第4章 電感式傳感器及應(yīng)用.ppt

1、2020/7/31,1,第4章 電感式傳感器及應(yīng)用,2020/7/31,2,引言,利用電磁感應(yīng)原理將被測非電量如位移、壓力、流量、振動(dòng)等轉(zhuǎn)換成線圈自感量L或互感量M的變化，再由測量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出，這種裝置稱為電感式傳感器。電感式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，測量精度高，零點(diǎn)穩(wěn)定，輸出功率較大等一系列優(yōu)點(diǎn)，其主要缺點(diǎn)是靈敏度、線性度和測量范圍相互制約，傳感器自身頻率響應(yīng)低，不適用于快速動(dòng)態(tài)測量。這種傳感器能實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸、記錄、顯示和控制，在工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中被廣泛采用。 電感式傳感器種類很多，本章主要介紹自感式、互感式和電渦流式3種傳感器,2020/7/31,3,主要章

2、節(jié)內(nèi)容,4.1自感式傳感器 4.2差動(dòng)變壓器式傳感器 4.3電渦流傳感器,2020/7/31,4,4.1自感式傳感器,自感式傳感器是利用自感量隨氣隙變化而改變的原理制成的，用來測量位移。自感式傳感器主要有閉磁路變隙式和開磁路螺線管式，它們又都可以分為單線圈式與差動(dòng)式兩種結(jié)構(gòu)形式。,2020/7/31,5,內(nèi)容,4.1.1 基本工作原理 4.1.2 自感式傳感器的測量電路 4.1.3 自感式傳感器應(yīng)用舉例,2020/7/31,6,電感傳感器的基本工作原理演示,氣隙變小，電感變大，電流變小,F,2020/7/31,7,4.1.1 基本工作原理,線圈的自感量等于線圈中通入單位電流所產(chǎn)生的磁鏈數(shù)，即線

3、圈的自感系數(shù) 為磁鏈， 為磁通（Wb），I為流過線圈的電流（A），N為線圈匝數(shù)。根據(jù)磁路歐姆定律： ， 為磁導(dǎo)率，S為磁路截面積， 為磁路總長度。,2020/7/31,8,線圈的電感量,為磁路的磁阻,變磁阻式傳感器,2020/7/31,9,結(jié)論,只要被測非電量能夠引起空氣隙長度或等效截面積發(fā)生變化，線圈的電感量就會(huì)隨之變化。 電感式傳感器從原理上可分為變氣隙長度式和變氣隙截面式兩種類型，前者常用于測量直線位移，后者常用于測量角位移。,2020/7/31,10,自感式傳感器,1線圈 2鐵芯 3銜鐵 4測桿 5導(dǎo)軌 6工件 7轉(zhuǎn)軸,2020/7/31,11,1變氣隙式（閉磁路式）自感傳感器,由電感

4、式可知，變氣隙長度式傳感器的線性度差、示值范圍窄、自由行程小，但在小位移下靈敏度很高，常用于小位移的測量。,1線圈 2鐵芯 3銜鐵,2020/7/31,12,2螺線管式（開磁路式）自感式傳感器,螺線管式自感式傳感器常采用差動(dòng)式。 它是在螺線管中插入圓柱形鐵芯而構(gòu)成的。其磁路是開放的，氣隙磁路占很長的部分。有限長螺線管內(nèi)部磁場沿軸線非均勻分布，中間強(qiáng)，兩端弱。插入鐵芯的長度不宜過短也不宜過長，一般以鐵芯與線圈長度比為0.5、半徑比趨于1為宜。鐵磁材料的選取決定于供橋電源的頻率，500Hz以下多用硅鋼片，500Hz以上多用薄膜合金，更高頻率則選用鐵氧體。從線性度考慮，匝數(shù)和鐵芯長度有一最佳數(shù)值，應(yīng)

5、通過實(shí)驗(yàn)選定。,2020/7/31,13,結(jié)構(gòu),差動(dòng)式電感傳感器對(duì)外界影響，如溫度的變化、電源頻率的變化等基本上可以互相抵消，銜鐵承受的電磁吸力也較小，從而減小了測量誤差。,1測桿 2銜鐵 3線圈,2020/7/31,14,特性,從輸出特性曲線（如圖4-5所示）可以看出，差動(dòng)式電感傳感器的線性較好，且輸出曲線較陡，靈敏度約為非差動(dòng)式電感傳感器的兩倍。,1、2L1、L2的特性 3差動(dòng)特性,2020/7/31,15,4.1.2 自感式傳感器的測量電路,自感式傳感器的測量電路用來將電感量的變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓或電流信號(hào)，以便供放大器進(jìn)行放大，然后用測量儀表顯示或記錄。 測量電路有交流分壓式、交流電橋

