傳感器和檢測技術(shù)電感式傳感器詳細(xì)介紹

1、傳感器和檢測技術(shù)電感式傳感器詳細(xì)介紹概述 電感式傳感器是一種機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置，特別是在自動控制設(shè)備中廣泛應(yīng)用。 電感式傳感器利用電磁感應(yīng)定律將被測非電量（如位移、壓力、流量、振動）轉(zhuǎn)換為電感或互感的變化。 按傳感器結(jié)構(gòu)可分為：自感式、互感式、電渦流式。各種電感式傳感器非接觸式位移傳感器測厚傳感器電 感 粗 糙 度 儀接近式傳感器概述電感傳感器測量滾珠直徑，實(shí)現(xiàn)按誤差分裝塞選概述變磁阻式傳感器（自感式） 3.1.1 工作原理 結(jié)構(gòu)由線圈、鐵芯、銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵之間有氣隙，氣隙厚度為 ; 傳感器運(yùn)動部分與銜鐵相連，銜鐵移動時(shí)發(fā)生變化，引起磁路的磁阻Rm變化，使電芯線圈的電感值L變化； 只要改

2、變氣隙厚度或氣隙截面積就可以改變電感。線圈自感可按下式計(jì)算：式中： N 線圈匝數(shù) ； Rm 磁路總磁組； S0 氣隙的截面積； 氣隙厚度； 0 導(dǎo)磁率（真空、空氣） 變磁阻式傳感器（自感式） 3.1.1 工作原理銜鐵位移引起的電感變化為：初始?xì)庀?處的初始電感量為L0 變磁阻式傳感器（自感式） 3.1.2 輸出特性當(dāng)/01時(shí)，用泰勒級數(shù)展開銜鐵下移時(shí) 銜鐵上移時(shí) 變磁阻式傳感器（自感式） 3.1.2 輸出特性對上式作線性處理忽略高次項(xiàng)時(shí)討論： 傳感器測量范圍與靈敏度和線性度相矛盾； 變間隙式電感傳感器用于小位移比較精確；一般/0； 為減小非線性誤差，實(shí)際測量中多采用差動式。 定義靈敏度 變磁阻

3、式傳感器（自感式） 3.1.2 輸出特性差動變隙式由兩個相同的線圈和磁路組成。當(dāng)被測量通過導(dǎo)桿使銜鐵左右位移時(shí)，兩個回路中磁阻發(fā)生大小相等、方向相反的變化，形成差動形式。變磁阻式傳感器（自感式） 3.1.2 輸出特性對上式進(jìn)行線性處理并忽略高次項(xiàng)：則差動式靈敏度為： 電感的變化為：變磁阻式傳感器（自感式） 3.1.2 輸出特性討論： 比較單線圈，差動式的靈敏度提高了一倍； 差動式非線性項(xiàng)比單線圈多乘了(/0)因子； 不存在偶次項(xiàng)，因/0E2b ，U00若銜鐵下移： E2aE2b ，U00 可見: 輸出電壓大小和符號反映了鐵心位移的大小和方向。3.2 差動變壓器式傳感器（互感式） 3.2.2 基

4、本特性當(dāng)次級開路時(shí)，有根據(jù)電磁感應(yīng)定律，次級感應(yīng)電動勢分別為：E2ajMaI1，E2bjMbI1由此得到輸出電壓有效值為：可見輸出電壓與互感的差值有關(guān) 鐵芯向右移， 輸出與E2a同極性； 鐵芯向左移， 輸出與E2b同極性； 輸出電壓的幅值取決于線圈 互感即銜鐵在線圈中移動的 距離X。Uo與Ui的相位由銜 鐵的移動方向決定。 3.2 差動變壓器式傳感器（互感式） 3.2.2 基本特性差動變壓器輸出電壓和位移的關(guān)系3.2 差動變壓器式傳感器（互感式）差動變壓器結(jié)構(gòu)形式3.2 差動變壓器式傳感器（互感式）差動變壓器傳感器的應(yīng)用3.2 差動變壓器式傳感器（互感式） 由于兩個次級線圈繞組電氣系數(shù) （M互

