传感器原理及应用第4章 电感式传感器课件

1、传感器原理及应用 第4章 电感式传感器主要内容：4.1 变磁阻式电感传感器 4.2 差动变压器式电感传感器4.3 电涡流式传感器 传感器原理及应用第4章 电感式传感器概述各种电感式传感器传感器原理及应用第4章 电感式传感器非接触式位移传感器测厚传感器电感粗糙度仪接近式传感器概述 电感式传感器是一种机电转换装置， 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 非电量（如位移、压力、流量、振动） 转换为电感或互感的变化。 按电感式传感器结构可分为： 自感式、互感式、电涡流式。传感器原理及应用第4章 电感式传感器4.1变磁阻式传感器（自感式） 4.1.1 工作原理 结构:由线圈、铁芯

2、、衔铁三部分组成。 铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为 ; 传感器运动部分与衔铁相连，衔铁移动时发 生变化引起磁路的磁阻Rm变化，使电芯线圈 的电感值L变化； 只要改变气隙厚 度或气隙截面积 就可以改变电感。传感器原理及应用第4章 电感式传感器4.1变磁阻式传感器（自感式） 4.1.1 工作原理线圈自感可按下式计算：式中： N 线圈匝数 ； Rm 磁路总磁组； So 气隙的截面积； 气隙厚度； o 导磁率（真空、空气） 传感器原理及应用第4章 电感式传感器因此变磁阻式传感器又分为： 变气隙厚度型（）变气隙的截面积型（S）4.1变磁阻式传感器（自感式） 4.1.2 输出特性 衔铁位移引起的电感变化

3、为：传感器原理及应用第4章 电感式传感器电感初始气隙0处初始电感量为L0 0LL0L0+LL0L4.1变磁阻式传感器（自感式） 4.1.2 输出特性 对上式作线性处理(忽略高次项)时讨论： 传感器测量范围与灵敏度和线性度相矛盾； 变间隙式电感传感器用于小位移比较精确； 一般取 /= 0.1-0.2； 为减小非线性误差，实际测量中多采用差动形式。传感器原理及应用第4章 电感式传感器 定义灵敏度 表示气隙变化引起电感的相对变化量4.1变磁阻式传感器（自感式） 4.1.2 输出特性 对上式进行线性处理并忽略高次项： 差动式灵敏度为： 当一个增加一个减小时电感总的变化为：传感器原理及应用第4章 电感式

4、传感器4.1变磁阻式传感器（自感式） 4.1.3 测量电路（转换电路） （1）交流电桥式检测电路两个桥臂由相同线圈组成，另外两个为平衡电阻传感器原理及应用第4章 电感式传感器 交流电桥结构示意图 等效电路4.1变磁阻式传感器（自感式） 4.1.3 测量电路（转换电路） （1）交流电桥式检测电路传感器原理及应用第4章 电感式传感器电桥输出电压U0与气隙变量是非线性的，只有当Q值很高时近似线性关系。桥路输出电压与桥压UAC有关，与初始气隙0有关。电压输出一个是与电源同相的分量，另一个与电源相差90度的正交分量，线圈品质因素Q较高时可以消除正交分量，输出可写为：4.1变磁阻式传感器（自感式） 4.1

5、.3 测量电路（2）变压器式交流电桥检测电路 电桥的两臂是传感器线圈阻抗臂、另外两个臂是交流变压器次级线圈各占12，交流供电。 桥路输出电压为：传感器原理及应用第4章 电感式传感器4.1变磁阻式传感器（自感式） 4.1.3 测量电路（2）变压器式交流电桥检测电路 衔铁上下移动相同距离时，输出电压大小相等方向相反， 相差180，要判断衔铁方向就是判断信号相位，用相敏检波。传感器原理及应用第4章 电感式传感器 当衔铁在中间位置 Z1=Z2=Z U0=0 当衔铁偏移时输出电压当衔铁偏向另一方向4.1变磁阻式传感器（自感式） 4.1.3 测量电路（3）谐振式（调幅、调频、调相） 调幅式电路输出幅值随电

6、感L变化 调频电路电感L变化时谐振频率变化传感器原理及应用第4章 电感式传感器4.2 差动变压器式传感器（互感式）4.2.1 工作原理 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互感式传感器。结构：中间初级，两边次级 铁芯在骨架中间可上下移动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差动形式连接。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器。 它可测量1100mm范围内机械位移。传感器原理及应用第4章 电感式传感器次级次级骨架初级衔铁次级次级初级4.2 差动变压器式传感器（互感式） 4.2.1 工作原理 等效电路： 初级L1，次级线圈L2a、L2b必须