6、式和諧振式等多種，常用的差動(dòng)式傳感器大多采用交流電橋式 。 交流電橋的種類很多，差動(dòng)形式工作時(shí)其電橋電路常采用雙臂工作方式。兩個(gè)差動(dòng)線圈Z1和Z2分別作為電橋的兩個(gè)橋臂，另外兩個(gè)平衡臂可以是電阻或電抗，或者是帶中心抽頭的變壓器的兩個(gè)二次繞組或緊耦合線圈等形式。,2020/7/31,16,1變壓器交流電橋,電橋有兩臂為傳感器的差動(dòng)線圈的阻抗，所以該電路又稱為差動(dòng)交流電橋,變壓器式交流電橋電路圖,2020/7/31,17,分析,設(shè)O點(diǎn)為電位參考點(diǎn)，根據(jù)電路的基本分析方法，可得到電橋輸出電壓為 當(dāng)傳感器的活動(dòng)鐵芯處于初始平衡位置時(shí)，兩線圈的電感相等，阻抗也相等，即，其中表示活動(dòng)鐵芯處于初始平衡位置時(shí)

7、每一個(gè)線圈的阻抗。 電橋輸出電壓，電橋處于平衡狀態(tài)。,2020/7/31,18,變化時(shí),當(dāng)鐵芯向一邊移動(dòng)時(shí)，則一個(gè)線圈的阻抗增加 ，,2020/7/31,19,變化后的電壓,當(dāng)傳感器線圈為高Q值時(shí)，則線圈的電阻遠(yuǎn)小于其感抗 當(dāng)活動(dòng)鐵芯向另一邊（反方向）移動(dòng)時(shí) 差動(dòng)式自感傳感器采用變壓器交流電橋?yàn)闇y量電路時(shí)，電橋輸出電壓既能反映被測體位移量的大小，又能反映位移量的方向，且輸出電壓與電感變化量呈線性關(guān)系。,2020/7/31,20,2帶相敏整流的交流電橋,上述變壓器式交流電橋中，由于采用交流電源，則不論活動(dòng)鐵芯向線圈的哪個(gè)方向移動(dòng)，電橋輸出電壓總是交流的，即無法判別位移的方向。 常采用帶相敏整流的

8、交流電橋.,2020/7/31,21,結(jié)構(gòu),帶相敏整流的交流電橋電路,2020/7/31,22,（1）初始平衡位置時(shí),當(dāng)差動(dòng)式傳感器的活動(dòng)鐵芯處于中間位置時(shí)，傳感器兩個(gè)差動(dòng)線圈的阻抗Z1=Z2=Z0，其等效電路如圖所示。,鐵芯處于初始平衡位置時(shí)的等效電路,2020/7/31,23,（2）活動(dòng)鐵芯向一邊移動(dòng)時(shí),當(dāng)活動(dòng)鐵芯向線圈的一個(gè)方向移動(dòng)時(shí)，傳感器兩個(gè)差動(dòng)線圈的阻抗發(fā)生變化，等效電路如圖4-9所示。,鐵芯向線圈一個(gè)方向移動(dòng)時(shí)的等效電路,2020/7/31,24,結(jié)果,在Ui的正半周,在Ui的負(fù)半周,2020/7/31,25,只要活動(dòng)鐵芯向一方向移動(dòng)，無論在交流電源的正半周還是負(fù)半周，電橋輸出電

9、壓均為正值。,2020/7/31,26,（3）活動(dòng)鐵芯向相反方向移動(dòng)時(shí),當(dāng)活動(dòng)鐵芯向線圈的另一個(gè)方向移動(dòng)時(shí)，用上述分析方法同樣可以證明，無論在的正半周還是負(fù)半周，電橋輸出電壓均為負(fù)值。,2020/7/31,27,應(yīng)用,采用帶相敏整流的交流電橋，其輸出電壓既能反映位移量的大小，又能反映位移的方向，所以應(yīng)用較為廣泛。,1理想特性曲線 2實(shí)際特性曲線,2020/7/31,28,4.1.3自感式傳感器應(yīng)用舉例,用于測量位移，還可以用于測量振動(dòng)、應(yīng)變、厚度、壓力、流量、液位等非電量。,2020/7/31,29,1自感式測厚儀,采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)，其測量電路為帶相敏整流的交流電橋。當(dāng)被測物體的厚度發(fā)生變化時(shí)，引

