傳感器與檢測技術第三章 電感式傳感器

傳感器與檢測技術第三章電感式傳感器第1頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器與檢測技術第三章電感式傳感器第三章電感式傳感器第一節(jié)自感式傳感器第二節(jié)互感式傳感器第三節(jié)電渦流式傳感器第四節(jié)壓磁式傳感器第2頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器與檢測技術第三章電感式傳感器原理電感式傳感器最基本原理是電磁感應原理。傳感器電路被測物理量位移振動壓力流量比重的變化自感系數L互感系數M的變化電壓電流第3頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器與檢測技術第三章電感式傳感器電感傳感器優(yōu)點靈敏度高，分辨力高，位移：0.1m；精度高，線性特性好，非線性誤差：0.05%0.1%；性能穩(wěn)定，重復性好；結構簡單可靠、輸出功率大、輸出阻抗小、抗干擾能力強、對工作環(huán)境要求不高、壽命長能實現信息的遠距離傳輸、記錄、顯示和控制等。缺點：存在交流零位信號，不適于高頻動態(tài)信號測量。第4頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器與檢測技術第三章電感式傳感器電感式傳感器分類自感型——變磁阻式傳感器

互感型——差動變壓器式傳感器渦流式傳感器——自感型和互感型都有高頻反射式——自感型低頻透射式——互感型第5頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器與檢測技術第三章電感式傳感器第一節(jié)自感式傳感器將被測對象的微小變化(x)電感的變化(L)傳感器運動部分與銜鐵相連，測物理量時，運動部分位移銜鐵位移氣隙厚度變化線圈自感系數L變化一、工作原理第6頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器與檢測技術第三章電感式傳感器自感傳感器的三種型式氣隙變化型—變氣隙的間隙 (a)面積變化型—變氣隙的截面積S(b)螺管型—變銜鐵與線圈重合長度(c)第7頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器與檢測技術第三章電感式傳感器第一節(jié)自感式傳感器二、電感計算及特性分析1．氣隙型傳感器第8頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器與檢測技術第三章電感式傳感器二、電感計算及特性分析為了減小非線性，可以利用兩只完全對稱的單個電感傳感器合用一個活動銜鐵，這樣可構成差動式電感傳感器，如差動式氣隙電感傳感器、差動螺管電感傳感器等。其測量電路可使用非平衡電橋。第9頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器與檢測技術第三章電感式傳感器二、電感計算及特性分析2．螺管型電感傳感器差動螺管式電感傳感器的電感相對變化量為第10頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器與檢測技術第三章電感式傳感器二、電感計算及特性分析螺管式電感傳感器的特點：(1)結構簡單，制造裝配容易(2)由于空氣隙大，磁路的磁阻高，因此靈敏度低，但線性范圍大(3)由于磁路大部分為空氣，易受外部磁場干擾(4)由于磁阻高，為了達到某一電感量，需要的線圈匝數多，因而線圈分布電容大(5)要求線圈框架尺寸和形狀必須穩(wěn)定，否則影響其線性和確定性。第11頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器與檢測技術第三章電感式傳感器自感式傳感器的分類比較第12頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器與檢測技術第三章電感式傳感器第一節(jié)自感式傳感器三、轉換電路和傳感器靈敏度（一）轉換電路主要有調幅、調頻、調相電路

1.交流電橋第13頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器與檢測技術第三章電感式傳感器三、轉換電路和傳感器靈敏度(1)當Q值很高時，有

對氣隙式差動傳感器有

對螺管型差動傳感器有

第14頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器與檢測技術第三章電感式傳感器三、轉換電路和傳感器靈敏度（2）當Q值很低時電感線圈的電感遠小于電阻，電感線圈相當于純電阻的情況，交流電橋即為電阻電橋。此時輸出電壓為這種電橋結構簡單，其電阻可用兩個電阻和一個電位器組成，調零方便。第15頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器與檢測技術第三章電感式傳感器三、轉換電路和傳感器靈敏度2.變壓器電橋

雙臂工作時，若Z1=Z+ΔZ，Z2=Z-ΔZ

若Z1=Z-ΔZ，Z2=Z+ΔZ，可得第16頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器與檢測技術第三章電感式傳感器三、轉換電路和傳感器靈敏度3.調頻電路

4.調相電路

第17頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器與檢測技術第三章電感式傳感器三、轉換電路和傳感器靈敏度（二）傳感器靈敏度

自感傳感器的靈敏度是指傳感器結構（測頭）和轉換電路綜合在一起的總靈敏度。傳感器結構的靈敏度，即電感值相對變化與引起這一變化的銜鐵位移之比

轉換電路的靈敏度，即空載輸出電壓與電感相對變化之比

第18頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器與檢測技術第三章電感式傳感器三、轉換電路和傳感器靈敏度傳感器的靈敏度為

在工廠生產中測定的傳感器的靈敏度是把傳感器接入轉換電路后進行的，其單位為mv/(μm·V)。第19頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器與檢測技術第三章電感式傳感器第一節(jié)自感式傳感器四、影響傳感器精度的因素分析1.電源電壓和頻率的波動影響電源電壓的波動一般允許為5%～10%。嚴格對稱的交流電橋是能夠補償頻率波動影響的2.

