第五課電感式傳感器

1、第一節(jié) 自感式電感傳感器第二節(jié) 差動變壓器第三節(jié) 電渦流式傳感器第五章 電感式傳感器1 電感式傳感器是利用被測量的變化引起線圈自感或互感系數(shù)的變化，從而導(dǎo)致線圈電感量改變這一物理現(xiàn)象來實現(xiàn)測量的。因此根據(jù)轉(zhuǎn)換原理，電感式傳感器可以分為自感式和互感式兩大類。2 自感式電感傳感器可分為變間隙型、變面積型和螺管型三種類型。 一、自感式電感傳感器的工作原理 （一）變間隙型電感傳感器 變間隙型電感傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5-1所示。 第一節(jié) 自感式電感傳感器3圖5 1 變間隙式電感傳感器 4 傳感器由線圈、鐵心和銜鐵組成。工作時銜鐵與被測物體連接，被測物體的位移將引起空氣隙的長度發(fā)生變化。由于氣隙磁阻的變

2、化，導(dǎo)致了線圈電感量的變化。 線圈的電感可用下式表示： 式中，N為線圈匝數(shù)；Rm為磁路總磁阻。(5-1)5 對于變間隙式電感傳感器，如果忽略磁路鐵損，則磁路總磁阻為 式中，l1為鐵心磁路長；l2為銜鐵磁路長；S為截面積；1為鐵心磁導(dǎo)率；2為銜鐵磁導(dǎo)率；0為空氣磁導(dǎo)率；為空氣隙厚度。因此有：(5-2)(5-3)6 一般情況下，導(dǎo)磁體的磁阻與空氣隙磁阻相比是很小的，因此線圈的電感值可近似地表示為： (5-4) 由上式可以看出傳感器的電感值隨氣隙的增大而減小。為了避免非線性，氣隙的相對變化量要很小，但過小又將影響測量范圍，所以要兼顧考慮兩個方面。 7（二）變面積型電感傳感器 由變氣隙型電感傳感器可知

3、，氣隙長度不變，鐵心與銜鐵之間相對而言覆蓋面積隨被測量的變化面改變，從而導(dǎo)致線圈的電感量發(fā)生變化，這種形式稱之為變面積型電感傳感器，其結(jié)構(gòu)示意圖見下圖。8 通過對式（5-4）的分析可知，線圈電感量L與氣隙厚度是非線性的，但與磁通截面積A卻是成正比，是一種線性關(guān)系。特性曲線參見圖5-3。 9 （三）螺管型電感式傳感器 下圖為螺管型電感式傳感器的結(jié)構(gòu)圖。螺管型電感傳感器的銜鐵隨被測對象移動，線圈磁力線路徑上的磁阻發(fā)生變化，線圈電感量也因此而變化。線圈電感量的大小與銜鐵插入線圈的深度有關(guān)。 10 設(shè)線圈長度為l、線圈的平均半徑為r、線圈的匝數(shù)為N、銜鐵進入線圈的長度la、銜鐵的半徑為ra、鐵心的有效

4、磁導(dǎo)率為m，則線圈的電感量L與銜鐵進入線圈的長度la的關(guān)系可表示為(5-5)11 以上三種形式的電感式傳感器有如下特點： 變間隙型靈敏度較高,但非線性誤差較大,且制作裝配比較困難. 變面積型靈敏度較前者小,但線性較好,量程較大,使用比較廣泛. 螺管型靈敏度較低,但量程大且結(jié)構(gòu)簡單易于制作和批量生產(chǎn),是使用最廣泛的一種電感式傳感器.12 (四)差動電感傳感器 在實際使用中，常采用兩個相同的傳感線圈共用一個銜鐵，構(gòu)成差動式電感傳感器，這樣可以提高傳感器的靈敏度，減小測量誤差。 圖5-5是變間隙型、變面積型及螺管型三種類型的差動式電感傳感器。 1314 差動式電感傳感器的結(jié)構(gòu)要求兩個導(dǎo)磁體的幾何尺寸

