傳感器及其應(yīng)用_第5章 電感式傳感器

1、2022年4月20日1了解電感式傳感器的工作原理；了解電感式傳感器的工作原理；了解自感式傳感器、互感式感傳感器和電渦流式傳了解自感式傳感器、互感式感傳感器和電渦流式傳感器的特點(diǎn)；感器的特點(diǎn)；了解自感式傳感器、互感式感傳感器和電渦流式傳了解自感式傳感器、互感式感傳感器和電渦流式傳感器的應(yīng)用感器的應(yīng)用2022年4月20日2 電感式傳感器電感式傳感器是以電和磁為媒介，利用磁場是以電和磁為媒介，利用磁場的變化引起線圈的電感量或互感量的變化，把非的變化引起線圈的電感量或互感量的變化，把非電量轉(zhuǎn)化為電量的裝置（基于電磁感應(yīng)原理）。電量轉(zhuǎn)化為電量的裝置（基于電磁感應(yīng)原理）。 按照轉(zhuǎn)換方式的不同可分為自感式（

2、包括可按照轉(zhuǎn)換方式的不同可分為自感式（包括可變磁阻式與渦流式）和互感式（差動(dòng)變壓器式）變磁阻式與渦流式）和互感式（差動(dòng)變壓器式）兩種。兩種。2022年4月20日3 自感式傳感器是利用線圈自身電感的改變來實(shí)現(xiàn)自感式傳感器是利用線圈自身電感的改變來實(shí)現(xiàn)非電量與電量的轉(zhuǎn)換。主要有非電量與電量的轉(zhuǎn)換。主要有變氣隙型變氣隙型、變面積型變面積型、螺管插鐵型螺管插鐵型。一一、變磁路氣隙式電感傳感器變磁路氣隙式電感傳感器組成組成：線圈、鐵芯和銜鐵組：線圈、鐵芯和銜鐵組成。在鐵芯與銜鐵之間存在成。在鐵芯與銜鐵之間存在氣隙氣隙。2022年4月20日4根據(jù)磁路理論，磁通為：根據(jù)磁路理論，磁通為：原理分析：原理分析：

3、根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)線圈中通以電流根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)線圈中通以電流I I時(shí)，產(chǎn)生磁通，其大小與電流成正比，線圈的自感時(shí)，產(chǎn)生磁通，其大小與電流成正比，線圈的自感量量L L為為線圈電感。線圈電感。；式中式中LI WIWL 1)-(5 流過過線圈的電激勵(lì)產(chǎn)勵(lì)產(chǎn)生的磁通線圈匝數(shù)； 。磁通通過路徑的磁阻磁通通過路徑的磁阻式中式中mmRRWI 2)-(5 2022年4月20日5線圈自感可用下式計(jì)算：線圈自感可用下式計(jì)算：磁路的磁阻主要是氣隙磁路的磁阻主要是氣隙產(chǎn)生的氣隙磁阻，產(chǎn)生的氣隙磁阻，）。）。氣隙長度（氣隙長度（；空氣的導(dǎo)磁系數(shù)，空氣的導(dǎo)磁系數(shù)，氣隙磁路的橫截面積；氣隙磁路的橫截面積；式中式中）

4、（m )/(104 45 27-000 mHAARRm 聯(lián)立式（聯(lián)立式（5 51 1）、（）、（5 52 2）、（）、（5 54 4），線圈的電），線圈的電感量為感量為）。）（氣氣隙隙總總長長度度（式式中中m25)-(5 022 llAWRWLm 2022年4月20日61 , 11 2)(200020201 若若LLAWAWLLL線圈電感變化量（氣隙減?。┚€圈電感變化量（氣隙減小） 非線性誤差非線性誤差%100)(2fe靈敏度和線性度之間存在矛盾；一般變氣隙式電感傳感器只能在較小的氣靈敏度和線性度之間存在矛盾；一般變氣隙式電感傳感器只能在較小的氣隙范圍內(nèi)變化微小的位移。隙范圍內(nèi)變化微小的位移。