溫度變化的影響為了補償溫度變化的影響，在結構設計時要合理選擇零件的材料（注意各種材料的膨脹系數之間的配合），在制造和裝配工藝上應使差動式傳感器的兩只線圈的電氣參數（電阻、電感、匝數）和幾何尺寸盡可能取得一致。這樣可以在對稱電橋電路中能有效地補償溫度的影響。3.非線性特性的影響除了采用差動式結構之外，還必須限制銜鐵的最大位移量第20頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器與檢測技術第三章電感式傳感器四、影響傳感器精度的因素分析4.輸出電壓與電源電壓之間的相差采用相敏整流電路，以及傳感器應有高Q值，一般Q值應不低于3～45.電橋的殘余不平衡電壓———零點殘余電壓零點殘余電壓產生的原因有：(1)差動式兩個電感線圈的電氣參數以及導磁體的幾何尺寸不可能完全對稱；(2)傳感器具有鐵損即磁芯磁化曲線的非線性；(3)電源電壓中含有高次諧波；(4)線圈具有寄生電容，線圈與外殼、鐵芯間有分布電容；零點殘余電壓的危害很大，會降低測量精度，削弱分辨力，易使放大器飽和。第21頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器與檢測技術第三章電感式傳感器四、影響傳感器精度的因素分析減小零點殘余電壓的措施是減少電源中的諧波成分，減小電感傳感器的激磁電流，使之工作在磁化曲線的線性段。為了消除電橋的零點殘余電壓，在差動電感電橋的電路中通常再接入兩只可調電位器，當電壓有零點殘余電壓時，可以反復調節(jié)兩只電位器，使電橋實現平衡。第22頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器與檢測技術第三章電感式傳感器第一節(jié)自感式傳感器五、自感式傳感器的應用第23頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器與檢測技術第三章電感式傳感器第二節(jié)互感式傳感器將被測量轉換為傳感器的互感變化量的傳感器稱為互感傳感器一、工作原理設

則又因此第24頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器與檢測技術第三章電感式傳感器第二節(jié)互感式傳感器二、互感計算與特性分析當鐵芯位于線圈中心位置時,U1=U2,UO=0;當次級開路時，初級線圈的交流電流為

次級線圈感應電勢為

第25頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器與檢測技術第三章電感式傳感器二、互感計算與特性分析差動變壓器的空載輸出電壓為其幅值為

輸出阻抗為

(1)磁芯處于中間平衡位置時Ma=Mb=MUO=0(2)磁芯上升時Ma=M+ΔM,Mb=M-ΔM(3)磁芯下降時Ma=M-ΔM,Mb=M+ΔM第26頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器與檢測技術第三章電感式傳感器二、互感計算與特性分析輸出電壓還可以寫成假設：(1)漏磁全部在動鐵芯范圍內，并忽略鐵芯端部效應(2)忽略動鐵芯及外層鐵磁殼上的磁阻(3)設動鐵芯外徑近似為ri(4)鐵芯及磁屏蔽的磁導率為無窮大第27頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器與檢測技術第三章電感式傳感器二、互感計算與特性分析如果用恒壓流供電，其線性度可以改善，此時有第28頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器與檢測技術第三章電感式傳感器二、互感計算與特性分析提高差動變壓器的靈敏度的途徑：(1)提高線圈的Q值，為此可增大差動變壓器的尺寸。一般線圈長度為直徑的1.5-2.0倍為恰當。(2)選擇較高的激勵頻率(3)增大鐵芯直徑，使其接近于線圈架內徑，但不觸及線圈架。二節(jié)式差動變壓器的鐵芯長度為全長的60%-80%。鐵芯采用導磁率高，鐵損小，渦流損耗小的材料(4)在不使線圈過熱的條件下盡量提高激勵電壓。第29頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器與檢測技術第三章電感式傳感器第二節(jié)互感式傳感器三、轉換電路1．反串電路2．橋路第30頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器與檢測技術第三章電感式傳感器第二節(jié)互感式傳感器3．差動整流電路第31頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器與檢測技術第三章電感式傳感器第二節(jié)互感式傳感器4．相敏檢波電路當差動變壓器鐵芯在中間位置時，UCD=0若鐵芯上移，e≠0，設e和er同相，er正半周時,UCD=R0（i1-i2）>0；er負半周時，UCD=R0（i4-i3）>0。當鐵芯下移時，e和er反相，同理可得UCD<0