5、及材料完全相同，兩個線圈的電氣參數(shù)和幾何尺寸完全相同。 差動式結(jié)構(gòu)除了可以改善線性、提高靈敏度外，對溫度變化、電源頻率變化等影響，也可以進行補償，從而減少了外界影響造成的誤差。15二、自感式電感傳感器的測量電路 交流電橋是電感式傳感器的主要測量電路，它的作用是將線圈電感的變化轉(zhuǎn)換成電橋電路的電壓或電流輸出。 前面已提到差動式結(jié)構(gòu)可以提高靈敏度，改善線性，所以交流電橋也多采用雙臂工作形式。通常將傳感器作為電橋的兩個工作臂，電橋的平衡臂可以是純電阻，也可以是變壓器的二次側(cè)繞組或緊耦合電感線圈。圖5-6是交流電橋的常用形式。16（一）電阻平衡臂電橋電阻平衡臂電橋如圖5-6所示。Z1、Z2為傳感器阻抗

6、。R1=R2=R;L1=L2=L;則有Z1=Z2=Z=R+jwL,另有R1=R2=R。由于電橋工作臂是差動形式，則在工作時，Z1=Z+Z和Z2=Z-Z，當ZL時，電橋的輸出電壓為 17 當LR時，上式可近似為： （5-7） 由上式可以看出：交流電橋的輸出電壓與傳感器線圈電感的相對變化量是成正比的。（5-6） 18 一、差動變壓器的工作原理 差動變壓器的工作原理類似變壓器的作用原理。這種類型的傳感器主要包括有銜鐵、一次繞組和二次繞組等。一、二次繞組間的耦合能隨銜鐵的移動而變化，即繞組間的互感隨被測位移改變而變化。由于在使用時采用兩個二次繞組反向串接，以差動方式輸出，所以把這種傳感器稱為差動變壓器

7、式電感傳感器，通常簡稱差動變壓器。第二節(jié) 差動變壓器19 差動變壓器工作在理想情況下（忽略渦流損耗、磁滯損耗和分布電容等影響），它的等效電路如圖5-8所示。圖U1為一次繞組激勵電壓；M1、M2分別為一次繞組與兩個二次繞組間的互感：L1、R1分別為一次繞組的電感和有效電阻；L21、L22分別為兩個二次繞組的電感；R21、R22分別為兩個二次繞組的有效電阻。 20 對于差動變壓器，當銜鐵處于中間位置時，兩個二次繞組互相相同，因而由一次激勵引起的感應(yīng)電動勢相同。由于兩個二次繞組反向串接，所以差動輸出電動勢為零。當銜鐵移向二次繞組L21一邊，這時互感M1大，M2小，因而二次繞組L21內(nèi)感應(yīng)電動勢大于二

8、次繞組L22內(nèi)感應(yīng)電動勢，這時差動輸出電動勢不為零。在傳感器的量程內(nèi)，銜鐵移動越大，差動輸出電動勢就越大。 同樣道理，當銜鐵向二次繞組L22一邊移動，差動輸出電動勢仍不為零，但由于移動方向改變，所以輸出電動勢反相。 因此通過差動變壓器輸出電動勢的大小和相位可以知道銜鐵位移量的大小和方向。 21由圖5-8可以看出一次繞組的電流為： (5-8)二次繞組的感應(yīng)動勢為： (5-9)由于二次繞組反向串接，所以輸出總電動勢為： 其有效值 （5-10） （5-11）22 差動變壓器的輸出特性曲線如圖5-9所示.圖中E21、E22分別為兩個二次繞組的輸出感應(yīng)電動勢，E2為差動輸出電動勢，x表示銜鐵偏離中心位置