5、 因此只適用于微小位移量的檢測，一般約為因此只適用于微小位移量的檢測，一般約為0.0011 mm。上式說明：當(dāng)活動(dòng)銜鐵的位移很小時(shí)，線圈的電感上式說明：當(dāng)活動(dòng)銜鐵的位移很小時(shí)，線圈的電感變化量與位移量成線性關(guān)系。變化量與位移量成線性關(guān)系。 其靈敏度其靈敏度為為 0LLkL 2022年4月20日7 原理原理1.1.靈敏度是一常數(shù)；靈敏度是一常數(shù)；2.2.在一定范圍內(nèi)不存在非線性；在一定范圍內(nèi)不存在非線性；3.3.當(dāng)正反方向變化相同的當(dāng)正反方向變化相同的x x時(shí)，其電感變化量具有對(duì)時(shí)，其電感變化量具有對(duì)稱性。但當(dāng)稱性。但當(dāng)xaxa時(shí)就不再存在直線關(guān)系，其線性范圍時(shí)就不再存在直線關(guān)系，其線性范圍是有

6、限的。是有限的。結(jié)論結(jié)論二、二、變磁路截面積式自感傳感器變磁路截面積式自感傳感器 2020bWaLxLkL axLbxWxabWabWLLL0020202022)(2傳感器的傳感器的靈敏度靈敏度2022年4月20日8三、三、螺管插鐵型電感傳感器螺管插鐵型電感傳感器)() 1(1 ) 1(42022222rrllLrllrlWLccmccm式中：式中：L L單個(gè)線圈的電感量；單個(gè)線圈的電感量； L L0 0空心螺管線圈的電感量，空心螺管線圈的電感量， W W單個(gè)線圈的匝數(shù)；單個(gè)線圈的匝數(shù)； r r線圈的平均半徑；線圈的平均半徑； r rc c柱形銜鐵的半徑；柱形銜鐵的半徑； l l 單個(gè)螺管線圈

7、長度；單個(gè)螺管線圈長度； l lc c柱形銜鐵插入到單個(gè)螺管內(nèi)的長度；柱形銜鐵插入到單個(gè)螺管內(nèi)的長度； 鐵芯的有效磁導(dǎo)率。鐵芯的有效磁導(dǎo)率。原理原理：單個(gè)線圈電感量與銜鐵插入長度關(guān)系為：單個(gè)線圈電感量與銜鐵插入長度關(guān)系為m 222204lWrL 2022年4月20日9傳感器的傳感器的靈敏度靈敏度：螺管線圈螺管線圈電感變化量電感變化量20)()1(rrlxLLcm 20)(1(rrlLxLkcmL 總結(jié)總結(jié)：結(jié)構(gòu)簡單、易制造，靈敏度低，適于較大位移：結(jié)構(gòu)簡單、易制造，靈敏度低，適于較大位移（數(shù)毫米）測量。（數(shù)毫米）測量。2022年4月20日10四、四、差動(dòng)電感傳感器差動(dòng)電感傳感器 自感式傳感器是

8、單線圈工作，存在的問題：自感式傳感器是單線圈工作，存在的問題：沒有信號(hào)輸入時(shí)，仍有輸出；外界干擾時(shí)輸出產(chǎn)生誤沒有信號(hào)輸入時(shí)，仍有輸出；外界干擾時(shí)輸出產(chǎn)生誤差；靈敏度低等差；靈敏度低等。 差動(dòng)自感式傳感器可以克服這些缺點(diǎn)。由兩個(gè)結(jié)差動(dòng)自感式傳感器可以克服這些缺點(diǎn)。由兩個(gè)結(jié)構(gòu)、材料和電氣參數(shù)相同自感傳感器構(gòu)成。構(gòu)、材料和電氣參數(shù)相同自感傳感器構(gòu)成。2022年4月20日11 10022212 L)(AWLLL 3211LL 3221LL 對(duì)差動(dòng)式傳感器，當(dāng)共用銜鐵位移時(shí)，兩線圈對(duì)差動(dòng)式傳感器，當(dāng)共用銜鐵位移時(shí)，兩線圈的間隙按的間隙按 0 0、 0 0+ +變化，即一個(gè)線圈自感增加，變化，即一個(gè)線圈自

