电感式传感器 (2)精选文档.ppt

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1、电感式传感器(2)本讲稿第一页，共六十一页电感式传感器是利用电磁感应原理，将被测的物理量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈的自感系数L或互感系数M的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出，实现由非电量到电量转换的装置。将非电量转换成自感系数变化的传感器通常称为自感式传感器（又称电感式传感器），而将非电量转换成互感系数变化的传感器通常称为互感式传感器（又称差动变压器式传感器）。电感式传感器种类很多，本章主要介绍自感式、互感式和涡流式三种传感器。本讲稿第二页，共六十一页在电路中，当电流流过导体时，会产生电磁场，电磁场的大小除以电流的大小就是电感，电感的定义是L=phi/i,单位是韦伯 电

2、感是衡量线圈产生电磁感应能力的物理量。给一个线圈通入电流，线圈周围就会产生磁场，线圈就有磁通量通过。通入线圈的电源越大，磁场就越强，通过线圈的磁通量就越大。实验证明，通过线圈的磁通量和通入的电流是成正比的，它们的比值叫做自感系数，也叫做电感。如果通过线圈的磁通量用表示，电流用I表示，电感用L表示，那么 L I 电感的单位是亨（H），也常用毫亨（mH）或微亨（uH）做单位。1H=1000mH，1H=1000000uH。电感只能对非稳恒电流起作用，它的特点两端电压正比于通过他的电流的瞬时变化率（导数），比例系数就是它的“自感”本讲稿第三页，共六十一页电感起作用的原因是它在通过非稳恒电流时产生变化的

3、磁场，而这个磁场又会反过来影响电流，所以，这么说来，任何一个导体，只要它通过非稳恒电流，就会产生变化的磁场，就会反过来影响电流，所以任何导体都会有自感现象产生 在主板上可以看到很多铜线缠绕的线圈，这个线圈就叫电感，电感主要分为磁心电感和空心电感两种，磁心电感电感量大常用在滤波电路，空心电感电感量较小，常用于高频电路。电感的特性与电容的特性正好相反，它具有阻止交流电通过而让直流电顺利通过的特性。电感的特性是通直流、阻交流，频率越高，线圈阻抗越大。电感器在电路中经常和电容一起工作，构成LC滤波器、LC振荡器等。另外，人们还利用电感的特性，制造了阻流圈、变压器、继电器等.本讲稿第四页，共六十一页6.

4、1 电感式传感器电感式传感器6.1.1 电感传感器的工作原理和等效电路电感传感器的工作原理和等效电路1工作原理工作原理图图6.l为为一一简单简单的的电电感感传传感器。它有感器。它有衔铁衔铁、铁铁芯和匝数芯和匝数为为W的的线线圈三部分构成。圈三部分构成。传传感器感器测测量物理量量物理量时衔铁时衔铁的运的运动动部分部分产产生位移，生位移，导导致致线线圈的圈的电电感感值发值发生生变变化，根据定化，根据定义义，线线圈圈的的电电感感为为式中式中 RM磁阻，它包括磁阻，它包括铁铁芯磁阻和空气隙的磁阻，即芯磁阻和空气隙的磁阻，即 :铁铁磁材料各段的磁阻之和，当磁材料各段的磁阻之和，当铁铁芯一定芯一定时时，其

5、，其值为值为一定；一定；li 各段各段铁铁芯芯长长度；度；m mi 各段各段铁铁芯的磁芯的磁导导率；率；Si 各段各段铁铁芯的截面芯的截面积积；Rd d 空空气气隙隙的的磁磁阻阻，Rd d=2 2d d/m m0 0S。S为为空空气气隙隙截截面面积积，d d为为空空气气隙隙长长度度，m m0为为空空气气的磁的磁导导率。率。本讲稿第五页，共六十一页即可得电感为因为铁磁材料其磁阻与空气隙磁阻相比较小，计算时可忽略不计，这时有由上式可知，当线圈及铁芯一定时，W为常数，如果改变d 或S时，L值就会引起相应的变化。电感传感器就是利用这一原理做成的。最常用的是变气隙长度d 的电感传感器。由于改变d 和S都

