【教学课件】第4章电感式传感器.ppt

第4 章 电感式传感器第4章 电感式传感器 第一节第一节 变磁阻式传感器变磁阻式传感器第二节第二节 互感式传感器互感式传感器第三节第三节 电涡流式传感器电涡流式传感器第4 章 电感式传感器第一节第一节 变磁阻式传感器变磁阻式传感器一、变隙式自感传感器一、变隙式自感传感器1、结构和工作原理、结构和工作原理第4 章 电感式传感器由磁路基本知识知，线圈自感为N：线圈匝数；Rm：磁路总磁阻(铁芯与衔铁磁阻和空气隙磁阻)l1：铁芯磁路总长；l2：衔铁的磁路长；S：气隙磁通截面积；S1：铁芯横截面积；S2：衔铁横截面积；1：铁芯磁导率；2：衔铁磁导率；0：真空磁导率，0=410-7Hm；：空气隙厚度。第4 章 电感式传感器由于自感传感器的铁芯一般在非饱和状态下，其磁导率远大于空气的磁导率，因此铁芯磁阻远较气隙磁阻小，所以上式可简化为 由上式可见,线圈匝数确定之后,只要气隙长度和气隙截面S二者之一发生变化,传感器的电感量就会发生变化。因此,有变气隙长度和变气隙截面电感传感器之分,前者常用来测量线位移,后者常用于测量角位移。第4 章 电感式传感器设衔铁处于起始位置时,传感器的初始气隙为0。初始电感为当衔铁向上移动时,传感器的气隙长度将减少,即为=0-,这时的电感量为相对变化量为2、输出特性、输出特性第4 章 电感式传感器 当 时,可将上式展开成级数 同理,如衔铁向下移动时,传感器气隙将增大,即为=0+,电感量的变化量为相对变化量为 第4 章 电感式传感器 可以看出,当忽略高次项时,L才与成线性关系。当然,/0 越小,高次项迅速减小,非线性可得到改善。然而,这又会使传感器的量程变小。所以,对输出特性线性度的要求和对测量范围的要求是相互矛盾的,一般对变气隙长度的传感器,取/0=0.10.2。第4 章 电感式传感器二、变面积自感传感器二、变面积自感传感器x xa a铁心与衔铁间气隙厚度忽略。铁心与衔铁间气隙厚度忽略。第4 章 电感式传感器三、螺管式自感传感器三、螺管式自感传感器 铁铁 芯芯位移x 传感器工作时，因铁芯在线圈中伸入长度的变化，引起螺管线圈自感值的变化。当用恒流源激励时，则线圈的输出电压与铁芯的位移量有关。第4 章 电感式传感器四、差动自感传感器四、差动自感传感器1、变隙式差动自感传感器、变隙式差动自感传感器第4 章 电感式传感器 铁铁 芯芯位移x2、螺管式差动自感传感器、螺管式差动自感传感器第4 章 电感式传感器五、测量电路五、测量电路1.电感式传感器的等效电路电感式传感器的等效电路总电阻R：线圈线绕电阻和涡流损耗电阻及磁滞损耗电阻L：线圈的自感C：绕线间分布电容第4 章 电感式传感器上图的等效线圈阻抗为 将上式有理化并应用品质因数Q=L/R，可得 第4 章 电感式传感器当Q2LC且2LC1时，上式可近似为 则 令 从以上分析可以看出，并并联联电电容容的的存存在在，使有有效效串串联联损损耗耗电电阻阻及及有有效效电电感感增增加加，在有效阻抗不大的情况下，它会使灵敏度有所提高，从而引起传感器性能的变化。因此在测量中若更换连接电缆线的长度，在激励频率较高时则应对传感器的灵敏度重新进行校准。第4 章 电感式传感器 2.交流电桥式测量电路交流电桥式测量电路设Z1=Z+Z1,Z2=Z-Z2，对于差动式电感传感器，有Z1+Z2j(L1+L2)，则电桥输出电压为 变隙式差动自感传感器电桥输出电压与成正比关系。第4 章 电感式传感器3 3、变压器式交流电桥、变压器式交流电桥 电桥两臂Z1、Z2为传感器线圈阻抗，另外两桥臂为交流变压器次级线圈的1/2阻抗。当负载阻抗为无穷大时，桥路输出电压第4 章 电感式传感器六、变磁阻式传感器的应用六、变磁阻式传感器的应用 当压力进入膜盒时，膜盒的顶端在压力P的作用下产生与压力P大小成正比的位移，于是衔铁也发生移动，从而使气隙发生变化，流过线圈的电流也发生相应的变化，电流表A的指示值就反映了被测压力的大小。第4 章 电感式传感器它主要由C形弹簧管、衔铁、铁芯和线圈等组成。