传感器与检测技术06章电感

1、第第6章章 电感式传感器电感式传感器6.1 自感式电感传感器6.2 互感式电感传感器6.3 电涡流式传感器6.4 电感式传感器的应用1.电感式传感器：将被测量转换成电感（或 互感）变化的传感器。特点：结构简单、工作可靠、灵敏度和分辨率高、重复性好、线性度优良。缺点：存在交流零位信号，不适于高频动态测量。分类：自感式、互感式、涡流式（按工作原理分）6.1 6.1 自感式电感传感器自感式电感传感器2.自感式传感器的工作原理 单磁路自感式传感器结构：衔铁、铁芯和线圈。根据磁路的基本知识，线圈电感值可以表示为：式中: W线圈的匝数； Rm磁路的总磁阻。mRWL2对于变间隙式电感传感器，如果忽略磁路铁损

2、，则磁路总磁阻为：AALRRRFFFFm02忽略铁芯和衔铁的磁阻，则： )(220220可变、AWAWLRWLARmm3.电感传感器的分类： 变气隙长度； 变气隙截面； 螺管式电感传感器。 前者用于测量线位移，后者用于测量角位移。 变气隙长度变气隙长度00200220022020000202022)(221 . 05 . 01 . 0;22LAWAWAWSAWLAWddLS；一般 变间隙型灵敏度较高，但非线性误差变间隙型灵敏度较高，但非线性误差较大，且制作装配比较困难。较大，且制作装配比较困难。常数）(202WdAdLS变气隙截面变气隙截面 变面积型灵敏度较前者小，但线性变面积型灵敏度较前者小

3、，但线性较好，量程较大，使用比较广泛。较好，量程较大，使用比较广泛。AWdWdLS0螺管式电感传感器螺管式电感传感器 螺管型灵敏度较低，但量程螺管型灵敏度较低，但量程大且结构简单易于制作和批量生大且结构简单易于制作和批量生产，是使用最广泛的一种电感式产，是使用最广泛的一种电感式传感器。传感器。4.4.差动电感传感器原理差动电感传感器原理差动式电感传感器的结构要求两个导磁体的几何尺寸及材料完全相同，两个线圈的电气参数和几何尺寸完全相同。.)()(1.)()(1.)()(11)1 (2)(2;230200003020000011302000000002002100020LLddLSLLLLLLAW

4、AWLAWL（按台劳级数展开）差动式自感传感器能提高灵敏度；改善非线性。差动式自感传感器能提高灵敏度；改善非线性。.)()(122.)()(12.)()(1.)()(11402000402000213020000202302000002LLddLSLLLLLLLLLLL1.交流电桥工作原理交流电桥是电感式传感器的主要测量电路，它的作用是将线圈电感的变化转换成电桥电路的电压或电流输出。42314231)(42)(314231ZZZZeZZeZZeZzzzzzjjj42316.1.3 6.1.3 测量电路测量电路 交流电桥多采用双臂工作形式。通常将传感器作为电桥的两个工作臂，电桥的平衡臂可以是纯电

5、阻，也可以是变压器的二次侧绕组或紧耦合电感线圈。021120201021211221222;22LLuuLLLLuLLLLLLLLLRLQUzzzzUUzzzUUUocaO2.交流电桥的调制及其解调2.交流电桥的调制及其解调（1）.调制与解调原理（1）.调制与解调原理解调过程：（2）.相敏检波电路输入信号输入信号U2:基准参考信号基准参考信号6.2 6.2 互感式电感传感器互感式电感传感器1.差动变压器的结构2.差动变压器的工作原理dtdiMeeeeo21为了减小零点残余电动势可采取以下方法：I.尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数与磁路的对称。磁性材料要经过处理，消除内部的残余应力，使其性

6、能均匀稳定。II.选用合适的测量电路，如采用相敏整流电路。既可判别衔铁移动方向双可改善输出特性，减小零点残余电动势。.采用补偿线路减小零点残余电动势。在差动变压器二次侧串、并联适当数值的电阻电容元件，当调整这些元件时，可使零点残余电动势减小。3.差动变压器位移计的测量电路： 差动相敏检波电路； 差动整流电路。4.电感式传感器的特点： 结构简单，工作中没有活动电接触点，因而，比电位器工作可靠，寿命长。 灵敏度高，分辨率高，能测出0.01m甚至更小的机械位移变化，能感受小至0.1的微小角度变化。传感器的输出信号强，电压灵敏度高，有利于信号的传输与放大。 重复性好，线性度优良，在一定的位移范围内，输

