電感式傳感器討論課教材

1、電感式傳感器的基本原理及典型應(yīng)用指導(dǎo)教師：邊 輝 班 級：機電一班 小組成員：撰寫時間： 2015.06.07摘要本文主要介紹了基于自感原理的電感式傳感器，采用互感原理的互感式傳感器的差動變壓器式傳感器和電渦流式傳感器。 分別介紹了 一下它們的工作原理和優(yōu)點及缺點。因其結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)響應(yīng)快、易 實現(xiàn)非接觸測量等突出的優(yōu)點，目前在冶金、石油、化工、煤炭、水 泥、糧食等行業(yè)中應(yīng)用廣泛。摘要1.一、自感式傳感器： 4.1. 氣隙型電感式傳感器 4.2. 螺管式電感傳感器 6.3. 電感線圈的等效電路 6.5.傳感器應(yīng)用 7.二、差動變壓器 8.1. 結(jié)構(gòu)和工作原理 8.2. 基本特性 8.3. 測量

2、電路 9.4. 差動變壓器的應(yīng)用 9.三、電渦流式傳感器 1.1.1. 電渦流式傳感器的工作原理 1.12. 高頻反射式高頻反射式電渦流傳感器 1. 23. 測量電路 1.3.4. 電渦流式傳感器的應(yīng)用 1.3前言電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理， 利用線圈自感或互感的變化 來實現(xiàn)非電量電測的一種裝置。利用這種轉(zhuǎn)換原理，可以測量位移、振動、壓力、應(yīng)變、流量、密度等參數(shù)電感式傳感器具有以下優(yōu)點：（1）結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠；（2）靈敏，分辨率高（位移變化可達(dá) 0.01m）；（3）零點穩(wěn)定，漂移最小可達(dá) 0.1m；（4）測量精度高，線性好（非線性誤差可達(dá) 0.05%0.1%）；（5）輸出功率大，即使不用

3、放大器，一般也有（ 0.15）V/mm 的 輸出值，且性能穩(wěn)定。電感式傳感器的主要缺點： 頻率響應(yīng)較低， 不宜用于快速動態(tài)信愈 圍 范L 量 測號的測量； 分辨率和示值誤差與測量范圍有關(guān)，自 基于 是和示值精度相應(yīng)降低；存在交流零位信號。電感式傳感器的種類有很多， 通常所說的電感式傳感器 感原理的自感式傳感器； 而采用互感原理的互感式傳感器有差動變壓 器式傳感器（利用變壓器原理，且往往做成差動 感器。電感式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、 動態(tài)響應(yīng)快、 易實現(xiàn)非接觸測量等 突出的優(yōu)點，特別適合用于酸類，堿類，氯化物，有機溶劑，液態(tài)CO2，氨水， PVC 粉料，灰料，油水界面等液位測量，目前在冶金、 石油、

4、化工、煤炭、水泥、糧食等行業(yè)中應(yīng)用廣泛。一、自感式傳感器：1. 氣隙型電感式傳感器（1）工作原理Rm l 1 l 2磁路總磁阻為：m 1S1 2S2 0S線圈電感為： L W2/ Rm故：l2L W2 / 11S12S20S由于電感式傳感器的鐵芯磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于空氣磁導(dǎo)率，故：W 2 0S2）特性分析：其特性曲線：可以看出：當(dāng)氣隙發(fā)生變化， 電感的變化與氣隙變化呈非線性關(guān)系， 其非線性程度隨氣隙相對變化增 大而增大。氣隙減小所引起的電感變化與同樣的氣隙增大引起的電感變化并不相等。2. 螺管式電感傳感器（1）原理： 經(jīng)過推導(dǎo)得：4 AW 2l10 7(H )不難看出，其有測量范圍大，數(shù)百毫米，靈敏度

5、低，大量程直線位移特點。3. 電感線圈的等效電路電感線圈的等效電路（如圖）4. 測量電路交流電橋是電感式傳感器和電容式傳感器的主要測量電路， 傳感器電容的變化轉(zhuǎn)換為橋路的電壓或者電流輸出。 常用工作電路有：它的作用是將床干起線圈電感或單臂工作雙臂工作（差動形式）圖是常用雙臂工作示意圖：則有U 0 UAC2UACj L U AC L R0 j L 0 2 L05. 傳感器應(yīng)用也可電感式傳感器般用于接觸測量， 可用于靜態(tài)和動態(tài)測量。 測量的基本量是位移， 以用于振動、壓力、荷重、流量、液位等參數(shù)測量。常用有：電感測微儀、電感壓力傳感器等。、差動變壓器1. 結(jié)構(gòu)和工作原理1.1 結(jié)構(gòu)差動變壓器式傳感

