前前置置级级整整形形放放大大鉴鉴频频器器滤滤波波VDC2、调频式电路、调频式电路放放大大限限幅幅鉴鉴频频滤滤波波VDCx 将将LC谐振回路和放大器结合构成谐振回路和放大器结合构成LC振荡器，故频率一直振荡器，故频率一直为谐振频率，幅值一直为谐振曲线峰值，即为谐振频率，幅值一直为谐振曲线峰值，即 011LC哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 发射线圈发射线圈1和接纳线圈和接纳线圈2分别置分别置于被测金属板资料于被测金属板资料G的上、下方。由的上、下方。由于低频磁场集肤效应

41、小，浸透深，当于低频磁场集肤效应小，浸透深，当低频低频(音频范围音频范围)电压电压e1加到线圈加到线圈1的的两端后，所产生磁力线的一部分透过两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板资料金属板资料G,使线圈使线圈2产生感应电动产生感应电动势势e2。但由于涡流耗费部分磁场能量，。但由于涡流耗费部分磁场能量，使感应电动势使感应电动势e2减少，当金属板资料减少，当金属板资料G越厚时，损耗的能量越大，输出电越厚时，损耗的能量越大，输出电动势动势e2越小。因此，越小。因此，e2的大小与的大小与G的的厚度及资料的性质有关，实验阐明，厚度及资料的性质有关，实验阐明，e2随资料厚度随资料厚度h的添加按负指数规律的

42、添加按负指数规律减少减少,如下图，因此，假设金属板资料如下图，因此，假设金属板资料的性质一定，那么利用的性质一定，那么利用e2的变化即可的变化即可丈量其厚度。丈量其厚度。三、低频透射式涡流传感器的任务原理三、低频透射式涡流传感器的任务原理thkee2t为电涡流的贯穿深为电涡流的贯穿深度度哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学运用运用1 1： 延续油管的椭圆度丈量延续油管的椭圆度丈量Coiled TubeEddy Sensor Reference Circle原理：原理：四、电涡流传感器的运用四、电涡流传感器的运用哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学运用运用2 2： 测厚测厚哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学运用运用2

43、 2： 测厚测厚运用运用3 3： 零件计数零件计数哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学上文回想上文回想 电感式传感器电感式传感器零点剩余电压零点剩余电压缘由，分析，消除方法缘由，分析，消除方法 电涡流传感器电涡流传感器原理原理转换电路转换电路谐振电路谐振电路电桥电路电桥电路正反响电路正反响电路调幅调幅调频调频哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学课外作业：课外作业：1、查阅有关远场涡流传感器和相控涡流传感器的原理及、查阅有关远场涡流传感器和相控涡流传感器的原理及运用；运用；课堂作业：课堂作业：一、选择题：一、选择题：1、差动变压器属于、差动变压器属于A.物性式传感器物性式传感器B.构造式传感器构造式传感器C.电

44、阻式传感器电阻式传感器D.电感式传感器电感式传感器2、某自感式传感器线圈的匝数为、某自感式传感器线圈的匝数为N，磁路的磁阻为，磁路的磁阻为Rm，那么其自感为那么其自感为A.N/RmB.N2/RmC.Rm/ND.N2/R2m哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学3、涡流式压力传感器利用涡流效应将压力的变化、涡流式压力传感器利用涡流效应将压力的变化变换成线圈的变换成线圈的A.电阻变化电阻变化B.电容变化电容变化C.涡流变化涡流变化D.阻抗变化阻抗变化 4. 改动电感传感器的引线电缆后，改动电感传感器的引线电缆后，_。 A.不用对整个仪器重新标定不用对整个仪器重新标定 B. 必需对整个仪器重新调零必需对整个仪

45、器重新调零 C. 必需对整个仪器重新标定必需对整个仪器重新标定 D. 不用对整个仪器重新调零不用对整个仪器重新调零二、填空题：二、填空题：1、根据电磁场实际，涡流的大小与导体的电阻率、根据电磁场实际，涡流的大小与导体的电阻率、_、导体厚度，以及线圈与导体之间的间、导体厚度，以及线圈与导体之间的间隔，线圈的激磁频率等参数有关。隔，线圈的激磁频率等参数有关。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学三、判别题：三、判别题： 1.针对电涡流传感器而言，被测体为磁性资料针对电涡流传感器而言，被测体为磁性资料时传感器灵敏度较非磁性资料的灵敏度高。时传感器灵敏度较非磁性资料的灵敏度高。 2.针对电涡流传感器而言，普通来

46、说被测体的针对电涡流传感器而言，普通来说被测体的电导率越高，那么灵敏度越高。电导率越高，那么灵敏度越高。 参考答案：一、参考答案：一、1 1、D;2D;2、B;3B;3、D;4D;4、B;B; 二、二、1 1、磁导率；、磁导率； 三、三、1 1、 ;2;2、；哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学4.3-6 4.3-6 压磁式传感器压磁式传感器一、任务原理：1、压磁效应： 外力-铁磁资料-磁弹性能-磁化强度矢量改动-磁导率变化哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 2、特点：输出功率大；抗干扰才干强，可用于恶劣任务环境；任务可靠：长期运转精度低：低于1%FS频响差：12kHz哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学4.3-1

47、 7 4.3-1 7 感应同步器感应同步器感应同步器是利用两个平面形绕组的互感随位置感应同步器是利用两个平面形绕组的互感随位置不同而变化的原理组成的。不同而变化的原理组成的。 可用来丈量直线或转角位移可用来丈量直线或转角位移 。长感应长感应同步器同步器圆感应圆感应同步器同步器定定尺尺滑滑尺尺定定子子转转子子制造工艺：两者一制造工艺：两者一样。绝缘粘贴剂把样。绝缘粘贴剂把铜箔粘牢在金属铜箔粘牢在金属或玻璃基板上，或玻璃基板上，然后按设计要求腐然后按设计要求腐蚀成不同曲折外形蚀成不同曲折外形的平面绕组。的平面绕组。 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学一、感应同步器的根本构造一、感应同步器的根本构造长感应同步器：定尺是延续绕组，滑尺那么是分段绕长感应同步器：定尺是延续绕组，滑尺那么是分段绕组。分段绕组分为两组，布置成在空间相差组。分段绕组分为两组，布置成在空间相差9090相角，相角，又称为正、余弦绕组。又称为正、余弦绕组。定尺定尺滑尺滑尺sucu正弦绕组正弦绕组余弦绕组余弦绕组()W 节距()b 线圈宽度4W哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学一、感应同步器的根本构造一、感应同步器的根本构造圆感应同步器：定子相当于长感应同步器的滑尺，是圆感应同步器：定子相当于长感应同步器的滑尺，是分段绕组，转子相当于长感应同步器的定尺，是延续分