10、起測桿上下移動(dòng)，帶動(dòng)可動(dòng)鐵芯產(chǎn)生位移，從而改變了氣隙的厚度，使線圈的電感量發(fā)生相應(yīng)的變化。此電感變化量經(jīng)過帶相敏整流的交流電橋測量后，送測量儀表顯示，其大小與被測物的厚度成正比。,1可動(dòng)鐵芯 2測桿 3被測物體,2020/7/31,30,2位移測量,測量時(shí)測頭的測端與被測件接觸，被測件的微小位移使銜鐵在差動(dòng)線圈中移動(dòng)，線圈的電感值將產(chǎn)生變化，這一變化量通過引線接到交流電橋，電橋的輸出電壓就反映被測件的位移變化量。,1引線 2線圈 3銜鐵 4測力彈簧 5導(dǎo)桿 6密封罩 7測頭,2020/7/31,31,其他電感測微頭,2020/7/31,32,4.2差動(dòng)變壓器式傳感器,把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換為線

11、圈互感變化的傳感器稱為互感式傳感器。因這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且其二次繞組都用差動(dòng)形式連接，所以又叫差動(dòng)變壓器式傳感器，簡稱差動(dòng)變壓器。 有變隙式、變面積式和螺線管式等 在非電量測量中，應(yīng)用最多的是螺線管式的差動(dòng)變壓器，它可以測量1100mm范圍內(nèi)的機(jī)械位移，并具有測量精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。,2020/7/31,33,4.2.1 基本工作原理,螺線管式差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)示意圖 1 一次繞組 2二次繞組 3銜鐵 4測桿,螺線管式差動(dòng)變壓器原理圖,2020/7/31,34,輸出特性,由于在一定的范圍內(nèi)，互感的變化M與位移x成正比，所以輸出電壓的變化與位移的變化成

12、正比。實(shí)際上，當(dāng)銜鐵位于中心位置時(shí)，差動(dòng)變壓器的輸出電壓并不等于零，通常把差動(dòng)變壓器在零位移時(shí)的輸出電壓稱為零點(diǎn)殘余電壓（如圖4-15所示e）。它的存在使傳感器的輸出特性曲線不過零點(diǎn)，造成實(shí)際特性與理論特性不完全一致。,零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢,2020/7/31,35,零點(diǎn)電勢,零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢使得傳感器在零點(diǎn)附近的輸出特性不靈敏，為測量帶來誤差。為了減小零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢，可采用以下方法。 （1）盡可能保證傳感器尺寸、線圈電氣參數(shù)和磁路對(duì)稱。 （2）選用合適的測量電路。 （3）采用補(bǔ)償線路減小零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢。,2020/7/31,36,4.2.2 測 量 電 路,差動(dòng)變壓器輸出的是交流電壓，若用交流電壓表

13、測量，只能反映銜鐵位移的大小，而不能反映移動(dòng)方向。另外，其測量值中將包含零點(diǎn)殘余電壓。為了達(dá)到能辨別移動(dòng)方向及消除零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢目的，實(shí)際測量時(shí)，常常采用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路。,2020/7/31,37,1差動(dòng)整流電路,是把差動(dòng)變壓器的兩個(gè)次級(jí)輸出電壓分別整流，然后將整流的電壓或電流的差值作為輸出，這樣二次電壓的相位和零點(diǎn)殘余電壓都不必考慮。 差動(dòng)整流電路同樣具有相敏檢波作用，圖中的兩組（或兩個(gè)）整流二極管分別將二次線圈中的交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電，然后相加。由于這種測量電路結(jié)構(gòu)簡單，不需要考慮相位調(diào)整和零點(diǎn)殘余電壓的影響，且具有分布電容小和便于遠(yuǎn)距離傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，因而獲得廣泛的應(yīng)用。但是，二

14、極管的非線性影響比較嚴(yán)重，而且二極管的正向飽和壓降和反向漏電流對(duì)性能也會(huì)產(chǎn)生不利影響，只能在要求不高的場合下使用。 一般經(jīng)相敏檢波和差動(dòng)整流后的輸出信號(hào)還必須經(jīng)過低通濾波器，把調(diào)制的高頻信號(hào)衰減掉，只允許銜鐵運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的有用信號(hào)通過。,2020/7/31,38,典型電路,差動(dòng)整流電路,2020/7/31,39,2差動(dòng)相敏檢波電路,差動(dòng)相敏檢波電路,等效電路,2020/7/31,40,（2）工作原理,傳感器銜鐵上移 傳感器銜鐵下移,2020/7/31,41,（3）波形圖,相敏檢波電路波形圖,2020/7/31,42,4.2.3 差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用,差動(dòng)變壓器不僅可以直接用于位移測量，而且還可

