电感式传感器 学生

2023/2/41第4章电感式传感器把被测参量转换为电感变化的传感器自感式电感传感器互感式传感器电涡流式传感器☆☆☆☆☆☆inductanceelectro-magnetic2023/2/42电感传感器的基本工作原理演示F220V准备工作2023/2/43电感传感器的基本工作原理演示气隙变小，电感变大，电流变小F2023/2/44第四章电感式传感器原理：利用磁路磁阻变化，引起传感器线圈的电感（自感L或互感M）的变化。优点结构简单可靠输出功率大输出阻抗小抗干扰能力强对工作环境要求不高分辨力较高稳定性好缺点频率响应低不宜于快速动态测量inductor2023/2/45按磁路几何参数变化

变气隙式、变面积式、螺管式按线圈组成方式

单一式，差动式电感式传感器种类自感式传感器互感式传感器电涡流式传感器分类今日要点

电涡流式传感器

自感式传感器

互感式传感器

实际工程应用案例64.1自感式传感器测量电路

※交流电桥式测量电路

※变压器式交流电桥

※

谐振式测量电路

自感式传感器

※变气隙式自感传感器

※变面积式自感传感器

※螺旋型自感传感器

72023/2/484.1自感式传感器(变磁阻式传感器)一、变气隙式自感传感器单一式1—线圈，2—铁心3—衔铁线圈自感：W—线圈的匝数，Rmi—i段的磁阻RM—磁路总磁阻第i段磁路的平均长度第i段磁路的横截面积第i段磁路的导磁率又self-inductorgapdistance2023/2/49当时所以：：气隙的厚度：磁路导磁率：磁路相对导磁率：空气的导磁率d磁阻铁芯衔铁磁阻气隙磁阻2023/2/410一般情况下：∴要改变Lδ

气隙厚度

S0气隙截面积

气隙导磁率在中2023/2/411（i）当衔铁下移：<<D1dd-=0LLLD0ddD=L0当单一变气隙式自感传感器输出特性2023/2/41201dd=D=DL0Lk当衔铁上移同理灵敏度：L0δ0L0-ΔLδ

0+ΔδL0+ΔLδ

0-ΔδLδ∴2023/2/413

由此可见,变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾,所以变隙式电感传感器用于测量微小位移时是比较精确的。为了减小非线性误差,实际测量中广泛采用差动变间隙式电感传感器。2023/2/414灵敏度：差动式传感器结构图①差动式比单线圈式的灵敏度高一倍。②差动式的非线性项等于单线圈非线性项乘以（Δδ/δ0）因子,线性度得到明显改善。

差动变气隙式自感传感器输出特性L1L2结论2023/2/415二、变面积型自感传感器 changesectionalarea

单一式D±=SSS0D±=WSSL2)(200dmD±=SSL10=WSL02200dm忽略

RF初始电感：单一式变面积型12δaΔ3+2023/2/416差动式差动式变截面积+2023/2/417三、螺旋型自感传感器1—螺管线圈2—衔铁3—磁性套筒假设线圈的长径比L/r>>1线圈内部的磁场认为是均匀的+单一式差动式screw-type2023/2/418当衔铁处于中间位置时，x1=x2=x0,L1=L2若偏离中心位置时：三种自感传感器的比较变面积式、螺旋式传感器线性度好，示值范围大变气隙式传感器非线性强，示值范围小变气隙式传感器灵敏度高，螺旋式传感器最低螺旋式比变面积式传感器互换性好+xxxxxxD+=D-=0201,2023/2/419

上面分析时，将自感线圈看成理想的纯电感，实际上存在损耗。RC——线圈铜耗电阻Re——铁心涡流损耗电阻Rh——磁滞损耗电阻C——线圈的寄生电容更换电缆后必须重新校准或采用并联电容调准四、等效电路equivalentcircuit等效电路2023/2/420交流电桥测量电路

五、测量电路交流电桥式测量电路交流电桥测量电路,电源电压为UAC、输出电压为U0

。把传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂Z1和Z2,另外二个相邻的桥臂用纯电阻代替。

当：电桥平衡时U0=0Measuringcircuit2023/2/421

1.交流电桥式测量电路对于高Q值（Q=ωL/R）的差动式电感传感器,其输出电压：将ΔL=2L0（Δδ/δ0）代入，得出电桥输出电压与Δδ有成正比。2023/2/4222023/2/4232.变压器式交流电桥变压器式交流电桥测量电路如图所示,电桥两臂Z1、Z2为传感器线圈阻抗,另外两桥臂为交流变压器次级线圈的1/2阻抗。当负截阻抗为无穷大时,桥路输出电压变压器式电桥测量电路2023/2/424当传感器的衔铁处于中间位置，即：Z1=Z2=Z时有=0,电桥平衡。当传感器衔铁上移时，即Z1=Z-ΔZ,Z2=Z+ΔZ,此时当传感器衔铁下移时