第4 章 电感式传感器第二节第二节 互感式传感器互感式传感器一、结构及等效电路一、结构及等效电路Rs1Rs2RPM1M2Ls1Ls2Lp 初级线圈激励电压初级线圈激励电压Lp,Rp初级线圈电感和初级线圈电感和 电阻电阻M1,M2分别为初级与次分别为初级与次 级线圈级线圈1,2间的互间的互 感系数感系数Ls1,Ls2两个次级线圈的两个次级线圈的 电感电感Rs1,Rs2两个次级线圈的两个次级线圈的 电阻电阻 输出电压输出电压第4 章 电感式传感器输出电压有效值当磁芯平衡时当磁芯上升时当磁芯下降时第4 章 电感式传感器二、测量电路二、测量电路(相敏检波电路相敏检波电路)第4 章 电感式传感器第4 章 电感式传感器三、三、误差因素分析误差因素分析1 1、激励电压幅值与频率的影响、激励电压幅值与频率的影响激励电源电压幅值的波动，会使线圈激励磁场的磁通发生变化，直接影响输出电势。而频率的波动，只要适当地选择频率，其影响不大。2 2、温度变化的影响、温度变化的影响周围环境温度的变化，引起线圈及导磁体磁导率的变化，从而使线圈磁场发生变化产生温度漂移。当线圈品质因数较低时，影响更为严重，因此，采用恒流源激励比恒压源激励有利。适当提高线圈品质因数并采用差动电桥可以减少温度的影响。第4 章 电感式传感器3 3、零点残余电压、零点残余电压 当差动变压器的衔铁处于中间位置时，理想条件下其输出电压为零。但实际上，当使用桥式电路时，在零点仍有一个微小的电压值(从零点几mV到数十mV)存在，称为零零点点残残余余电电压压。如图是扩大了的零点残余电压的输出特性。零点残余电压的存在造成零点附近的不灵敏区；零点残余电压输入放大器内会使放大器末级趋向饱和，影响电路正常工作等。0e2x-xe20第4 章 电感式传感器消除零点残余电压方法：消除零点残余电压方法：1 1从设计和工艺上保证结构对称性从设计和工艺上保证结构对称性 为保证线圈和磁路的对称性，首先，要求提高加工精度，线圈选配成对，采用磁路可调节结构。其次，应选高磁导率、低矫顽力、低剩磁感应的导磁材料。并应经过热处理，消除残余应力，以提高磁性能的均匀性和稳定性。由高次谐波产生的因素可知，磁路工作点应选在磁化曲线的线性段。2 2选用合适的测量线路选用合适的测量线路 采用相敏检波电路不仅可鉴别衔铁移动方向，而且把衔铁在中间位置时，因高次谐波引起的零点残余电压消除掉。如图，采用相敏检波后衔铁反行程时的特性曲线由1变到2，从而消除了零点残余电压。e2+x-x210相敏检波后的输出特性第4 章 电感式传感器四、互感式传感器的应用四、互感式传感器的应用测量振动、厚度、应变、压力、加速度等各种物理量。1.1.差动变压器式加速度传感器差动变压器式加速度传感器稳压电源振荡器检波器滤波器(b)(a)220V加速度a方向a输出1211 弹性支承 2 差动变压器第4 章 电感式传感器 用于测定振动物体的频率和振幅时其激磁频率必须是振动频率的十倍以上，才能得到精确的测量结果。可测量的振幅为(0.15)mm，振动频率为(0150)Hz。差动变压器式传感器可以直接用于位移测量，也可以测量与位移有关的任何机械量，如振动、加速度、应变、比重、张力和厚度等。它由悬臂梁和差动变压器构成。测量时，将悬臂梁底座及差动变压器的线圈骨架固定，而将衔铁的A端与被测振动体相连，此时传感器作为加速度测量中的惯性元件，它的位移与被测加速度成正比，使加速度测量转变为位移的测量。当被测体带动衔铁以x(t)振动时，导致差动变压器的输出电压也按相同规律变化。第4 章 电感式传感器2.2.微压力变送器微压力变送器将差动变压器和弹性敏感元件（膜片、膜盒和弹簧管等）相结合，可以组成各种形式的压力传感器。1接头 2 膜盒 3 底座 4 线路板 5 差动变压器 6 衔铁 7 罩壳1234567220VV振荡器稳压电源差动变压器相敏检波电路这种变送器可分档测量(510(5105 56106105 5)N/m)N/m2 2压力，输出信号电压为(0(050)mV50)mV，精度为1.5级。第4 章 电感式传感器第三节第三节 电涡流式传感器电涡流式传感器一、基本工作原理一、基本工作原理 1、电涡流效应：、电涡流效应：根据法拉第定律，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁根据法拉第定律，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内部将产生漩涡状的感应电流，场中作切割磁力线运动时，导体内部将产生漩涡状的感应电流，成为电涡流，这种现象称为成为电涡流，这种现象称为“电涡流效应电涡流效应”。