7、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 互感系数相等传感器原理及应用第4章 电感式传感器差动输出电压为零：电动势相等4.2 差动变压器式传感器（互感式）4.2.2 基本特性 由此得到输出电压有效值为 ： 可见输出电压与互感的差值有关传感器原理及应用第4章 电感式传感器根据电磁感应定律，次级感应电动势分别为输出电压初级电流4.2 差动变压器式传感器（互感式）4.2.2 基本特性传感器原理及应用第4章 电感式传感器 铁芯在中间位置时 Ma=Mb=M 铁芯向上移（右移）Ma = M+M，Mb = M-M 输出与E2a同极性； 铁芯向下移（左移） Ma = M-M，Mb

8、= M+M输出与E2b同极性；4.2 差动变压器式传感器（互感式）传感器原理及应用第4章 电感式传感器差动变压器结构形式4.2 差动变压器式传感器（互感式）传感器原理及应用第4章 电感式传感器差动变压器传感器的应用4.2 差动变压器式传感器（互感式）4.2.3 零点残余电压 理论上讲，铁芯处于中间位置时输出电压应为零U0=0，而实际输出U00，在零点上总有一个最小的输出电压，这个铁芯处于中间位置时最小不为零的电压称为零点残余电压。产生这个电压的原因是：由于两个次级线圈绕组电气参数 （M互感 L电感 R内阻）不同，几何尺寸工艺上很难保证完全相同，使实际的特性曲线总有最小输出。主要成分是频率、幅度

9、不同的基波 、谐波，零点残余电压过大会使灵敏度下降，非线性误差增大，放大器末级饱和，因此是直接影响传感器质量的参数。为减小零点残余电压的影响 变压器工艺上采取措施， 电路补偿传感器原理及应用第4章 电感式传感器4.2 差动变压器式传感器（互感式）4.2.3 零点残余电压 不同形式的零点残余电压补偿电路传感器原理及应用第4章 电感式传感器4.2 差动变压器式传感器（互感式）4.2.4差动变压器式传感器及测量电路 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。（1）差动整流电路 输入一交流信号时整流电路的输出电压为：U0 = U24-U68， 铁芯T在中

10、间位置 ，U24 = U68 U0 = 0T上移，U24 U68 U0 0，T下移，U24 U68 U0 0传感器原理及应用第4章 电感式传感器4.2 差动变压器式传感器（互感式）4.2.4差动变压器式传感器及测量电路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传感器原理及应用第4章 电感式传感器 铁芯上移 铁芯下移U0U04.2 差动变压器式传感器（互感式）4.2.4差动变压器式传感器及测量电路（2）集成相敏检波电路 传感器原理及应用第4章 电感式传感器4.2 差动变压器式传感器（互感式）4.2.4 差动变压器式传感器及测量电路

11、输出正负电压的结果由相敏检波后反行程旋转 由，工作曲线为过零点的直线。 相敏检波前后输出特性传感器原理及应用第4章 电感式传感器4.2 差动变压器式传感器（互感式）4.2.5 应用举例 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。传感器原理及应用第4章 电感式传感器（1）压差计 当压差变化时，腔内膜片位移使差动变压器次级电压发生变化，输出与位移成正比，与压差成正比。4.2 差动变压器式传感器（互感式）4.2.5 应用举例传感器原理及应用第4章 电感式传感器（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

12、变压器的输出反映液位高低。4.2 差动变压器式传感器（互感式）4.2.5 应用举例（3）电感测厚仪（二极管相敏检波电路)L1、L2是传感器作为两个桥臂；C1、C2是另外两个桥臂；D1-D4组成相敏整流器；RP1调零电位器，RP2调电流表满度；传感器原理及应用第4章 电感式传感器 被测厚度正常时L1=L2，Uc=Ud 电桥平衡电流表无电流； 被测厚度变化时， 设L1 L2，Z1Z2， 正半周时D1、D4导通，I1 I4 负半周时D2、D3导通，I3 I2 无论极如何性始终有Ud Uc 点电位 若L1L2， Z1Z2， Ud Uc4.2 差动变压器式传感器（互感式）4.2.5 应用举例微压传感器

13、传感器原理及应用第4章 电感式传感器 4.3 电涡流式传感器 由法拉第电磁感应原理可知：一个块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作用切割磁力线运动时，导体内部会产生一圈圈闭和的电流，这种电流叫电涡流，这种现象叫做电涡流效应。根据电涡流效应制作的传感器称电涡流传感器; 电涡流式传感器最大的特点是能够对位移、厚度、表面 温度、速度、应力、材料损伤等被测量进行非接触测量。 形成电涡流必须具备两个条件： 存在交变磁场 导电体处于交变磁场中传感器原理及应用第4章 电感式传感器4. 3 电涡流式传感4.3.1 工作原理 把一个扁平线圈置于金属导体附近，当线圈中通以交变电流I1时，线圈周围空间产生交变磁场