9、的距離。其中E2的實線表示理想的輸出特性，而虛線部分表示實際的輸出特性。E0為零點殘余電動勢，這是由于差動變壓器制作上的不對稱以及鐵心位置等因素所造成的。 零點殘余電動勢的存在，使得傳感器的輸出特性在零點附近不靈敏，給測量帶來誤差，此值的大小是衡量差動變壓器性能好壞的重要指標。23 1）盡可能保證傳感器幾何尺寸、線圈電氣參數(shù)磁路的對稱。磁性材料要經(jīng)過處理，消除內(nèi)部的殘余應(yīng)力，使其性能均勻穩(wěn)定。 2）選用合適的測量電路，如采用交流電橋電路。既可判別銜鐵移動方向又可改善輸出特性，減小零點殘余電動勢。 二、差動變壓器設(shè)計要點：24 3）采用補償線路減小零點殘余電動勢。圖5-10是幾種減小零點殘余電動

10、勢的補償電路。在差動變壓器二側(cè)串、并聯(lián)適當數(shù)值的電阻電容元件，當調(diào)整這些元件時，可使零點殘余電動勢減小。 25 三、電感式傳感器的應(yīng)用 電感式傳感器主要用于測量微位移，凡是能轉(zhuǎn)換成位移量變化的參數(shù)，如壓力、力、壓差、加速度、振動、應(yīng)變、流量、厚度、液位等都可以用電感式傳感器來進行測量。 26 圖5-11是induNCDT系列位移傳感器的外形圖，它主要用于位移，振動，轉(zhuǎn)速測量。傳感器的前置放大器被集成安裝在傳感器殼體里，其輸出信號與測量位移成正比。在傳感器測量量程內(nèi)線性精度優(yōu)于2%。表5-1是induNCDT系列位移傳感器的主要技術(shù)參數(shù)。 圖5-11 induNCDT系列位移傳感器的外形圖27型

11、號鐵磁材料IWS-4-M-CA3-U鋁IWS-3-A-CA3-U測量原理電感測量范圍鐵磁材料0.54.5mm鋁0.53.5mm起始間距0.5mm被測體直徑 最小18mm線性度 2%靈敏度1V/mm靜態(tài)分辨率1m信號輸出鐵磁材料0.54.5鋁0.53.5V極限頻率1KHZ工作溫度0+85溫度穩(wěn)定性0.06 %供 電+12+18V/7mA負 載最小5K 保護等級IP65傳感器電纜長3 米表5-1 induNCDT系列位移傳感器的主要技術(shù)參數(shù) 28（二）JML電感式傳感器(接近開關(guān)) 1適用范圍：JML系列接近開關(guān)適用于交流50Hz，額定工作電壓90V250V(除LM8L外)，直流額定工作電壓10V

12、30V的電路中，具有短路保護電路，起反連接保護電路之用。2型號及其含義： 293正常使用條件和安裝條件：(1)周圍空氣溫度不超過+70，周圍空氣溫度的下限為-25；(2)安裝地點的海拔不超過2000m ；(3)大氣相對濕度在周圍空氣溫度為+70時不超過50%，在較低的溫度下可以允許有較高的相對濕度，例如在20時達90%，對由于溫度變化偶爾產(chǎn)生的凝露應(yīng)采取特殊的措施；( 4)污染等級：3級。 4主要技術(shù)參數(shù)：見表4-2所示。表4-2 JML系列電感式傳感器的主要技術(shù)參數(shù) 305安裝尺寸如圖5-12所示： 圖5-12 JML系列電感式傳感器的安裝尺寸31 圖5-13為測量振動與加速度的電感傳感器結(jié)