5、感 L電感 R內(nèi)阻）不同，幾何尺寸工藝上很難保證完全相同。實(shí)際的特性曲線，在零點(diǎn)上總有一個最小的輸出電壓，這個鐵芯處于中間位置時(shí)最小不為零的電壓稱為零點(diǎn)殘余電壓。 3.2 差動變壓器式傳感器（互感式） 3.2.3 零點(diǎn)殘余電壓 為減小零點(diǎn)殘余電壓的影響，一般要用電路進(jìn)行補(bǔ) 償,電路補(bǔ)償?shù)姆椒ㄝ^多,可采用以下方法。 串聯(lián)電阻：消除兩次級繞組基波分量幅值上的差異； 并聯(lián)電阻電容：消除基波分量相差，減小諧波分量； 加反饋支路：初次級間反饋，減小諧波分量； 相敏檢波對零點(diǎn)殘余誤差有很好的抑制作用。串 聯(lián) 電 阻并 聯(lián) 電 阻3.2 差動變壓器式傳感器（互感式） 3.2.3 零點(diǎn)殘余電壓不同形式的零點(diǎn)殘

6、余電壓補(bǔ)償電路3.2 差動變壓器式傳感器（互感式） 3.2.3 零點(diǎn)殘余電壓 差動變壓器輸出交流信號。為正確反映銜鐵位移 大小和方向，常采用差動整流電路和相敏檢波電路。 （1）差動整流電路 ，輸入一交流信號時(shí)3.2 差動變壓器式傳感器（互感式） 差動變壓器式傳感器及測量電路（2）集成相敏檢波電路 3.2 差動變壓器式傳感器（互感式） 差動變壓器式傳感器及測量電路 輸出正負(fù)電壓的結(jié)果由相敏檢波后反行程旋轉(zhuǎn) 由，工作曲線為過零點(diǎn)的直線。 相敏檢波前后輸出特性3.2 差動變壓器式傳感器（互感式） 差動變壓器式傳感器及測量電路（1）壓差計(jì) 當(dāng)壓差變化時(shí)，腔內(nèi) 膜片位移使差動變壓器次 級電壓發(fā)生變化，輸

7、出與 位移成正比，與壓差成正 比。 3.2 差動變壓器式傳感器（互感式） 3.2.5 應(yīng)用舉例 差動變壓器式傳感器可直接用于位移測量，也可以用來測量與位移有關(guān)的任何機(jī)械量，如振動，加速度，應(yīng)變等等。（2）液位測量沉筒式液位計(jì)將水位變化轉(zhuǎn)換成位移變化，再轉(zhuǎn)換為電感的變化，差動變壓器的輸出反映液位高低。3.2 差動變壓器式傳感器（互感式） 3.2.5 應(yīng)用舉例3.2 差動變壓器式傳感器（互感式） 3.2.5 應(yīng)用舉例（3）電感測厚儀 L1、L2是電感器傳感器的兩個線圈作為兩個橋臂；四只二極管D1-D4組成相敏整流器；RP1調(diào)零電位器，RP2調(diào)電流表M滿度； 被測厚度正常時(shí)，電橋平衡無電流， 被測厚

8、度變化時(shí)，電流M表方向偏轉(zhuǎn) 根據(jù)電流方向確定銜鐵移動方向。（4）微壓傳感器 3.2 差動變壓器式傳感器（互感式） 3.2.5 應(yīng)用舉例 3.3 電渦流式傳感器 由法拉第電磁感應(yīng)原理可知：一個塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場中或在磁場中作用切割磁力線運(yùn)動時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部會產(chǎn)生一圈圈閉和的電流，這種電流叫電渦流，這種現(xiàn)象叫做電渦流效應(yīng)。 根據(jù)電渦流效應(yīng)制作的傳感器稱電渦流傳感器; 電渦流傳感器能夠?qū)Ρ粶y量進(jìn)行非接觸測量; 形成電渦流必須具備兩個條件： 存在交變磁場 導(dǎo)電體處于交變磁場中 把一個扁平線圈置于金屬導(dǎo)體附近，當(dāng)線圈中通以交變電流I1時(shí)，線圈周圍空間產(chǎn)生交變磁場H1，當(dāng)金屬導(dǎo)體靠近交變磁場中時(shí)，導(dǎo)體

