項(xiàng)目五、電感式傳感器教案

1、班級： 日期： 年 月 日 編號： 教 學(xué) 目 的 與 要 求 項(xiàng)目五 電感傳式感器 1、了解電感傳感器的工作原理及分類方法； 2、掌握電感傳感器 傳感器的功能及工作特點(diǎn) ； 3、掌握電感傳感器的測量方法； 4、了解電感傳感器的發(fā)展方向與應(yīng)用。 (時(shí)間安排： 4 課時(shí)； 任課教師：胡 輝) 本 課 重 點(diǎn) 與 難 點(diǎn) 重點(diǎn)、難點(diǎn): 理解自感式、差動變壓器式、渦流傳感器的工作原理，掌握 其性能特點(diǎn)，了解其應(yīng)用。 次序內(nèi) 容 1 一、自感式傳感器 2 二變壓器式傳感器 3 三、電渦流式傳感器 4 四、電感式傳感器的應(yīng)用 5 五、小結(jié) 6 六、作業(yè) 7 七、板書安排 堂 進(jìn) 程 電感式傳感器是利用電

2、磁感應(yīng)改變線圈的自感系數(shù)或互感系數(shù)達(dá)到測量位移、壓力、LM 流量、振動、比重等物理參數(shù)的目的，自感系數(shù)和互感系數(shù)的變化在電路中又轉(zhuǎn)換為電LM 壓或電流的變化輸出，從而實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。電感式傳感器實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離轉(zhuǎn)輸、 記錄、顯示和控制等方面的要求，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動控制系統(tǒng)中。電感式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡 單，工作可靠，壽命長，靈敏度和分辨率高，輸出信號強(qiáng)，線性度和重復(fù)性好，穩(wěn)定性好等優(yōu) 點(diǎn)。但是存在交流零位信號，不宜快速動態(tài)測控等缺點(diǎn)。 電感式傳感器按其工作原理可分為自感式，變壓器式和電渦流式等種類。本項(xiàng)目將重點(diǎn)介 紹上述三種傳感器，使讀者了解電感式傳感器的結(jié)構(gòu)、工作原理、測量方法和應(yīng)用場

3、合。 一、自感式傳感器自感式傳感器 1、工作原理 變磁阻式傳感器是一種常用自感式傳感器，其結(jié)構(gòu)原理如圖 51 所示，由線圈、鐵芯和 銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料（坡莫合金或硅鋼片）制成?；顒鱼曡F與鐵芯之間存 在氣隙，厚度為。傳感器工作時(shí)，銜鐵與傳感器的運(yùn)動部分（同時(shí)連接被測物體）連在一 起，當(dāng)被測物體按圖示方向產(chǎn)生的位移時(shí)，氣隙厚度發(fā)生變化，從而使磁路中的磁阻 產(chǎn)生相應(yīng)的變化，進(jìn)而導(dǎo)致電感線圈的電感量變化，測出這種電感量的變化就可以判別銜鐵 （即被測物體）位移量的大小和方向。 圖 51 變磁阻式傳感器基本結(jié)構(gòu) 根據(jù)電感定義，線圈中電感量可由下式確定： （51） I N I L 式中：

4、線圈總磁鏈； 通過線圈的電流；I 線圈的匝數(shù)；N 穿過線圈的磁通。 由磁路歐姆定律，得 （52） m R IN 式中：磁路總磁阻。 m R 將式（52）代入（51）得 （53） mm R N R IN I N I N I 2 L 對于變氣隙式傳感器， 因?yàn)闅庀逗苄?，所以可以認(rèn)為氣隙中的磁場是均勻的。若忽略磁 路損耗，則磁路總磁阻為 (54)式 SS L S L RRR Fm 022 2 11 1 2 中：鐵芯磁阻； F R 空氣氣隙磁阻； R 鐵芯材料的磁導(dǎo)率； 1 銜鐵材料的磁導(dǎo)率； 2 磁通通過鐵芯的長度； 1 L 氣隙的截面積； S 氣隙的厚度。 2、自感傳感器等效電路 電感傳感器是利用

5、鐵芯線圈中的自感隨銜鐵位移或空隙面積改變而變化的原理制成的， 它通常采用鐵磁體作為磁芯，所以線圈不可能呈現(xiàn)為純電感，電感 L 還包含了與 L 串聯(lián)的線 圈銅損耗電阻，同時(shí)存在與 L 并聯(lián)鐵芯禍流損耗電阻；由于線圈和測量設(shè)備電纜的接 c RRe 入，存在線圈固有電容和電纜的分布電容，用集中參數(shù) C 表示（C 與 L 和、相并聯(lián))， c RRe 因此，電感式傳感器可用等效電路表示。它可以用一個(gè)復(fù)阻抗 Z 來等效。 二二 互感式傳感器互感式傳感器 互感式傳感器是把被被測的非電量變化轉(zhuǎn)換為變壓器線圈的互感變化。這種傳感器是根 據(jù)變壓器的基本原理制成的，變壓器初級線圈輸入交流電壓，次級線圈感應(yīng)出電勢。由