6、是使气隙磁阻变化，从而使电感发生变化，所以这种传感器也叫变磁阻式传感器。本讲稿第六页，共六十一页 2、等效电路、等效电路 电电感感传传感器是一个感器是一个带铁带铁芯的可芯的可变电变电感，感，由于由于线线圈的圈的铜铜耗、耗、铁铁芯的芯的涡涡流流损损耗、耗、磁滞磁滞损损耗以及分布耗以及分布电电容的影响，它并容的影响，它并非呈非呈现纯电现纯电感。感。等效电路如图所示，等效电路如图所示，其中其中L为电感，为电感，Rc为铜损电阻，为铜损电阻，Re电电涡流损耗电阻，磁滞损耗电阻涡流损耗电阻，磁滞损耗电阻Rh，C为为传感器等效电路的等效电容。等效电容传感器等效电路的等效电容。等效电容C主要是由线圈绕组的固有

7、电容和电缆主要是由线圈绕组的固有电容和电缆分布电容引起。电缆长度的变化，将引分布电容引起。电缆长度的变化，将引起起C的变化。当电感传感器确定后，这的变化。当电感传感器确定后，这些参数即为已知量。些参数即为已知量。本讲稿第七页，共六十一页忽略分布电容且不考虑各种损耗时，电感传感器忽略分布电容且不考虑各种损耗时，电感传感器阻抗为阻抗为当考虑并联分布电容时，阻抗为当考虑并联分布电容时，阻抗为Zs本讲稿第八页，共六十一页Q品质因数，品质因数，Q=wL/R。当电感传感器当电感传感器 Q值高时，即值高时，即1/Q21，则上式可，则上式可变为变为 考虑分布电容时，电感传感器的有效串联考虑分布电容时，电感传感

8、器的有效串联电阻和有效电感都增加了，而线圈的有效品质电阻和有效电感都增加了，而线圈的有效品质因数却减小因数却减小 本讲稿第九页，共六十一页电感传感器有效灵敏度为电感传感器有效灵敏度为 考虑分布电容后，电感传感器的灵敏度增加了。考虑分布电容后，电感传感器的灵敏度增加了。因此，必须根据测试时所用电缆长度对传感器进因此，必须根据测试时所用电缆长度对传感器进行标定，或者相应调整并联电容。行标定，或者相应调整并联电容。本讲稿第十页，共六十一页6.1.2 自感式传感器的结构类型及特性自感式传感器的结构类型及特性 常见的自感式传感器有变间隙式、变面积常见的自感式传感器有变间隙式、变面积式和螺线管式三类。式和

9、螺线管式三类。1、变间隙式电感传感器变间隙式电感传感器 本讲稿第十一页，共六十一页若使得衔铁向上移动取为-D d，则由式（6-4）可得此时电感为则电感增量为线圈电感的相对变化量为若D dd0l，则可得本讲稿第十二页，共六十一页同理可得当衔铁向下移动时的D LL0为 由上式可见，线圈电感与气隙长度的关系为非线性关系，非线性度随气隙变化量的增大而增大，只有当d 很小时，忽略高次项的存在，可得近似的线性关系（这里未考虑漏磁的影响）。所以，单边变间隙式电感传感器存在线性度要求与测量范围要求的矛盾。电感L与气隙长度d 的关系如图6.4所示。它是一条双曲线，所以非线性是较严重的。为了得到一定的线性度，一般