6、器的結(jié)構(gòu)主要為螺管型，如圖 1-1 所示（為三段式差動變壓器） 。線 圈由初級線圈（激勵線圈，相當(dāng)于變壓器原邊） P 和次級線圈（相當(dāng)于變壓器的副邊） S1、 S2 組成；線圈中心插入圓柱形鐵芯（銜鐵）b。1.2 工作原理其電氣連接如圖 1-2 所示。差動變壓 所不同之處在于： 一般變壓器是 副繞組之間的互感是常數(shù)， 差動變壓器式傳感器的工差動變壓器的兩個次級線圈反相串接， 器工作原理與一般變壓器的工作原理是一致的， 閉合磁路，而差動變壓器是開磁路；一般變壓器原、 而差動變壓器原、 副邊之間的互感隨鐵芯移動而變動 作原理正是建立在互感變化的基礎(chǔ)上。2. 基本特性靈敏度： 差動式變壓器在單位電壓

7、激磁下、 鐵芯移動單位距離時所產(chǎn)生的 輸出電壓的變化，其單位為 mV/（ mm*V）。頻率特性：差動變壓器的激磁頻率一般以 50Hz10kHz較為合適。 相位：差動變壓器的次級電壓對初級電壓通常導(dǎo)前幾度到幾十度的相角。 線性范圍： 理想的差動變壓器次級輸出電壓與鐵芯位移成線性關(guān)系， 由于 直徑、長度、材料的不同和線圈骨架的形狀、大小的不同等影響，一般差動變壓 器的線性范圍約為線圈骨架長度的 1/101/4 。 溫度特性： 在造成溫度誤差的各項原因中， 影響最大的是初級線圈的電阻溫度系數(shù)。 零點殘余電壓： 零點殘余電壓波形復(fù)雜， 包含了基波同相成分、 基波正交 成分、二次及三次諧波和較小的電磁干

8、擾波。3. 測量電路不平衡測量電路包含 : 交流電壓測量、相敏檢波電路、差動整流電路、動態(tài) 位移測量。平衡測量量電路包含：自動平衡電路、力平衡電路。4. 差動變壓器的應(yīng)用4.1 位移測量 差動變壓器測量的基本量仍然是位移。 它可以作為精密測量儀的主要部件， 對零 件進(jìn)行多種精密測量工作， 如內(nèi)徑、外徑、不平行度、 粗糙度、不垂直度、振擺、 偏心和橢圓度等； 作為軸承滾動自動分選機的主要測量部件， 可以分選大、 小鋼 球、圓柱、圓錐等；用于測量各種零件膨脹、伸長、應(yīng)變等。圖 4-1 為測量液位的原理圖。 當(dāng)某一設(shè)定液位使鐵芯處于中心位置時， 差動 變壓器輸出信號 Uo=0；當(dāng)液位上升或下降時，

9、Uo 0，通過相應(yīng)的測量電路便 能確定液位的高低。圖 4-1 液位測量4.2 振動和加速度測量 利用差動變壓器加上懸臂梁彈性支承可構(gòu)成加速度計。 為了滿足測量精度， 加速 度計的固有頻率應(yīng)比被測頻率上限大 35 倍。由于運動系統(tǒng)質(zhì)量 m不可能太小， 而增加彈性片剛度 k 又使加速度計靈敏度受到影響， 因此系統(tǒng)固有頻率不可能很 高。所以，能測量的振動頻率上限就受到限制，一般在 150Hz 以下。如圖 4-2 就是這種形式下的加速度計的結(jié)構(gòu)和測量電路示意圖。 高頻時加速度測量用壓電 式傳感器。圖 4-2 差動變壓器加速度計結(jié)構(gòu)及其測量電路框圖(a) 結(jié)構(gòu)； (b) 測量電路框圖1- 彈性支承； 2

10、- 差動變壓器4.3 壓力測量 差動變壓器和彈性敏感元件組合， 出是標(biāo)準(zhǔn)信號，常稱為變送器。可以組成開環(huán)壓力傳感器由于差動變壓器輸圖 4-3 微壓變送器及測量電路框圖(a) 微壓變送器； (b) 測量電路框圖1-接頭； 2-膜盒； 3-底座； 4-線路板； 5-差動變壓器線圈；6-銜鐵； 7-罩殼； 8-插頭； 9-通孔 這種微壓力變送器， 經(jīng)分檔可測 ( 4+6) 104N/m2的壓力，輸出信號電壓 為 050mV，精度 1.0 級、 1.5 級。4.4 差動變壓器測速 差動變壓器測速的工作原理如圖 4-4 所示。差動變壓器的原邊勵磁電流由 交、直流同時供給。圖 4-4 差動變壓器測速裝置原