由于是交流电压,输出指示无法判断位移方向,必须配合相敏检波电路来解决。2023/2/4253.谐振式测量电路谐振式测量电路有谐振式调幅电、谐振式调频电路如图所示。谐振式调幅电路谐振式调频电路2023/2/426

在调幅电路中,传感器电感L与电容C、变压器原边串联在一起,接入交流电源,变压器副边将有电压输出,输出电压的频率与电源频率相同,而电压幅值随着电感L而变化。关系曲线表明,其中L0为谐振点的电感值,此电路灵敏度很高,但线性差,适用于线性要求不高的场合。谐振式调幅电路2023/2/427

调频电路的基本原理是传感器电感L变化将引起输出电压频率的变化。一般是把传感器电感L和电容C接入一个振荡回路中。当L变化时,振荡频率随之变化,根据f的大小即可测出被测量的值。特性曲线表明,它具有明显的非线性关系。谐振式调频电路4.2差动变压器是传感器测量电路

※差动整流电路

※相敏检波电路互感式传感器（差动变压器式）

※

工作原理

※输出特性

※测量电路

☆☆282023/2/4294.2互感式传感器(差动变压式)

被测量使衔铁移动，引起初次级线圈间的互感变化，形成输出电压的变化。M1M2差动变压器等效电路mutual-inductor2023/2/43011LjrUIw+=&&11一、工作原理输出电压输出阻抗M1M2差动变压器等效电路Principle+2023/2/431①当衔铁处中间位置②当衔铁偏离中间位置+2023/2/432(a,b,c)变气隙式、(d,e)变面积式、(f)螺旋式差动变压器结构2023/2/433差动变压器输出特性：紧耦合情况下：上对线圈互感下对线圈互感L1为上对线圈自感L2为下对线圈自感L1、L2变化衔铁移动M1、M2变化所以二、输出特性12211.1.210)()(NNLLIjIMMjU--=--=ww+Characteristics2023/2/434忽略两个激励线圈的直流电阻，激励电流为：将激励电流代入输出电压得：设：向下移动Δδ,则将L1、L2代入输出电压,得：（忽略了高次项）0120ddD··=NNUUE+2023/2/435

若不忽略直流电阻，则应考虑同相分量和正交分量，得到输出电压幅值当激励频率过低时结论2001201+D··=LRNNUUEwddwdd·´D··=RLNNUUE00120<<ωL0R1灵敏度随频率增加而增加+<<LRω02023/2/436当激励频率增加结论ddD··=NNUUE0120>>ωL0R1在一定工作范围内输出电压与频率无关2001201+D··=LRNNUUEwdd导线趋肤效应铁损+>>LRω02023/2/437实际特性曲线理论特性曲线ΔU0零点残余电压输出电压特性曲线零点残余电压☆☆residualvoltageatzero372023/2/438实际上,当衔铁位于中心位置时,差动变压器输出电压并不等于零,我们把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压。零点残余电压主要是由传感器的两次级绕组的电气参数与几何尺寸不对称，以及磁性材料的非线性等问题引起的。零点残余电压一般在几十毫伏以下，在实际使用时，应设法减小。382023/2/439三、测量电路：差动变压器输出的是交流电压,若用交流电压表测量,只能反映衔铁位移的大小,而不能反映移动方向。测量值中将包含零点残余电压。为了达到能辨别移动方向和消除零点残余电压的目的,实际测量时,常常采用差动整流电路和相敏检波电路。Measuringcircuit09:4140桥路联接桥路的灵敏度是反串联接法的一半，由于有Rω，则无需调零电路。结论1.差动整流电路22212UUU-=反串联接)(21)(2122212222212UUUUUU-=-+=1U22U21U2UU22U21U0UR1R2RW+2023/2/441全波电流输出当衔铁位于零位当衔铁位于零位以上当衔铁位于零位以下Iab＝I1－I2I1＝I2Iab＝0I1>I2Iab>0I1<I2Iab<0半波电流输出2023/2/442电流输出型电路，用在低阻抗负载场合电压输出型电路，用在高阻抗负载场合注意当衔铁位于零位当衔铁位于零位以上当衔铁位于零位以下Uab＝Uac－UbcUac＝UbcUab＝0Uac>UbcUab>0Uac<UbcUab<0全波电压输出半波电压输出432023/2/4442.相敏检波电路u0的幅值要远大于输入信号u2的幅值,以便有效控制四个二极管的导通状态。u0和u2由同一振荡器供电，保证二者同频、同相或反相。输入检测信号u2参考信号u0☆☆2023/2/445★设位移Δx>0u2与u0同频同相★若u2与u0均为正半周