9、感增加，另一個(gè)減小。另一個(gè)減小。當(dāng)當(dāng)/ / 11時(shí)：時(shí)：1.1. 工作原理工作原理 1002111)( 2 LAWLLL2022年4月20日12LLLLL2124221 LLkL2 靈敏度靈敏度，為原來的兩倍。，為原來的兩倍。非線性誤差非線性誤差降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)。降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)。 %10022%10023 LLef2022年4月20日132.2.交流電橋交流電橋 初始條件初始條件是電橋的固定臂。是電橋的固定臂。而而432121021),(,ZZZZLL 電橋處于平衡狀態(tài)，輸出電橋處于平衡狀態(tài)，輸出U USCSC=0=0。當(dāng)銜鐵偏移當(dāng)銜鐵偏移時(shí)，時(shí)，)(100101LLjRZZZ RZZLjR

10、ZZZ且且4300021, )(200202LLjRZZZ ，則，則srsrscUZZZZZUZZZZZZZZU)2(2)(2102143213241 LLLLjLj 212211,Z,Z所以，所以，因因 2022年4月20日14所以上式為所以上式為002LjRLjUUsrsc ，將，將00 LL代入后代入后02 srscUU上式表明輸出電壓與銜鐵的位移成正比，其相位與運(yùn)上式表明輸出電壓與銜鐵的位移成正比，其相位與運(yùn)動(dòng)方向有關(guān)，如圖所示，其優(yōu)點(diǎn)為：動(dòng)方向有關(guān)，如圖所示，其優(yōu)點(diǎn)為：從理論上消除了零位輸出誤差；從理論上消除了零位輸出誤差；靈敏度提高一倍；靈敏度提高一倍；線性度得到改善；線性度得到改

11、善；差動(dòng)形式可以提高外界的干擾。差動(dòng)形式可以提高外界的干擾。2022年4月20日153.3.變壓器交流電橋變壓器交流電橋電橋的工作臂是電橋的工作臂是Z1、Z2，另外，另外兩個(gè)臂是變壓器的次級(jí)線圈，兩個(gè)臂是變壓器的次級(jí)線圈，輸出取自輸出取自A、B兩點(diǎn)，兩點(diǎn)，B點(diǎn)為線點(diǎn)為線圈的中心，并接地。圈的中心，并接地。UUZZZUUUBAsc21211 0,0021 SCULjZZZ 初始時(shí)，初始時(shí)，當(dāng)銜鐵偏離當(dāng)銜鐵偏離 時(shí)，時(shí)，LLLLLjZZZLLjZZZ 212020210101),(),( 02LLUUsc 2022年4月20日16同理，當(dāng)銜鐵偏移同理，當(dāng)銜鐵偏移時(shí)，可推導(dǎo)出時(shí)，可推導(dǎo)出02LLUU

12、sc 綜合上兩式有綜合上兩式有02LLUUsc 結(jié)論：結(jié)論：a a）以上交流電橋，變壓器電橋其輸出正比于）以上交流電橋，變壓器電橋其輸出正比于 L L/ /L L0 0。b b）輸出為交流信號(hào)，其方向、大小需通過整流、濾）輸出為交流信號(hào)，其方向、大小需通過整流、濾波后才能獲得相應(yīng)直流信號(hào)。波后才能獲得相應(yīng)直流信號(hào)。4 4、相敏整流相敏整流2022年4月20日17 互感式傳感器互感式傳感器又稱變壓器式傳感器，是把非電量又稱變壓器式傳感器，是把非電量的變化轉(zhuǎn)換成線圈相互的互感量的變化，然后再經(jīng)過的變化轉(zhuǎn)換成線圈相互的互感量的變化，然后再經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)輸出。轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)輸出。