11、理框圖三、電渦流式傳感器1. 電渦流式傳感器的工作原理成塊的金屬導(dǎo)體置于變化著的磁場中時， 金屬導(dǎo)體內(nèi)就要產(chǎn)生感應(yīng)電流， 這種電流的流 線在金屬導(dǎo)體內(nèi)自動閉合， 通常稱為電渦流。 電渦流式傳感器 (線圈 -金屬導(dǎo)體系統(tǒng) )就是一種 基于電渦流效應(yīng)原理的傳感器。電渦流的大小與金屬導(dǎo)體的電阻率 、導(dǎo)磁率 、 厚度 t 以及線圈與金屬之間的距離 x 、線圈的激磁電流角頻率 等參數(shù)有關(guān)。 若保持其中若干參數(shù) 恒定，就能按電渦流大小對線圈的作用的差異來測量另外某一參數(shù)。電渦流傳感器結(jié)構(gòu)簡單、頻率響應(yīng)寬、靈敏度高、抗干擾能力強、測量線性范圍大，而 且又具有非接觸測量的優(yōu)點， 因此廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研

12、究的各個領(lǐng)域。 電渦流傳感 器可以測量位移、振動、厚度、轉(zhuǎn)速、溫度等參數(shù)，并且還可以進(jìn)行無損探傷和制作接近開 關(guān)。電渦流傳感器主要有兩種類型： 高頻反射式和低頻透射式， 其中高頻反射式電渦流傳感 器應(yīng)用較為廣泛。2. 高頻反射式高頻反射式電渦流傳感器2.1 基本原理當(dāng)線圈通交變電流 i1 時，線圈周圍就產(chǎn)生交變磁場1。 此時金屬板中將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，從而形成電渦流 i 2 ，此時又產(chǎn)生一個磁場 H2 。由于 H 2 對線圈的反作用 （減弱線圈原磁場 ）, 從而導(dǎo)致線圈的電感量 L、阻抗 Z或品質(zhì)因數(shù) Q 發(fā)生變化。線圈2.2 等效電路由線圈金屬導(dǎo)體系統(tǒng)構(gòu)成的電渦流傳感器可以用右圖所示的等效電路

13、來分析。 線圈回路電 阻 R1，電感為 L 1,激勵電流為 I 1 ，激勵電壓為 E1，金屬導(dǎo)體中的電渦流等效為一個短路線圈構(gòu)成另一個回路，渦流電阻為 R 2 ，渦流環(huán)路電感為 L 2 ，電渦流為 I 2 ，線圈和導(dǎo)體之間 的環(huán)系數(shù)為 M 。3. 測量電路根據(jù)電渦流傳感器的原理，被測參量可以由傳感器轉(zhuǎn)換為傳感器線圈的阻抗Z、電感 L或品質(zhì)因數(shù) Q 等三個電參數(shù)。究竟利用哪個參數(shù)并將其最后變換為電壓或電流信號輸出， 這要由測量電路決定。電渦流傳感器作測量時，為了提高靈敏度，用已知電容 C 與傳感器 線圈并聯(lián) (一般在傳感內(nèi) ) 組成 LC 并聯(lián)諧振回路。傳感器線圈等效電感的變化使并聯(lián)諧振回 路的

14、諧振頻率發(fā)生變化， 將其被測量變換為電壓或電流信號輸出。 并聯(lián)諧振回路的諧振頻為 :2 LC目前，電渦流傳感器所配用的諧振式測量電路有調(diào)幅式和調(diào)頻式兩類，以及交流電橋 測量電路。4. 電渦流式傳感器的應(yīng)用4.1 位移測量凡是可變換成位移量的參數(shù)，都可以用電渦流式傳感器來測量軸向位移 (a)；磨床換向閥、先導(dǎo)閥的位移 (b) ；金屬試件熱膨脹系數(shù) (c)1-被測試件 2-電渦流傳感器4.2 振幅測量(a)監(jiān)控徑向振動； (b)測量渦輪葉片振幅 ； (c)多個傳感器并排在軸附近1-被測試件； 2-電渦流傳感器4.3 尺寸測量幾何尺寸測量電渦流傳感器4.4 電渦流溫度測量 在較小的溫度范圍內(nèi)金屬導(dǎo)體的電阻率 與溫度 t 的關(guān)系可以用下式表示：t 0 (1t )t 、 0分別表示溫度 t、t 0時材料的電阻率；為電阻溫度系數(shù)， t 為溫度變化。4.5 電渦流轉(zhuǎn)速計 工作原理：在轉(zhuǎn)軸 (或飛輪 )上開一鍵槽，靠近軸表面安裝電渦流傳感器，軸轉(zhuǎn)動時便能檢出 傳感器與軸表面的間隙變化，從而得到相對于鍵槽的