15、以測量與位移有關(guān)的任何機(jī)械量，如振動(dòng)、加速度、應(yīng)變、壓力、張力、比重和厚度等。,2020/7/31,43,1振動(dòng)和加速度的測量,銜鐵受振動(dòng)和加速度的作用，使彈簧受力變形，與彈簧聯(lián)接的銜鐵的位移大小反映了振動(dòng)的幅度和頻率以及加速度的大小。,振動(dòng)傳感器及其測量電路 1彈性支撐 2差動(dòng)變壓器,2020/7/31,44,2力和壓力的測量,當(dāng)力作用于傳感器時(shí)，彈性元件產(chǎn)生變形，從而導(dǎo)致銜鐵相對(duì)線圈移動(dòng)。線圈電感量的變化通過測量電路轉(zhuǎn)換為輸出電壓，其大小反映了受力的大小。,差動(dòng)變壓器式力傳感器,1上部 2銜鐵 3線圈 4變形部 5下部,2020/7/31,45,微壓力傳感器,在無壓力作用時(shí)，膜盒在初始狀態(tài)

16、，與膜盒聯(lián)接的銜鐵位于差動(dòng)變壓器線圈的中心部位。當(dāng)壓力輸入膜盒后，膜盒的自由端產(chǎn)生位移并帶動(dòng)銜鐵移動(dòng)，差動(dòng)變壓器產(chǎn)生一正比于壓力的輸出電壓。,1差動(dòng)變壓器 2銜鐵 3罩殼 4插頭 5通孔 6底座 7膜盒 8接頭 9線路板,電感式微壓力傳感器,2020/7/31,46,4.3電渦流傳感器,根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應(yīng)電流，此電流叫電渦流，這種現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。 根據(jù)電渦流效應(yīng)制成的傳感器稱為電渦流式傳感器。按照電渦流在導(dǎo)體內(nèi)的貫穿情況， 此傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩類，但從基本工作原理上來說仍是相似的。電

17、渦流式傳感器最大的特點(diǎn)是能對(duì)位移、厚度、表面溫度、速度、應(yīng)力、材料損傷等進(jìn)行非接觸式連續(xù)測量，另外還具有體積小、靈敏度高、頻率響應(yīng)寬等特點(diǎn)，應(yīng)用極其廣泛。,2020/7/31,47,4.3.1 電渦流傳感器的工作原理,線圈阻抗的變化完全取決于被測金屬導(dǎo)體的電渦流效應(yīng)。 而電渦流效應(yīng)既與被測體的電阻率、磁導(dǎo)率以及幾何形狀有關(guān)，又與線圈幾何參數(shù)、線圈中激磁電流頻率有關(guān)，還與線圈與導(dǎo)體間的距離x有關(guān)。因此，傳感器線圈受電渦流影響時(shí)的等效阻抗Z的函數(shù)關(guān)系式為Z=F（，R，x）,電渦流傳感器原理圖,2020/7/31,48,如果保持上式中其他參數(shù)不變，而只改變其中一個(gè)參數(shù)，傳感器線圈阻抗Z就僅僅是這個(gè)參

18、數(shù)的單值函數(shù)。通過與傳感器配用的測量電路測出阻抗Z的變化量，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)該參數(shù)的測量。,2020/7/31,49,4.3.2 電渦流傳感器基本結(jié)構(gòu)和類型,1電渦流傳感器基本結(jié)構(gòu) 2電渦流傳感器基本類型,2020/7/31,50,1電渦流傳感器基本結(jié)構(gòu),電渦流式傳感器的基本結(jié)構(gòu)主要由線圈和框架組成。根據(jù)線圈在框架上的安置方法，傳感器的結(jié)構(gòu)可分為兩種形式：一種是單獨(dú)繞成一只無框架的扁平圓形線圈，由膠水將此線圈粘接于框架的頂部,圖4-26 CZF3型電渦流式傳感器 1殼體 2框架 3線圈 4保護(hù)套 5填料 6螺母 7電纜,2020/7/31,51,另一種是在框架的接近端面處開一條細(xì)槽，用導(dǎo)線在槽中繞成