6、于變壓 器的次級線圈常接成差動形式，故又稱為差動變壓器式傳感器。差動變壓器結(jié)構(gòu)形式有變氣隙 式、變面積式和螺線管式等，其工作原理基本一樣。變氣隙差動互感傳感器由于行程小，且結(jié) 構(gòu)復(fù)雜，因此目前已很少采用，螺線管式差動變壓器廣泛用于非電量的測量，它可以測量 1100mm 范圍內(nèi)的機(jī)械位移，這種傳感器具有測量精度高，靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠 等優(yōu)點(diǎn)。 1、工作原理 差動變壓器式傳感器的組成元件有銜鐵、初級線圈、次級線圈和線圈框架等。初級線圈 作為差動變壓器激勵(lì)用，可視為變壓器的原邊，次級兩個(gè)對稱的線圈反向串接相當(dāng)于變壓器的 副邊。如圖 510 所示螺管形差動變壓器傳感器的結(jié)構(gòu)。它由初級線圈、兩

7、個(gè)次級線圈、P 1 S 和插入線圈中央的圓柱形鐵芯組成，結(jié)構(gòu)形式有二段式和三段式等之分。 2 Sb 差動變壓器線圈連接如圖 510()所示。次級線圈和反極性串聯(lián)。當(dāng)初級線圈c 1 S 2 S 加上某一頻率的正弦交流電壓后，次級線圈產(chǎn)生感應(yīng)電壓為和，它們的大小與鐵P iU . 1 . U 2 . U 芯在線圈內(nèi)的位置有關(guān)。和反極性連接使得到輸出電壓 1 . U 2 . U oU . 當(dāng)鐵芯位于線圈中心位置時(shí)，； 2 . 1 . UU 0 . oU 當(dāng)鐵芯向上移動(見圖(c)時(shí)，大，?。?2 . 1 . UU 0 . oU 1 M 2 M 當(dāng)鐵芯向下移動(見圖(c)時(shí)，小，大。 1 . 2 . U

8、U0 . oU 1 M 2 M 鐵芯偏離中心位置時(shí)，輸出電壓隨鐵芯偏離中心位置?；蛑饾u加大，但相位相 oU . 1 . U 2 . U 差 180，如圖 511 所示。實(shí)際上，鐵芯位于中心位置，輸出電壓并不是零電位，而是 oU . 被稱為零點(diǎn)殘余電壓。零點(diǎn)殘余電壓主要是由傳感器的兩次級繞組的電氣參數(shù)與幾何尺寸 xU 不對稱，以及磁性材料的非線性等問題引起的。 零點(diǎn)殘余電壓的波形十分復(fù)雜，主要由基波 和高次諧波組成?；óa(chǎn)生的主要原因是：傳感器的兩次級繞組的電氣參數(shù)和幾何尺寸不對稱， 導(dǎo)致它們產(chǎn)生的感應(yīng)電勢的幅值不等、相位不同，因此不論怎樣調(diào)整銜鐵位置， 兩線圈中感 應(yīng)電勢都不能完全抵消。 高次

9、諧波中起主要作用的是三次諧波， 產(chǎn)生的原因是由于磁性材料 磁化曲線的非線性(磁飽和、磁滯)。 零點(diǎn)殘余電壓一般在幾十毫伏以下，在實(shí)際使用時(shí)，應(yīng) 設(shè)法減小 ， 否則將會影響傳感器的測量結(jié)果。 xU 三三 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 電感線圈產(chǎn)生的磁力線經(jīng)過金屬導(dǎo)體時(shí)，金屬導(dǎo)體就會產(chǎn)生感應(yīng)電流，該電流的流線呈閉 合回線。類似圖 518(a)所示的水渦形狀，故稱之為電渦流。 理論分析和實(shí)踐證明，電渦流的大小是金屬導(dǎo)體的電阻率、相對導(dǎo)磁率、金屬導(dǎo)體 厚度、線圈激勵(lì)信號頻率以及線圈與金屬塊之間的距離等參數(shù)的函數(shù)。若固定某些參Hx 數(shù)，就能按渦流的大小測量出另外某一參數(shù)。 渦流式傳感器最大的特點(diǎn)是能對位