13、構(gòu)圖。銜鐵受振動和加速度的作用，使彈簧受力變形，與彈簧連接的銜鐵的位移大小反映了振動的幅度和頻率以及加速度的大小。（三）振動和加速度的測量32（四）液位測量 圖5-14是采用了電感式傳感器的沉筒式液位計。由于液位的變化，沉筒所受浮力也將產(chǎn)生變化，這一變化轉(zhuǎn)變成銜鐵的位移，從而改變了差動變壓器的輸出電壓，這個輸出值反映了液位的變化值。 33 電渦流式傳感器是一種建立在渦流效應(yīng)原理上的傳感器。 電渦流式傳感器可以實現(xiàn)非接觸地測量物體表面為金屬導(dǎo)體的多種物理量，如位移、振動、厚度、轉(zhuǎn)速、應(yīng)力、硬度等參數(shù)。這種傳感器也可用于無損探傷。 電渦流式傳感器結(jié)構(gòu)簡單、頻率響應(yīng)寬、靈敏度高、測量范圍大、抗干擾能

14、力強，特別是有非接觸測量的優(yōu)點，因此在工業(yè)生產(chǎn)和科學技術(shù)的各個領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。 第三節(jié) 電渦流式傳感器34一、電渦流式傳感器的工作原理 當通過金屬體的磁通發(fā)生變化時，就會在導(dǎo)體中產(chǎn)生感生電流，這種電流在導(dǎo)體中是自行閉合的，這就是所謂電渦流。電渦流的產(chǎn)生必然要消耗一部分能量，從而使產(chǎn)生磁場的線圈阻抗發(fā)生變化，這一物理現(xiàn)象稱為渦流效應(yīng)。電渦流式傳感器是利用渦流效應(yīng)，將非電量轉(zhuǎn)換為阻抗的變化而進行測量的。 35 如圖5-15所示，一個扁平線圈置于金屬導(dǎo)體附近，當線圈中通有交變電流I1時，線圈周圍就產(chǎn)生一個交變磁場H1。置于這一磁場中的金屬導(dǎo)體就產(chǎn)生電渦流I2，電渦流也將產(chǎn)生一個新磁場H2，H

15、2與H1方向相反，因而抵消部分原磁場，使通電線圈的有效阻抗發(fā)生變化。36 一般講，線圈的阻抗變化與導(dǎo)體的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、幾何形狀，線圈的幾何參數(shù)，激勵電流頻率以及線圈到被測導(dǎo)體間的距離有關(guān)。如果控制上述參數(shù)中的一個參數(shù)改變，而其余參數(shù)恒定不變，則阻抗就成為這個變化參數(shù)的單值函數(shù)。如其他參數(shù)不變，阻抗的變化就可以反映線圈到被測金屬導(dǎo)體間的距離大小變化。 37 我們可以把被測導(dǎo)體上形成的電渦流等效成一個短路環(huán)，這樣就可得到如圖5-16的等效電路。圖中R1、L1為傳感器線圈的電阻和電感。短路環(huán)可以認為是一匝短路線圈，其電阻為R2、電感為L2。線圈與導(dǎo)體間存在一個互感M，它隨線圈與導(dǎo)體間距的減小而增大

16、。根據(jù)等效電路可列出電路方程組： (5-11)38通過解方程組，可得I1、I2。因此傳感器線圈的復(fù)阻抗為： 線圈的等效電感為 ： （5-12）（5-13） 由式（5-12）和（5-13）可以看出，線圈與金屬導(dǎo)體系統(tǒng)的阻抗、電感都是該系統(tǒng)互感平方的函數(shù)。而互感是隨線圈與金屬導(dǎo)體間距離的變化而改變的。 39 二、高頻反射式電渦流傳感器(測距離） 這種傳感器的結(jié)構(gòu)很簡單，主要由一個固定在框架上的扁平線圈組成。線圈可以粘貼在框架的端部，也可以繞在框架端部的槽內(nèi)。圖5-17為某種型號的高頻反射式電渦流傳感器。40 三、低頻透射式電渦流傳感器（測厚度） 這種傳感器采用低頻激勵，因而有較大的貫穿深度，適合于