特点：能对位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损特点：能对位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等进行非接触式连续测量。伤等进行非接触式连续测量。第4 章 电感式传感器2、工作原理、工作原理 根根据据法法拉拉第第定定律律，当当传传感感器器线线圈圈通通以以正正弦弦交交变变电电流流I1时时，线线圈圈周周围围空空间间必必然然产产生生正正弦弦交交变变磁磁场场H1，使使置置于于此此磁磁场场中中的的金金属属导导体体中中感感应应电电涡涡流流I2，I2又又产产生生新新的的交交变变磁磁场场H2。根根据据愣愣次次定定律律，H2的的作作用用将将反反抗抗原原磁磁场场H1，由由于于磁磁场场H2的的作作用用，涡涡流流要要消消耗耗一一部部分分能能量量，导导致致传传感感器器线线圈圈的的等等效效阻阻抗抗发发生生变变化化。由由上上可可知知，线线圈圈阻阻抗抗的的变变化化完完全全取取决决于于被被测测金金属属导导体的电涡流效应。体的电涡流效应。.第4 章 电感式传感器二、电涡流形成范围二、电涡流形成范围 1.电涡流的径向形成范围电涡流的径向形成范围第4 章 电感式传感器 线圈导体系统产生的电涡流密度既是线圈与导体间距离x的函数，又是沿线圈半径方向r的函数。当x一定时，电涡流密度J与半径r的关系曲线如图所示。J0为金属导体表面电涡流密度，即电涡流密度最大值。Jr为半径r处的金属导体表面电涡流密度）。由图可知：电涡流径向形成范围大约在传感器线圈外径ras的1.82.5倍范围内，且分布不均匀。电涡流密度在ri=0处为零。电涡流的最大值在r=ras附近的一个狭窄区域内。可以用一个平均半径为的短路环来集中表示分散的电涡流（图中阴影部分）。第4 章 电感式传感器 2.电涡流强度与距离的关系电涡流强度与距离的关系 理论分析和实验都已证明，当x改变时，电涡流密度也发生变化，即电涡流强度随距离x的变化而变化。根据线圈导体系统的电磁作用，可以得到金属导体表面的电涡流强度为 式中：I1线圈激励电流；I2金属导体中等效电流；x线圈到金属导体表面距离；ras线圈外径。第4 章 电感式传感器 以上分析表明：电涡流强度与距离x呈非线性关系，且随着x/ras的增加而迅速减小。当利用电涡流式传感器测量位移时，只有在x/ras1(一般取0.050.15)的条件下才能得到较好的线性和较高的灵敏度。第4 章 电感式传感器 所所谓谓贯贯穿穿深深度度是是指指把把电电涡涡流流强强度度减减小小到到表表面面强强度度的的1/e处处的的表表面面厚厚度度。由由于于电电磁磁场场不不能能穿穿过过导导体体的的无无限限厚厚度度，仅仅作作用用于于表表面面薄薄层层和和一一定定的的径径向向范范围围内内，并并且且导导体体中中产产生生的的电电涡涡流流强强度度是是随随导导体体厚厚度度的的增增加加按按指指数数规规律律下下降降的的。其其按按指指数数衰衰减减分分布布规规律律可可用下式表示：用下式表示：3.电涡流的轴向贯穿深度电涡流的轴向贯穿深度式中：式中：d金属导体中某一点与表面的距离；金属导体中某一点与表面的距离；Jd沿沿H1轴向轴向d处的电涡流密度；处的电涡流密度；J0金属导体表面电涡流密度，金属导体表面电涡流密度，即电涡流密度最大值；即电涡流密度最大值；h电涡流轴向贯穿的深度（趋肤深度）。电涡流轴向贯穿的深度（趋肤深度）。第4 章 电感式传感器三、电涡流传感器等效电路三、电涡流传感器等效电路线圈激磁电流角频率；R1、L1线圈电阻和电感；M互感系数。第4 章 电感式传感器解得等效阻抗Z的表达式为 式中：Req线圈受电涡流影响后的等效电阻 Leq线圈受电涡流影响后的等效电感 线圈的等效品质因数Q值为 第4 章 电感式传感器四、电涡流传感器测量电路四、电涡流传感器测量电路1.