10、取D d/d=0.10.2。本讲稿第十三页，共六十一页 差动式变间隙电感传感器，要求上、下两铁芯和线圈的几何尺寸与电气参数完全对称，当衔铁偏离对称位置移动时，使一边间隙增大，而另一边减小，两个线圈电感的总变化量为本讲稿第十四页，共六十一页忽略高次项，其电感的变化量为 可见，差动式的灵敏度比单边式的增加了近一倍，而且差动式的（D L1+D L2）L式中不包含（D dd）的偶次项，所以在相同的（D dd）下，其非线性误差比单边的要小得多。所以，实用中经常采用差动式结构。差动变间隙电感传感器的线性工作范围一般取D dd0=0.30.4。本讲稿第十五页，共六十一页 2、变面积式电感传感器、变面积式电感

11、传感器对单边式结构，在起始状态时，铁芯与衔铁在气对单边式结构，在起始状态时，铁芯与衔铁在气隙处正对着，其截面积为隙处正对着，其截面积为S0=ab。当衔铁随被。当衔铁随被测量上、下移动时，测量上、下移动时，本讲稿第十六页，共六十一页则线圈电感则线圈电感L为为线圈电感线圈电感L与面积与面积S（或（或x）呈线性关系，其灵）呈线性关系，其灵敏度敏度k为一常数，即为一常数，即正确正确选择线选择线圈匝数、圈匝数、铁铁芯尺寸，可提高灵敏度，芯尺寸，可提高灵敏度，但是采用但是采用图图6.5（b）差）差动动式式结结构更好。构更好。本讲稿第十七页，共六十一页 3、螺线管式电感传感器、螺线管式电感传感器 螺线管式电

12、感传感器如图所螺线管式电感传感器如图所示。它由螺线管形线圈、磁性示。它由螺线管形线圈、磁性材料制成的柱形铁芯和外套组材料制成的柱形铁芯和外套组成。螺管式电感传感器建立在成。螺管式电感传感器建立在磁路磁阻随着衔铁长度不同而磁路磁阻随着衔铁长度不同而变化的基础上。设线圈长度和变化的基础上。设线圈长度和平均半径分别为平均半径分别为l和和r，铁芯进，铁芯进入线圈的长度和铁芯半径分别入线圈的长度和铁芯半径分别为为x和和ra，铁芯有效磁导率为，铁芯有效磁导率为0。本讲稿第十八页，共六十一页线圈的电感量线圈的电感量L为为L与与x呈线性关系，其灵敏度呈线性关系，其灵敏度K为为实际实际上，由于漏磁因素等的影响，

13、管内磁上，由于漏磁因素等的影响，管内磁场场强强度度B的分布并非的分布并非完全均匀，故特性具有非完全均匀，故特性具有非线线性。但是，在性。但是，在铁铁芯移芯移动动范范围围内，能内，能够够寻寻找一段非找一段非线线性性误误差差较较小的区域或者采用差小的区域或者采用差动动式式结结构，如构，如图图6.6（b）所示，）所示，则则可得到可得到较较理想的改善。理想的改善。本讲稿第十九页，共六十一页在差动式结构中，由于两线圈部分完全对称，故在差动式结构中，由于两线圈部分完全对称，故当铁芯处于中央对称位置时，两线圈电感相等，当铁芯处于中央对称位置时，两线圈电感相等，即即本讲稿第二十页，共六十一页6.1.3 电感传

14、感器的测量电路电感传感器的测量电路 电感传感器最常用的测量电路是交流电桥电感传感器最常用的测量电路是交流电桥式测量电路，它有三种基本形式，即电阻式测量电路，它有三种基本形式，即电阻平衡臂电桥、变压器电桥、紧耦合电感比平衡臂电桥、变压器电桥、紧耦合电感比例臂电桥例臂电桥。本讲稿第二十一页，共六十一页1.1.电阻平衡臂交流电桥电阻平衡臂交流电桥(a)(a)差动的两个传感器线圈接成电桥的两个工差动的两个传感器线圈接成电桥的两个工差动的两个传感器线圈接成电桥的两个工差动的两个传感器线圈接成电桥的两个工作臂（作臂（作臂（作臂（Z Z1 1 1 1、Z Z2 2为两个差动传感器线圈的为两个差动传感器线圈的