9、內(nèi)部就會產(chǎn)生渦流I2，這個渦流同樣產(chǎn)生反抗H1的交變磁場H2 。3. 3 電渦流式傳感 3.3.1 工作原理 根據(jù)渦流的分布，可以把渦流所在范圍近似看成一個單匝短路次級線圈。當(dāng)線圈靠近金屬導(dǎo)體時(shí)，次級線圈通過互感 M 對初級作用。等效電路的兩個回路方程（基爾霍夫第二定律）：3. 3 電渦流式傳感 3.3.2 等效電路分析 等效電感為：解方程得到傳感器的等效阻抗等效電阻為：3. 3 電渦流式傳感 3.3.2 等效電路分析 結(jié)論： 凡是能引起 R2 L2 M變化 的物理量均可以引起傳 感器線圈R1 、L1的變化。 被測體（金屬）的 電阻率導(dǎo)磁率厚度d， 線圈與被測體間的距離X， 激勵線圈的角頻率等

10、 都通過渦流效應(yīng)和磁效 應(yīng)與線圈阻抗Z發(fā)生關(guān)系R2L2M L1 R1Xd3. 3 電渦流式傳感 3.3.2 等效電路分析 結(jié)論： 、d、X、的變化使R1、L1發(fā)生變化， 若控制某些參數(shù)不變，只改變其中一個參數(shù)， 可使阻抗 Z 成為這個參數(shù)的單值函數(shù)。 等效阻抗與這些參數(shù)有函數(shù)關(guān)系： 3. 3 電渦流式傳感 3.3.2 等效電路分析 渦流的分布： 因?yàn)榻饘俅嬖谮吥w效應(yīng)，電渦流只存在于金屬導(dǎo)體的表面薄層內(nèi),存在一個渦流區(qū)，實(shí)際上渦流的分布是不均勻的。渦流區(qū)內(nèi)各處的渦流密度不同，存在徑向分布和軸向分布。金屬扁平線圈渦流區(qū)r/ros1hrosj3. 3 電渦流式傳感 3.3.3 渦流的分布和強(qiáng)度 徑向

11、分布： 渦流范圍與渦流線圈外徑有一固定比例關(guān)系， 線圈外徑確定后渦流范圍也就確定了。 線圈外徑處，r = ros 金屬渦流密度最大； 線圈中心處，r = 0 渦流密度為零(j=0)； os處（以內(nèi)）基本沒有渦流； os線圈外徑處渦流密度衰減到最大值的5%。 渦流密度最大值在線圈外徑附近一個狹窄區(qū)域內(nèi)3. 3 電渦流式傳感 3.3.3 渦流的分布和強(qiáng)度 軸向分布： 由于趨膚效應(yīng)渦流只在表面薄層存在， 沿磁場H方向（軸向）也是分布不均勻的。JzJo/ehzJoh- 趨膚深度 - 金屬表面渦流密度 距離金屬表面Z處渦流按指數(shù)規(guī)律衰減；3. 3 電渦流式傳感 3.3.3 渦流的分布和強(qiáng)度 強(qiáng)度：當(dāng)線圈

12、與被測體距離改變時(shí)，電渦流密度 發(fā)生變化強(qiáng)度也要變化。金屬導(dǎo)體表面的電渦流強(qiáng) 度I2 與距離X是非線性關(guān)系，隨 x/r上升而下降。I2只有在x/r1才能有較好線性和靈敏度。X/rosI2/I11.01 2 3 43. 3 電渦流式傳感 3.3.3 渦流的分布和強(qiáng)度調(diào)幅式 調(diào)頻式L為電渦流線圈3. 3 電渦流式傳感 3.3.4 測量電路變頻調(diào)幅式電路原理3. 3 電渦流式傳感 3.3.4 測量電路變頻調(diào)幅式 輸出特性3. 3 電渦流式傳感 3.3.4 測量電路 電渦流傳感器目前主要應(yīng)用于測位移、振動、 轉(zhuǎn)速、測厚度、測材料、測溫度、電渦流探傷。 特點(diǎn)：做非接觸式測量。 應(yīng)用 （1）測厚 ：低頻透射式渦流厚度傳感器 高頻反射式渦流厚度傳感器 （2）測轉(zhuǎn)速 （3）測振動 （4）電渦流探傷 3. 3 電渦流式傳感 3.3.5 電渦流傳感器的應(yīng)用 電渦流傳感器3. 3 電渦流式傳感 3.3.5 電渦流傳感器的應(yīng)用 低頻透射式渦流厚度傳感器 3. 3 電渦流式傳感 3.3.5 電渦流傳感器的應(yīng)用 高