。Ri1～e1R1R2e21e22C2C1er移相器D1D4D3D2CDABi3i2i4e第32頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器與檢測技術第三章電感式傳感器第二節(jié)互感式傳感器四、零點殘余電壓的補償產生零點殘余電壓的主要原因：（1）兩個繞組不能絕對對稱。（2）鐵芯的磁化曲線的非線性。消除零點殘余電壓的方法：1．保證對稱性2．選用合適的測量線3．用補償線路第33頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器與檢測技術第三章電感式傳感器第二節(jié)互感式傳感器五、應用舉例1、微壓力變送器將差動變壓器和彈性敏感元件（膜片、膜盒和彈簧管等）相結合，可以組成各種形式的壓力傳感器。第34頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器與檢測技術第三章電感式傳感器1.微壓力變送器這種變送器可分檔測量(–5×105～6×105)N/m2壓力，輸出信號電壓為(0～50)mV，精度為1.5級。

～220VV振蕩器穩(wěn)壓電源差動變壓器相敏檢波電路第35頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器與檢測技術第三章電感式傳感器五、應用舉例2.差動變壓器式加速度傳感器用于測定振動物體的頻率和振幅時其激磁頻率必須是振動頻率的十倍以上，才能得到精確的測量結果?？蓽y量的振幅為(0.1～5)mm，振動頻率為(0～150)Hz。(a)加速度a方向1彈性支承2差動變壓器穩(wěn)壓電源振蕩器檢波器濾波器(b)～220Va輸出21第36頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器與檢測技術第三章電感式傳感器五、應用舉例3、液面高度測量4、電感式滾柱直徑分選裝置電感式滾柱直徑分選裝置.exe第37頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器與檢測技術第三章電感式傳感器第三節(jié)電渦流式傳感器渦流效應:金屬導體置于變化著的磁場中，導體內就會產生感應電流，這種電流像水中旋渦那樣在導體內轉圈，所以稱為電渦流或渦流。這種現象就稱為渦流效應。第38頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器與檢測技術第三章電感式傳感器第三節(jié)電渦流式傳感器渦流穿透深度與傳感器線圈的激勵信號頻率有關高頻反射式渦流傳感器—自感型低頻透射式渦流傳感器—互感型目前高頻反射式電渦流傳感器應用廣泛。根據激勵頻率不同分為ρ

—導體電阻率(Ω·m)；μr —導體相對磁導率；f —交變磁場頻率(Hz)。第39頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器與檢測技術第三章電感式傳感器一、高頻反射式渦流傳感器線圈上通交變高頻電流線圈產生高頻交變磁場產生高頻交變渦流渦流產生反磁場阻礙線圈電流交換作用等效于L或阻抗的改變第40頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器與檢測技術第三章電感式傳感器二、低頻透射式渦流傳感器

UL1

同頻交變電流產生一交變磁場磁力線切割M

產生渦流I

到達L2的磁力線減少（無M時磁力線直接貫穿L2）

E的下降

第41頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器與檢測技術第三章電感式傳感器三、等效電路第42頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器與檢測技術第三章電感式傳感器四、轉換電路現在電渦流傳感器常用的測量電路有調幅電路，調頻電路，電橋電路和反饋放大電路幾種。調幅電路又可分成恒定頻率的載波調幅電路和頻率變化載波調幅電路兩種。第43頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器與檢測技術第三章電感式傳感器四、轉換電路反饋放大電路第44頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器與檢測技術第三章電感式傳感器五、電渦流傳感器的應用位移x的變化電量的變化可做成位移、振幅、厚度等傳感器電導率的變化電量的變化可做成表面溫度、電解質濃度、材質判別等磁導率的變化電量的變化可做成應力、硬度等傳感器x、、的綜合影響可做成材料探傷裝置第45頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器與檢測技術第三章電感式傳感器1、位移測量渦流位移計第46頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器與檢測技術第三章電感式傳感器2、振幅測量渦流振幅計3、厚度測量第47頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器與檢測技術第三章電感式傳感器4、轉速測量渦流轉速計第48頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器與檢測技術第三章電感式傳感器5、溫度測量

=0[1+(t-t0)]保持其它條件不變，則 t變化變化輸出電壓變化可測鋼材壓延時壓滾溫度，液、氣態(tài)介質溫度，且測溫時有一個很大的特點是熱慣性?。s0.001s），動態(tài)響應好，能做快速測溫工作。第49頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器與檢測技術第三章電感式傳感器6、自動控制中工件是否到位等的檢測接近開關第50頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器與檢測技術第三章電感式傳感器接近開關應用實例一第51頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器與檢測技術第三章電感式傳感器接近開關應用實例二第52頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器與檢測技術第三章電感式傳感器總結傳感元件或傳感器原始輸入量變換原理物理現象能量關系輸出量變磁阻式位移電磁感應結構型控制型自感系數差動變壓器式位移電磁感應結構型控制型互感系數渦流式位移、厚度、電阻率磁導率渦流效應結構型控制型渦流第53頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器與檢測技術第三章電感式傳感器第四節(jié)壓磁式傳感器一、壓磁效應鐵磁材料在外力的作用下，材料的磁化強