15、复阻抗），另两个桥臂用平衡电阻复阻抗），另两个桥臂用平衡电阻R R1 1 1 1、R R2 2 2 2代替。代替。代替。代替。设初始时设初始时 Z Z1 1 1 1=Z Z2 2 2 2=Z Z=R RS S S S+jLjLjLjL；R R1 1 1 1=R R R R2 2 2 2=R R；L L L L1 1=L L2 2 2 2=L L0 0。Z ZL LR R1 1R R2 2Z Z2 2Z Z1 1本讲稿第二十二页，共六十一页对差动变气隙式自感传感器：对差动变气隙式自感传感器：可见，电桥输出电压与可见，电桥输出电压与可见，电桥输出电压与可见，电桥输出电压与 有关，相位与衔铁移动方向

16、有关。有关，相位与衔铁移动方向有关。由于是交流信号，还要经过适当电路（如相敏检波电路）处理由于是交流信号，还要经过适当电路（如相敏检波电路）处理由于是交流信号，还要经过适当电路（如相敏检波电路）处理由于是交流信号，还要经过适当电路（如相敏检波电路）处理才能判别衔铁位移的大小及方向。才能判别衔铁位移的大小及方向。才能判别衔铁位移的大小及方向。才能判别衔铁位移的大小及方向。本讲稿第二十三页，共六十一页2、变压器式电桥电路、变压器式电桥电路 相邻两工作臂为相邻两工作臂为Z1、Z2，是差动电感传感器的两个，是差动电感传感器的两个线圈的阻抗。另两臂为变压器次级线圈的两半，输出电压线圈的阻抗。另两臂为变压

17、器次级线圈的两半，输出电压取自取自A、B两点。且传感器线圈为高两点。且传感器线圈为高 Q值，那么我们值，那么我们就可以推导其输出特性公式为就可以推导其输出特性公式为本讲稿第二十四页，共六十一页当衔铁上移时当衔铁上移时因为在因为在Q值很高时，线圈内阻可以忽略，所以值很高时，线圈内阻可以忽略，所以同理可推出同理可推出由上式可由上式可见见，衔铁衔铁上移和下移上移和下移时时，输输出出电压电压相位相位相反，且随相反，且随D D d d 的的变变化化输输出出电压电压也相也相应应地改地改变变。本讲稿第二十五页，共六十一页3、紧耦合电感比例臂电桥、紧耦合电感比例臂电桥紧耦合电感比例臂电桥常用于差动式电感或电容

18、紧耦合电感比例臂电桥常用于差动式电感或电容传感器，它由以差动形式工作的传感器的两个传感器，它由以差动形式工作的传感器的两个阻抗作电桥的工作臂，而紧耦合的两个电感作阻抗作电桥的工作臂，而紧耦合的两个电感作为固定臂，组成电桥电路。紧耦合电感及其为固定臂，组成电桥电路。紧耦合电感及其T型型等效变换如图所示。等效变换如图所示。本讲稿第二十六页，共六十一页由由T型变换可得型变换可得当两电感内的电流同时流向节点或流出节点当两电感内的电流同时流向节点或流出节点2时，时，k取正值，反之取负值取正值，反之取负值 本讲稿第二十七页，共六十一页在电桥平衡时，因此两个耦合电感臂的支路电流在电桥平衡时，因此两个耦合电感

19、臂的支路电流 ，大小相等，方向相同，在全耦合时，大小相等，方向相同，在全耦合时，k=1，由此可见，与电感臂并联的任何分布电容对平衡由此可见，与电感臂并联的任何分布电容对平衡时的输出毫无影响。这就使桥路平衡稳定，简时的输出毫无影响。这就使桥路平衡稳定，简化了桥路的接地和屏蔽问题，改善了电路的零化了桥路的接地和屏蔽问题，改善了电路的零稳定性。稳定性。Zs=0 本讲稿第二十八页，共六十一页 当工作时当工作时 本讲稿第二十九页，共六十一页工作臂为差动电感式传感器，设工作臂为差动电感式传感器，设Z=jw L，则工，则工作时，差动电感传感器变化为作时，差动电感传感器变化为 此时桥臂上的电流发生变化，此时桥