10、移、厚度、表面溫度、電解質(zhì)濃度、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)寬等持點(diǎn)，所以應(yīng) 用極其廣泛。 因?yàn)闇u流滲透深度與傳感器線圈的激勵(lì)信號頻率有關(guān)，故傳感器可分為高頻反射式和低 頻透射式兩類渦流傳感器，但從基本工作原理上來說仍是相似的。下面以高頻反射式渦流傳感 器為例說明其原理和特性。 1、基本原理 電渦流式傳感器產(chǎn)生渦流的基本結(jié)構(gòu)形式如圖 518 所示。當(dāng)通有一定交變電流(頻率 . I 為)的電感線圈靠近金屬導(dǎo)體時(shí)，在金屬周圍產(chǎn)生交變磁場，在金屬表面將產(chǎn)生電渦流，fL1 . I 根據(jù)電磁感應(yīng)理論，電渦流也將形成一個(gè)方向相反的磁場。此電渦流的閉合流

11、線的圓心同線圈 在金屬板上的投影的圓心重合。 據(jù)有關(guān)資料介紹，渦流區(qū)和線圈幾何尺寸有如下關(guān)系： Dr DR 525 . 0 2 39 . 1 2 式中 一電渦流區(qū)外徑；R2 電渦流區(qū)內(nèi)徑r2 渦流滲透深度 （525） f h r 5000 式中 導(dǎo)體電阻率()；cm 交變磁場的頻率；f 相對導(dǎo)磁率。 r 四、電感式傳感器的應(yīng)用 1、變磁阻式傳感器的應(yīng)用 圖 522 所示是變隙電感式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)圖。 它由膜盒、鐵芯、銜鐵及線圈等組成， 銜鐵與膜盒的上端連在一起。 當(dāng)壓力進(jìn)入膜盒時(shí)，膜盒的頂端在壓力 P 的作用下產(chǎn)生與壓力 P 大小成正比的位移。于 是銜鐵也發(fā)生移動，從而使氣隙發(fā)生變化，流過線

12、圈的電流也發(fā)生相應(yīng)的變化，電流表指示值 就反映了被測壓力的大小。 圖 522 變隙電感式傳感器結(jié)構(gòu)圖 523 變隙式差動電感壓力傳感器 圖 523 所示為變隙式差動電感壓力傳感器。它主要由 C 形彈簧管、銜鐵、鐵芯和線圈 等組成。當(dāng)被測壓力進(jìn)入 C 形彈簧管時(shí)，C 形彈簧管產(chǎn)生變形，其自由端發(fā)生位移，帶動與 自由端連接成一體的銜鐵運(yùn)動，使線圈 1 和線圈 2 中的電感發(fā)生大小相等、 符號相反的變化， 即一個(gè)電感量增大，另一個(gè)電感量減小。電感的這種變化通過電橋電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。由于 輸出電壓與被測壓力之間成比例關(guān)系，所以只要用檢測儀表測量出輸出電壓， 即可得知被測 壓力的大小。 2、差動變壓式

13、傳感器的應(yīng)用 差動變壓器式傳感器可以直接用于位移測量，也可以測量與位移有關(guān)的任何機(jī)械量，如振 動、加速度、應(yīng)變、比重、張力和厚度等。 圖 524 所示為差動變壓器式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。它由懸臂梁 1 和差動變壓器 2 構(gòu)成。測量時(shí)，將懸臂梁底座及差動變壓器的線圈骨架固定，而將銜鐵的 A 端與被測振動體 相連。 當(dāng)被測體帶動銜鐵以 x(t)振動時(shí)，導(dǎo)致差動變壓器的輸出電壓也按相同規(guī)律變化。 圖 524 差動變壓器式傳感器原理圖 1懸臂梁 2差動變壓器 3、電渦流式傳感器的應(yīng)用 低頻透射式渦流厚度傳感器 圖 525 所示為透射式渦流厚度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖。 在被測金屬的上方設(shè)有發(fā)射傳感器 線圈 L1，在被測金屬板下方設(shè)有接收傳感器線圈 L2。當(dāng)在 L1上加低頻電壓時(shí)，則 L1上產(chǎn) 1 . U 生交變磁通 1，若兩線圈間無金屬板，則交變磁場直接耦合至 L2中，L2產(chǎn)生感應(yīng)電壓。 2 . U 如果將被測金屬板放入兩線圈之間，則 L1線圈產(chǎn)生的磁通將導(dǎo)致在金屬板中產(chǎn)生電渦流。 此時(shí)磁場能量受到損耗，到達(dá) L2的磁通將減弱為 1，從而使 L2產(chǎn)生的感應(yīng)電壓下 2 . U 降。金屬板越厚，渦流損失就越大，電壓就越小。因此，可根據(jù)電壓的大小得知被測 2 . U 2 . U 金屬板