7、出特性的线性度好，并且比较稳定。高精度的变磁阻式传感器，非线性误差仅0.1%。缺点：存在交流零位信号，不宜于高频动态测量。6.3 6.3 电涡流式传感器电涡流式传感器1I1H传感器激励线圈(a)(b)2H2I被测金属导体传感器激励电流 根据法拉第定律，当传感器线圈通以正弦交变电流I1时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场H1，使置于此磁场中的金属导体中感应电涡流I2，I2又产生新的交变磁场H2。 根据愣次定律，H2的作用将反抗原磁场H1，由于磁场H2的作用，涡流要消耗一部分能量，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。 线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。电涡流式传感器简化模型电涡流式传

8、感器简化模型被测导体直径与灵敏度的关系涡流强度与x/R的关系x：距离R：线圈外径频率与深度关系透射式涡流传感器原理测量电路测量电路电涡流位移传感器的应用范围 通过测量金属被测体与探头端面的相对位置、电涡流位移传感器感应并处理成相应的电信号输出。传感器可长期可靠工作、灵敏度高、抗干扰能力强、非接触测量、响应速度快、不受油水等介质的影响，在大型旋转机械的轴位移、轴振动、轴转速等参数进行长期实时监测中被广泛应用。 被测体表面加工状况对测量结果的影响 被测体正对探头的表面光洁度也会影响测量结果！不光滑的被测体表面，在实际的测量应用中会带来较大的附加误差，特别是对于振动测量，误差信号与实际的振动信号叠加

9、一起，并且在电气上很难进行分离，因此被测表面应该光洁，不应该存在刻痕、洞眼、凸台、凹槽等缺陷（对于特意为键相器、转速测量设置的凸台或凹槽除外）。 根据API670 标准推荐值，对于振动测量,被测面表面粗糙度Ra 要求在0.4m0.8m 之间，如果不能满足,需要对被测面进行衍磨或抛光；对于位移测量，由于指示仪表的滤波效应或平均效应，可稍放宽（一般表面粗糙度Ra 不超过0.4m 1.6m）。 被测体材料对测量结果的影响 传感器特性(这里指灵敏度)与被测体的电阻率和导磁率有关。当被测体为导磁材料（如普通钢、结构钢等）时，由于磁效应和涡流效应同时存在，而且磁效应与涡流效应相反，要抵消部分涡流效应，使得

10、传感器灵敏度降低；而当被测体为非导磁或弱导磁材料（如铜、铝、合金钢等）时，由于磁效应弱，相对来说涡流效应要强，因此传感器灵敏度要高。 被测体表面残磁效应对测量结果的影响 在材料加工过程中形成的残磁效应，以及淬火不均匀，硬度不均匀，结晶结构不均匀等都会影响传感器特性，API670 标准推荐被测体表面残磁不超过0.5 微特斯拉。当需要更高的测量精度时，应该用实际被测体进行校准。 被测体表面镀层对测量结果的影响： 不同的镀层材质，传感器灵敏度会发生不同的变化。如果镀层均匀，且厚度大于涡流渗透深度。则将传感器按镀层材料重新校准，不会影响使用。 高频同轴电缆的影响 高频同轴电缆也是影响电涡流传感器电气性

11、能的一个主要原因。由于传感器工作在高频状态（振荡频率约1MHz 左右），所以高频同轴电缆的频率衰减、温度特性、阻抗、长度等都成为影响传感器性能的因素！基于此种原因，所以，一般来讲，应该注意以下几点： 1、对于成品的电涡流传感器，探头与前置器之间的高频同轴除非应急，否则电缆不能随意互换，即使同一公司的同型号、同轴电缆长度相同的产品也是如此。否则可能带来较大的误差！ 2、对于成品的电涡流传感器，如果带有延伸电缆，在安装中，绝对不能为了方便而不接同轴电缆，否则可能使传感器不工作或带来较大的误差。 3、开发有一体化电涡流传感器，该产品把所有的电子处理器件都做在了探头杆内，而不需要高频同轴电缆连接。所以，其性能不受连接电缆的影响。 外界磁场的影响 电涡流传感器属于电感式传感器，由于其主要作用原理就是电涡流效应，所以，对于外界磁场的影响在工程应用中应该充分考虑！强的外界磁场肯定会影响传感器的性能。 1、对于外界静磁场，由于静磁场强度是一定的，方向与涡流磁场可能呈现各种状况，而一旦外界静磁场方向确定，其对涡流磁场的干扰也是一定的了。所以在实际的工程应用中，静磁场的影响可以通过现场的试验测量出传感器灵敏度的变化，通过后续电路或软件算法排除。 2、对于外界交变磁场，例如大型励磁机、频繁启动的大型电机、启动机等，其磁场方向和强度都可能不是一个确定的值，因而产生的交变磁场对涡流