20、臂上的电流发生变化，L1所在支路所在支路电流减少，电流减少，L2所在支路电流增加，这样就可以看所在支路电流增加，这样就可以看成一个环流成一个环流I由由3端流向端流向1端，由于耦合臂电流端，由于耦合臂电流不是同时流向或离开节点不是同时流向或离开节点2，所以耦合系数，所以耦合系数 ，故，故 本讲稿第三十页，共六十一页从图曲线可以看出从图曲线可以看出 （1）紧耦合电感比例臂电桥灵敏度高；（）紧耦合电感比例臂电桥灵敏度高；（2）当当LcL超过一定值时，灵敏度与桥臂电感的变超过一定值时，灵敏度与桥臂电感的变化无关，从而增加了电桥的稳定性。化无关，从而增加了电桥的稳定性。本讲稿第三十一页，共六十一页6.2

21、 差动变压器式电感传感器差动变压器式电感传感器差动变压器本身是一个变压器，初级线差动变压器本身是一个变压器，初级线圈输入交流电压，次级线圈感应出电信圈输入交流电压，次级线圈感应出电信号，当互感受外界影响变化时，其感应号，当互感受外界影响变化时，其感应电压也随之起相应的变化，由于它的次电压也随之起相应的变化，由于它的次级线圈接成差动的形式，故称为差动变级线圈接成差动的形式，故称为差动变压器。压器。本讲稿第三十二页，共六十一页(e)、(f)变面积式差动变压器变面积式差动变压器(a)、(b)变隙式差动变压器变隙式差动变压器(c)、(d)螺线管式差动变压器螺线管式差动变压器本讲稿第三十三页，共六十一页

22、6.2.1 工作原理工作原理差动变压器上下两只铁芯上均有一个初级线圈差动变压器上下两只铁芯上均有一个初级线圈W1（也称励磁线圈）和一个次级线圈（也称励磁线圈）和一个次级线圈W2（也（也叫输出线圈）。上下两个初级线圈串联后接交叫输出线圈）。上下两个初级线圈串联后接交流励磁电源电压流励磁电源电压Usr，两个次级线圈则按电势反，两个次级线圈则按电势反相串联。相串联。本讲稿第三十四页，共六十一页6.2.2 差动变压器式传感器的特性差动变压器式传感器的特性 Usr 初级线圈激励电压；初级线圈激励电压；L1、R1 初级线圈电感和电初级线圈电感和电阻；阻；M1、M2分别为初级与次级线分别为初级与次级线圈圈

23、l、2间的互感；间的互感；L21、L22两个次级线圈的电感；两个次级线圈的电感；R21、R22两个次级线圈的电两个次级线圈的电阻阻 初级、次级线圈的匝数分别为初级、次级线圈的匝数分别为W1、W2，当有气隙时，传感器的磁回，当有气隙时，传感器的磁回路中的总磁阻近似值为路中的总磁阻近似值为R 本讲稿第三十五页，共六十一页在初始状态时，初级线圈电感为初始时，初级线圈的阻抗分别为此时初级线圈的电流为当有气隙变化Dd 时，两个初级线圈的电感值分别为 本讲稿第三十六页，共六十一页次级线圈的输出电压USC为两个线圈感应电势之差而感应电势分别为式中M1及M2为初级与次级之间的互感系数，其值分别为得 本讲稿第三