19、一只線圈，如圖4-27所示的CZF1型電渦流式傳感器。,圖4-27 CZF1型電渦流式傳感器 1電渦流線圈 2前端殼體 3位置調(diào)節(jié)螺 4信號(hào)處理電路 5夾持螺母 6電源指示燈閾值指示燈 8輸出屏蔽電纜線 9電纜插頭,2020/7/31,52,2電渦流傳感器基本類型,電渦流在金屬導(dǎo)體內(nèi)的滲透深度與傳感器線圈的激勵(lì)信號(hào)頻率有關(guān)，故電渦流式傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩類。目前高頻反射式電渦流傳感器應(yīng)用較廣泛。,2020/7/31,53,（1）高頻反射式,高頻（1MHz）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

20、圈，引起線圈自感L或阻抗ZL的變化。線圈自感L或阻抗ZL的變化與金屬板距離h、金屬板的電阻率、磁導(dǎo)率、激勵(lì)電流i及角頻率等有關(guān)，若只改變距離h而保持其他參數(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)換為電壓輸出。高頻反射式渦流傳感器多用于位移測量。,高頻反射式電渦流傳感器,2020/7/31,54,（2）低頻透射式,低頻透射式電渦流傳感器,2020/7/31,55,4.3.3 測量電路,1電橋電路 2調(diào)幅式（AM）電路 3調(diào)頻（FM）式電路（100kHz1MHz）,2020/7/31,56,1電橋電路,靜態(tài)時(shí)，電橋平衡，橋路輸出UAB0。工作時(shí)，傳感器接近被測體，電渦流效應(yīng)等效

21、電感L發(fā)生變化，測量電橋失去平衡，即UAB0，經(jīng)線性放大后送檢波器檢波后輸出直流電壓U。,2020/7/31,57,2調(diào)幅式（AM）電路,石英振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)頻、穩(wěn)幅高頻振蕩電壓（100kHz1MHz）用于激勵(lì)電渦流線圈。金屬材料在高頻磁場中產(chǎn)生電渦流，引起電渦流線圈端電壓的衰減，再經(jīng)高放、檢波、低放電路，最終輸出的直流電壓Uo反映了金屬體對(duì)電渦流線圈的影響）。,2020/7/31,58,3調(diào)頻（FM）式電路（100kHz1MHz）,當(dāng)電渦流線圈與被測體的距離x 改變時(shí)，電渦流線圈的電感量L也隨之改變，引起LC振蕩器的輸出頻率變化，此頻率可直接用計(jì)算機(jī)測量。如果要用模擬儀表進(jìn)行顯示或記錄時(shí)，必須使

22、用鑒頻器，將f轉(zhuǎn)換為電壓Uo。,2020/7/31,59,4.3.4 電渦流傳感器的應(yīng)用,渦流式傳感器的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，易于進(jìn)行非接觸的連續(xù)測量，靈敏度較高，適用性強(qiáng) 利用位移x作為變換量，可以做成測量位移、厚度、振幅、振擺、轉(zhuǎn)速等傳感器，也可做成接近開關(guān)、計(jì)數(shù)器等； 利用材料電阻率作為變換量，可以做成測量溫度，材質(zhì)判別等傳感器； 利用導(dǎo)磁率作為變換量，可以做成測量應(yīng)力，硬度等傳感器； 利用變換量x、等的綜臺(tái)影響，可以做成探傷裝置。,2020/7/31,60,1測量轉(zhuǎn)速,在軟磁材料制成的輸入軸上加工一鍵槽（或裝上一個(gè)齒輪狀的零件），在距輸入表面d0處設(shè)置電渦流傳感器，輸入軸與被測旋轉(zhuǎn)軸相連。,實(shí)物圖,2020/7/31,61,原理,當(dāng)旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，輸出軸的距離發(fā)生d0+d的變化。由于電渦流效應(yīng)，這種變化將導(dǎo)致振蕩諧振回路的品質(zhì)因數(shù)變化，使傳感器線圈電感隨d的變化也發(fā)生變化，它們將直接影響振蕩器的電壓幅值和振蕩頻率。因此，隨著輸入軸的旋轉(zhuǎn)，從振蕩器輸出的信號(hào)中包含有與轉(zhuǎn)數(shù)成正比的脈沖頻率信號(hào)。該信號(hào)由檢波器檢出電壓幅值的變化