13、結(jié)構(gòu)形式主要有三種：螺管型差動(dòng)變壓器、結(jié)構(gòu)形式主要有三種：螺管型差動(dòng)變壓器、 型型差動(dòng)變壓器及旋轉(zhuǎn)變壓器。但差動(dòng)變壓器及旋轉(zhuǎn)變壓器。但目前常用目前常用的是螺管型差的是螺管型差動(dòng)變壓器。動(dòng)變壓器。 一、一、螺管型差動(dòng)變壓器螺管型差動(dòng)變壓器 螺管型差動(dòng)變壓器按繞組排列形式可分為二段螺管型差動(dòng)變壓器按繞組排列形式可分為二段式、三段式、四段式、五段式等。式、三段式、四段式、五段式等。 1.1.原理原理2022年4月20日18 如上圖左是三段繞組螺管型差動(dòng)變壓器，上圖如上圖左是三段繞組螺管型差動(dòng)變壓器，上圖右是其等效電路。由等效電路可得右是其等效電路。由等效電路可得 主要由線圈繞組（初級(jí)繞組和次級(jí)繞組）

14、、可移主要由線圈繞組（初級(jí)繞組和次級(jí)繞組）、可移動(dòng)銜鐵、導(dǎo)磁外殼三大部分組成。動(dòng)銜鐵、導(dǎo)磁外殼三大部分組成。 2022年4月20日1912122212111112221121)(IMMjEEELjREIIMjEIMjE 1112122212)(LjREMMjEEE 所以有所以有當(dāng)銜鐵處于中間位置時(shí)當(dāng)銜鐵處于中間位置時(shí)M M1 1=M=M2 2，E E2 2=0=0當(dāng)銜鐵偏離中間位置時(shí)，設(shè)當(dāng)銜鐵偏離中間位置時(shí)，設(shè)M M1 1M+M+M M1 1，M M2 2M MM M 2，M1 M1 M 2M 2 M M，有，有 11122LjREMjE 位移量與位移量與M M有近似線性關(guān)系。有近似線性關(guān)系。

15、2022年4月20日202.2.主要特性主要特性（1 1）輸出特性輸出特性 差動(dòng)變壓器輸出電壓可用下式計(jì)算：差動(dòng)變壓器輸出電壓可用下式計(jì)算：E2為差動(dòng)變壓器輸出電壓有效值；為差動(dòng)變壓器輸出電壓有效值；x銜鐵的位移量；銜鐵的位移量；k1 1與變壓器結(jié)構(gòu)尺寸和電參數(shù)有關(guān)的系數(shù)；與變壓器結(jié)構(gòu)尺寸和電參數(shù)有關(guān)的系數(shù)；k2 2與變與變壓器結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)。壓器結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)。)1(2212xkxkE （2 2）線性度線性度 在輸出特性公式中，通常在輸出特性公式中，通常k2x2lMHz(lMHz) )激勵(lì)電流，產(chǎn)生的高頻磁場作用激勵(lì)電流，產(chǎn)生的高頻磁場作用于金屬板的表面，由于集膚效應(yīng)，在金屬板表面于金屬板的

16、表面，由于集膚效應(yīng)，在金屬板表面將形成渦電流。與此同時(shí)，該渦流產(chǎn)生的交變磁將形成渦電流。與此同時(shí)，該渦流產(chǎn)生的交變磁場又反作用于線圈，引起線圈自感場又反作用于線圈，引起線圈自感L L或阻抗或阻抗Z ZL L的變的變化，其變化與距離該金屬板的電阻率化，其變化與距離該金屬板的電阻率、磁導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、激勵(lì)電流、激勵(lì)電流i i，及角頻率，及角頻率等有關(guān)，若只改變距等有關(guān)，若只改變距離離而保持其他系數(shù)不變，則可將位移的變化轉(zhuǎn)而保持其他系數(shù)不變，則可將位移的變化轉(zhuǎn)換為線圈自感的變化，通過測量電路轉(zhuǎn)換為電壓換為線圈自感的變化，通過測量電路轉(zhuǎn)換為電壓輸出。高頻反射式渦流傳感器多用于位移測量。輸出。高頻反射式渦