17、測量金屬材料的厚度。圖5-18為這種傳感器的原理圖和輸出特性。 41 傳感器包括發(fā)射線圈和接收線圈，并分別位于被測材料上、下方。由振蕩器產(chǎn)生的低頻電壓u1加到發(fā)射線圈L1兩端，于是在接收線圈L2兩端將產(chǎn)生感應(yīng)電壓u2，它的大小與u1的幅值、頻率以及兩個線圈的匝數(shù)、結(jié)構(gòu)和兩者的相對位置有關(guān)。若兩線圈間無金屬導(dǎo)體，則L1的磁力線能較多穿過L2，在L2上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓u2最大。 如果在兩個線圈之間設(shè)置一金屬板，由于在金屬板內(nèi)產(chǎn)生電渦流，該電渦流消耗了部分能量，使到達線圈L2的磁力線減小，從而引起u2的下降。 金屬板厚度越大，電渦流損耗越大，u2就越小?？梢姟？梢妘2的大小間接反映了金屬板的厚度。42

18、 線圈L2的感應(yīng)電壓與被測厚度的增大按負冪指數(shù)的規(guī)律減小，即： （5-14） 式中，為被測金屬板厚度；t為貫穿深度，它與 成正比，其中為金屬板的電阻率，f為交變電磁場的頻率。 為了較好地進行厚度測量，激勵頻率應(yīng)選得較低。頻率太高，貫穿深度小于被測厚度，不利于厚度測量，通常選1kHz左右。 43 一般地說，測薄金屬板時，頻率應(yīng)略高些，測厚金屬板時，頻率應(yīng)低些。在測量較小的材料時，應(yīng)選較低的頻率（如500Hz），測量較大的材料，則應(yīng)選用較高的頻率（如2kHz），從而保證在測量不同材料時能得到較好的線性和靈敏度。44四、測量電路 （一）電橋電路 電橋法是將傳感器線圈的阻抗變化轉(zhuǎn)化為電壓或電流的變化。

19、傳感器線圈的阻抗作為電橋的橋臂，初始狀態(tài)時電橋平衡。在進行測量時，由于傳感器線圈的阻抗發(fā)生變化，使電橋失去平衡，將電橋不平衡造成的輸出信號進行放大并檢波，就可得到與被測量成正比的輸出。電橋法主要用于兩個電渦流線圈組成的差動式傳感器。 45四個橋臂的阻抗分別為： ， ， 和 。初始狀態(tài)下電橋平衡即 。當被測物體與線圈耦合時，使 、 發(fā)生變化，由 的值可求出被測參數(shù)的變化量。46（二）諧振法。 這種方法是將傳感器線圈的等效電感的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化。傳感器線圈與電容并聯(lián)組成LC并聯(lián)諧振回路。 47 并聯(lián)諧振回路的諧振頻率為: ；且諧振時回路的等效阻抗最大，等于 ；式中，R為回路的等效損耗電阻。 當電感L發(fā)生變化時，回路的等效阻抗和諧振頻率都將隨L的變化而變化，因此可以利用測量回路阻抗的方法或測量回路諧振頻率的方法間接測出傳感器的被測值。 諧振法主要有調(diào)幅式電路和調(diào)頻式電路兩種基本形式。調(diào)幅式由于采用了石英晶體振蕩器，因此穩(wěn)定性較高，而調(diào)頻式結(jié)構(gòu)簡單，便于遙測和數(shù)字顯示。48 由圖中可以看出LC諧振回路由一個頻率及幅值穩(wěn)定的晶體振蕩器提供一個高頻信號激勵諧振回路。LC回路的輸出電壓為： （5-14） 式中，i0為高頻激勵電流；Z為LC回路的阻抗。可以看出，LC回路的阻抗Z越大，回路的輸出電壓越大。49五、電渦流傳感器的應(yīng)用 （一）測量位移 電渦流傳感器可以測量各種形狀金屬零件的動