调频式电路调频式电路第4 章 电感式传感器 传感器线圈接入LC振荡回路，当传感器与被测导体距离x改变时，在涡流影响下，传感器的电感变化，将导致振荡频率的变化，该变化的频率是距离x的函数，即f=L(x),该频率可由数字频率计直接测量，或者通过f-V变换，用数字电压表测量对应的电压。振荡器电路如图(b)所示。它由克拉泼电容三点式振荡器(C2、C3、L、C和1)以及射极输出电路两部分组成。振荡器的频率为 为了避免输出电缆的分布电容的影响，通常将L、C装在传感器内。此时电缆分布电容并联在大电容C2、C3上，因而对振荡频率f的影响将大大减小。第4 章 电感式传感器由由传传感感器器线线圈圈L、电电容容器器C和和石石英英晶晶体体组组成成的的石石英英晶晶体体振振荡荡电电路路如如图图所所示示。石石英英晶晶体体振振荡荡器器起起恒恒流流源源的的作作用用，给给谐谐振振回回路路提提供供一一个个频频率率（f0）稳稳定定的的激激励电流励电流io，LC回路输出电压回路输出电压 式中式中,Z为为LC回路的阻抗。回路的阻抗。当当金金属属导导体体远远离离或或去去掉掉时时，LC并并联联谐谐振振回回路路谐谐振振频频率率即即为为石石英英振振荡荡频频率率fo，回回路路呈呈现现的的阻阻抗抗最最大大，谐谐振振回回路路上上的的输输出出电电压压也也最最大大；当当金金属属导导体体靠靠近近传传感感器器线线圈圈时时，线线圈圈的的等等效效电电感感L发发生生变变化化，导导致致回回路路失失谐谐，从从而而使使输输出出电电压压降降低低，L的的数数值值随随距距离离x的的变变化化而而变变化化。因因此此，输输出出电电压压也也随随x而而变变化化。输输出出电电压压经经放放大大、检检波波后后，由指示仪表直接显示出由指示仪表直接显示出x的大小。的大小。2.调幅式电路调幅式电路第4 章 电感式传感器五、电涡流传感器的应用五、电涡流传感器的应用 1.低频透射式涡流厚度传感器低频透射式涡流厚度传感器第4 章 电感式传感器 在被测金属板的上方设有发射传感器线圈L1，在被测金属板下方设有接收传感器线圈L2。当在L1上加低频电压U1时，L1上产生交变磁通1，若两线圈间无金属板，则交变磁通直接耦合至L2中，L2产生感应电压U2。如果将被测金属板放入两线圈之间，则L1线圈产生的磁场将导致在金属板中产生电涡流,并将贯穿金属板，此时磁场能量受到损耗，使到达L2的磁通将减弱为1，从而使L2产生的感应电压U2下降。金属板越厚，涡流损失就越大，电压U2就越小。因此，可根据U2电压的大小得知被测金属板的厚度。透射式涡流厚度传感器的检测范围可达1100 mm，分辨率为0.1 m，线性度为1%。.第4 章 电感式传感器2.高频反射式涡流厚度传感器高频反射式涡流厚度传感器 高频反射式涡流测厚仪测试系统图 第4 章 电感式传感器 为了克服带材不够平整或运行过程中上下波动的影响，在带材的上、下两侧对称地设置了两个特性完全相同的涡流传感器S1和S2。S1和S2与被测带材表面之间的距离分别为x1和x2。若带材厚度不变，则被测带材上、下表面之间的距离总有x1+x2=常数的关系存在。两传感器的输出电压之和为2Uo，数值不变。如果被测带材厚度改变量为，则两传感器与带材之间的距离也改变一个，两传感器输出电压此时为2UoU。U经放大器放大后，通过指示仪表即可指示出带材的厚度变化值。带材厚度给定值与偏差指示值的代数和就是被测带材的厚度。第4 章 电感式传感器 图所示为电涡流式转速传感器工作原理图。在软磁材料制成的输入轴上加工一键槽，在距输入表面d0处设置电涡流传感器，输入轴与被测旋转轴相连。3.电涡流式转速传感器电涡流式转速传感器第4 章 电感式传感器 当被测旋转轴转动时，电涡流传感器与输出轴的距离变为d0+d。由于电涡流效应，使传感器线圈阻抗随d的变化而变化，这种变化将导致振荡谐振回路的品质因数发生变化，它们将直接影响振荡器的电压幅值和振荡频率。因此，随着输入轴的旋转，从振荡器输出的信号中包含有与转速成正比的脉冲频率信号。该信号由检波器检出电压幅值的变化量，然后经整形电路输出频率为fn的脉冲信号。该信号经电路处理便可得到被测转速。这种转速传感器可实现非接触式测量，抗污染能力很强，可安装在旋转轴近旁长期对被测转速进行监视。最高测量转速可达600 000r/min。