17、流傳感器多用于位移測量。 渦流式傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式。渦流式傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式。二、二、渦流傳感器類型渦流傳感器類型1.1.高頻反射式高頻反射式2022年4月20日31 低頻透射式渦流傳感器的工作原理如低頻透射式渦流傳感器的工作原理如圖所示，發(fā)射線圈圖所示，發(fā)射線圈1 1和接收線圈和接收線圈2 2分別分別置于被測金屬板材料置于被測金屬板材料G G的上、下方。的上、下方。2 2、低頻透射式低頻透射式 由于低頻磁場集膚效應(yīng)小，滲透深，當(dāng)?shù)皖l（音頻范圍由于低頻磁場集膚效應(yīng)小，滲透深，當(dāng)?shù)皖l（音頻范圍) )電壓電壓e e1 1加到線圈加到線圈1 1的兩端后，所產(chǎn)生磁力線的

18、一部分透過金的兩端后，所產(chǎn)生磁力線的一部分透過金屬板材料屬板材料G,G,使線圈使線圈2 2產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢e e2 2。但由于渦流消耗部。但由于渦流消耗部分磁場能量，使感應(yīng)電動(dòng)勢分磁場能量，使感應(yīng)電動(dòng)勢e e2 2減少，當(dāng)金屬板材料減少，當(dāng)金屬板材料G G越厚時(shí)，越厚時(shí)，損耗的能量越大，輸出電動(dòng)勢損耗的能量越大，輸出電動(dòng)勢e e2 2越小。因此，越小。因此，e e2 2的大小與的大小與G G的的厚度及材料的性質(zhì)有關(guān)，試驗(yàn)表明，厚度及材料的性質(zhì)有關(guān)，試驗(yàn)表明，e e2 2隨材料厚度隨材料厚度h h的增加按的增加按負(fù)指數(shù)規(guī)律減少負(fù)指數(shù)規(guī)律減少, ,如圖所示，因此，若金屬板材料的性質(zhì)一定

19、，如圖所示，因此，若金屬板材料的性質(zhì)一定，則利用則利用e e2 2的變化即可測量其厚度。的變化即可測量其厚度。2022年4月20日32三、三、特性分析特性分析（1 1）輸出特性輸出特性：一定距離范圍內(nèi)呈線性：一定距離范圍內(nèi)呈線性（2 2）靈敏度靈敏度 靈敏度正比于線圈直徑，反比于線圈靈敏度正比于線圈直徑，反比于線圈厚度；被測測物體半徑大于線圈外徑厚度；被測測物體半徑大于線圈外徑1.81.8倍，要有一倍，要有一定厚度；正比于電導(dǎo)率，反比于磁導(dǎo)率；正比于工作定厚度；正比于電導(dǎo)率，反比于磁導(dǎo)率；正比于工作頻率。頻率。四、四、測量電路測量電路1.1.調(diào)幅式測量電路調(diào)幅式測量電路2022年4月20日332.2.調(diào)頻式測量電路調(diào)頻式測量電路2022年4月20日34Q12N1711Q22N1711R12.00kR22.00kR32.00kR42.00kR52.00kC12.4nFC22.4nFC42.4nFL12.4mH2L210mH-VARKey = Space 1%C510nF0V110 V 0C610nF613C3200pF574R62.00k0Uo82022年4月20日353.3.電橋測量電路電橋測量電路V15 V 3kHz 0Deg L110mH-VARKey = A 80%L210mH-VARKey =