VD1、ＶD4截止

VD2、VD3导通可得等效电路：

(n1,2是T1,2的变压比)+-2023/2/446★当u2、u0均为负半周

VD2、VD3截止

VD1、VD4导通

只要位移Δx>0,不论u2与u0是正半周还是负半周,负载RL两端得到的电压uL均为正。结论：-+2023/2/447同理，当Δx<0时,u2与u0为同频反相。采用上述相同的分析方法不难得到当Δx<0时,不论u2与u0是正半周还是负半周,负载电阻RL两端得到的输出电压uL表达式总是为负。

所以上述相敏检波电路输出电压uL的变化规律充分反映了被测位移量的变化规律,即uL的值反映位移Δx的大小,而uL的极性则反映了位移Δx的方向。电涡流式传感器

1、工作原理

2、电涡流传感器分类

3、应用举例☆☆4.3电涡流式传感器eddycurrent优点：实现非接触式测量482023/2/449一、基本原理1.电涡流效应

成块的金属置于激励线圈产生的交变磁场中，金属体内则产生感应电流，电流流线呈闭合的水涡曲线——电涡流效应。DXbd金属导体线圈2R2rh2023/2/450I2/I1X/DI2－金属导体上的电涡流强度I1－激励线圈中的电流X

－金属导体表面至线圈的距离D－激励线圈的外直径2.金属导体上的电涡流强度与距离的关系：I2正比于I1I2随X/D的增加而减少式中X/D=0.05-0.15时线性好，灵敏度高2023/2/4513.由于趋肤效应，电涡流只能在金属导体靠近激励线圈的表面薄层形成，电涡流的轴向渗透深度：ρ－金属导体的电阻率μ－金属导体的导磁率f

－激磁频率h2r2R2R＝1.39D2r＝0.525D其中：R－电涡流区的外半径r－电涡流区的内半径D－激励线圈的外直径金属导体表面不应少于激励线圈外径的两倍。2023/2/4524.电涡流传感器分类：I透射式电涡流传感器工作过程：金属板越厚U2越小涡流损失大d—金属板的厚度h—涡流贯穿深度k—比例常数22111ULHIU®®®®2023/2/453II反射式电涡流传感器：（i）工作过程（ii）等效电路互感M的大小与线圈至导体的距离X成反比方向相反22111HIHIU®®®®M。。1U1I2I+2023/2/454iii）等效电路的电压平衡方程Q0＝ωL1/R1Q0－为品质因素式中：Z＝R+jωL为等效阻抗，即()()îíì=-+=-+0122212111IMjLjRIUIMjLjRIwwww11IUZ=;22222222122222222111ïïîïïíì+-=++==LRMLLLLRMRRRZIUwwwwM。。1U1I2I+2023/2/455由上可知ρ为变量x

为变量μ为变量ρx

变化→其余参数不变→→其余参数不变→判别材质位移，厚度，振动，转速等应力，硬度等探伤装置→其余参数不变→→其余参数不变→产生涡流时，Q下降为☆☆2023/2/456作业P844－5,7,82023/2/457应用——涡流式传感器涡流式传感器1-壳体2-框架3-线圈4-保护套5-填料6-螺母7-电缆2023/2/4581.低频透射式涡流厚度传感器透射式涡流厚度传感器结构原理图可根据U2电压的大小得知被测金属板的厚度。检测范围:1～100mm分辨率:0.1μm线性度:1%。2023/2/4592.高频反射式涡流厚度传感器为了克服带材不够平整或运行过程中上下波动的影响,在带材的上、下两侧对称地设置了两个特性完全相同的涡流传感器S1、S2

。S1、S2与被测带材表面之间的距离分别为x1和x2。若带材厚度不变,则被测带材上、下表面之间的距离总有x1+x2=常数。两传感器的输出电压之和为2U0数值不变。如果被测带材厚度改变量为Δδ,则两传感器与带材之间的距离也改变了一个Δδ,两传感器输出电压此时为2Uo+ΔU。2023/2/460高频反射式涡流测厚仪测试系统图2023/2/4613.电涡流式转速传感器

在软磁材料制成的输入轴上加工一键槽,在距输入表面d0

处设置电涡流传感器,输入轴与被测旋转轴相连。这种转速传感器可实现非接触式测量,抗污染能力很强,可安装在旋转轴近旁长期对被测转速进行监视。最高测量转速可达600000r/min(转/分)。电涡流式转速传感器工作结构原理图2023/2/462电涡流位移传感器在空预器间隙控制系统中的应用2023/2/463容克式空气预热器2023/2/464径向漏风上部径向漏风下部径向漏风周向漏风携带漏风

容克式空气预热器的漏风问题2023/2/465如果不采取措施，满负荷下将有大约60%的漏风是通过上部径向变形间