14、H1，当金属导体靠近交变磁场中时，导体内部就会产生涡流I2，这个涡流同样产生反抗H1的交变磁场H2 。涡流线圈结构虽然简单，但要定量分析是很困难的，可根据实际情况建立一个模型，求出模型的等效电路。传感器原理及应用第4章 电感式传感器4. 3 电涡流式传感4.3.2 等效电路分析 根据涡流的分布，可以把涡流所在范围近似看成一个单匝短路次级线圈。线圈远离被测体时，相当次级开路原线圈的电感L10和电阻R10阻抗为：传感器原理及应用第4章 电感式传感器当线圈靠近金属导体时，次级线圈通过互感 M 对初级作用，等效电路的两个回路方程（基尔霍夫第二定律）：4. 3 电涡流式传感4.3.2 等效电路分析等效电

15、感为：传感器原理及应用第4章 电感式传感器解方程得到金属靠近后传感器（初级）的等效阻抗线圈等效电阻为：4. 3 电涡流式传感4.3.2 等效电路分析结论： 凡是能引起 R2 L2 M变化 的物理量均可以引起传 感器线圈R1 、L1的变化。 被测体（金属）的电阻 率、导磁率、厚度d， 线圈与被测体间的距离X， 激励线圈的角频率等 都通过涡流效应和磁效 应与线圈阻抗Z发生关系传感器原理及应用第4章 电感式传感器R2L2M L1 R1Xd4. 3 电涡流式传感4.3.2 等效电路分析结论： 、d、X、的变化使R1、L1发生变化， 若控制某些参数不变，只改变其中一个参数， 可使阻抗 Z 成为这个参数的

16、单值函数。传感器原理及应用第4章 电感式传感器 等效阻抗与这些参数有函数关系： 4. 3 电涡流式传感4.3.3 涡流的分布和强度 涡流的分布： 因为金属存在趋肤效应，电涡流只存在于金属导体的表面薄层内,存在一个涡流区，实际上涡流的分布是不均匀的。涡流区内各处的涡流密度不同，存在径向分布和轴向分布。传感器原理及应用第4章 电感式传感器金属扁平线圈涡流区r/ros1hrosj4. 3 电涡流式传感4.3.3 涡流的分布和强度 径向分布： 涡流范围与涡流线圈外径有一固定比例关系， 线圈外径确定后涡流范围也就确定了。 线圈外径处，r = ros 金属涡流密度最大； 线圈中心处，r = 0 涡流密度为

17、零(j=0)； r 0.4ros处（以内）基本没有涡流； r = 1.8ros线圈外径处涡流密度衰减到最大值的5%。 涡流密度最大值在线圈外径附近一个狭窄区域内传感器原理及应用第4章 电感式传感器金属扁平线圈涡流区r/ros1hrosj4. 3 电涡流式传感4.3.3 涡流的分布和强度传感器原理及应用第4章 电感式传感器 轴向分布： 由于趋肤效应涡流只在表面薄层存在， 沿磁场H方向（轴向）也是分布不均匀的。JzJo/ehzh 趋肤深度j0 金属表面涡流密度(最大）jz 金属表面距离Z处的涡流距离金属表面Z处涡流按指数规律衰减；4. 3 电涡流式传感4.3.3 涡流的分布和强度 强度：当线圈与被

18、测体距离（X）改变时，电涡流密度 发生变化，强度也要变化。金属导体表面的电涡流强 度I2 与距离X是非线性关系，随 x/r上升而下降。传感器原理及应用第4章 电感式传感器I2只有在x/rros时电涡流很弱了，测大位移时线圈直径2ros要大X/rosI2/I11.01 2 3 44. 3 电涡流式传感4.3.4 测量电路传感器原理及应用第4章 电感式传感器调幅式 调频式L为电涡流线圈4.3 电涡流式传感4.3.4 测量电路变频调幅式电路原理传感器原理及应用第4章 电感式传感器X金属4. 3 电涡流式传感4.3.4 测量电路变频调幅式 输出特性传感器原理及应用第4章 电感式传感器4. 3 电涡流式

19、传感4.3.5 电涡流传感器的应用 电涡流传感器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（5）金属零件计数、尺寸检测、光洁度检测 传感器原理及应用第4章 电感式传感器4. 3 电涡流式传感4.3.5 电涡流传感器的应用电涡流传感器传感器原理及应用第4章 电感式传感器4. 3 电涡流式传感4.3.5 电涡流传感器的应用 低频透射式涡流厚度传感器 传感器原理及应用第4章 电感式传感器4. 3 电涡流式传感4.3.5 电涡流传感器的应用 高频反射式涡流厚度传感器，可减小因为振动引起的干扰 厚度不变时 X1+X2 = 常数，输出电压 = 2U 厚度变化时，输出电压 = 2U+U 给定厚度与变化值的代数和就是被测带材厚度。 传感器原理及应用第4章 电感式传感器电涡流金属板、带材厚度测量4. 3 电涡流式传感4.3.5 电涡流传感器的应用 电涡流探伤 金属表面裂纹、热处理裂纹、焊接处质量