24、十七页，共六十一页整理上式 当wR 时传感器的灵敏度 可见，差动变压器式传感器的特性几乎完全是线性的，其灵敏度不仅取决于磁系统的结构参数，同时取决于初、次级线圈的匝数以及激磁电源电压的大小。可以通过改变匝数比及提高电源电压的办法来提高灵敏度。本讲稿第三十八页，共六十一页 6.3 6.3 电涡流式传感器电涡流式传感器这种传感技术属主动测量技术，即在测试中测量仪器主动发射能量，观察被测对象吸收（透射式）或反射能量，不需要被测对象主动作功。涡流传感器的测量属于非接触测量，特别是用于测量运动的物体。电涡流传感器的应用没有特定的目标，一切与涡流有关的因素，在原则上都可用于测量目的。电涡流式传感器具有结构

25、简单、体积小、频率响应宽、灵敏度高等特点，在测试技术中日益得到重视和推广应用。本讲稿第三十九页，共六十一页6.3.1 电涡流式传感器的工作原理及特性电感线圈产生的磁力线经过金属导体时，金属导体就会产生感应电流，该电流的流线呈闭合回线，类似水涡形状，故称之为电涡流。电涡流式传感器是以电涡流效应为基础，由一个线圈和与线圈邻近的金属体组成，当线圈通入交变电流I时，在线圈的周围产生一交变磁场H1，处于该磁场中的金属体上产生感应电动势，并形成涡流。金属体上流动的电涡流也将产生相应的磁场H2，H2与H1方向相反，对线圈磁场H1起抵消作用，从而引起线圈等效阻抗 Z或等效电感L或品质因数相应变化。金属体上的电

26、涡流越大，这些参数的变化亦越大。本讲稿第四十页，共六十一页R1、L1线圈原有的电阻、电感（周围无金属体）；R2、L2电涡流等效短路环的电阻和电感；励磁电流的角频率；M 线圈与金属体之间的互感系数；电源电压。本讲稿第四十一页，共六十一页根据其等效电路，列出电路方程根据其等效电路，列出电路方程解方程组，其结果为解方程组，其结果为 本讲稿第四十二页，共六十一页 对于已定的线圈，Z、L和Q与线圈的相对位置，金属体的材料、尺寸、形状等。当只令其中的一个参数随被测量而变化，其它参数不变时，采用电涡流式传感器并配用相应的测量线路，可得到与该被测量相对应的电信号（电压、电流或频率）输出。这种方法常用来测量位移

27、、金属体厚度、温度等参数，并可作探伤用。本讲稿第四十三页，共六十一页1变间隙式变间隙式 这这种种传传感感器器最最常常用用的的结结构构型型式式是是采采用用扁扁平平线线圈圈，金金属属体体与与线线圈圈平平面平行放置，如面平行放置，如图图6.15（a）所示。）所示。金金属属体体是是传传感感器器的的另另一一组组成成部部分分，它它的的物物理理性性质质、尺尺寸寸与与形形状状也也与与传传感感器器特特性性密密切切相相关关。金金属属体体的的电电导导率率高高、磁磁导导率率低低者者其其灵灵敏敏度度高高。同同时时，金金属属体体不不应应过过小小、过过薄薄，否否则则对测对测量量结结果均有影响。果均有影响。6.3.2 6.3

28、.2 电涡电涡流式流式传传感器感器结结构型式及特点构型式及特点本讲稿第四十四页，共六十一页iedMe电涡流传感器原理图电涡流传感器原理图本讲稿第四十五页，共六十一页2变变面面积积式式 基本组成同变间隙式，但它是利用金属体与传感器线圈之间相对覆盖面积的变化而引起涡流效应变化的原理工作的。其灵敏度和线性范围比变间隙式好。为了减小轴向间隙的影响，常采用图6.15（b）所示的差动形式，将两线圈串联，以补偿轴向间隙变化的影响。本讲稿第四十六页，共六十一页3螺螺线线管式管式 右图所示为差动螺线管式电涡流传感器结构示意图。它由绕在同一骨架上的两个线圈 l、2和套在线圈外的金属短路套筒所组成，筒长约为线圈的6

29、0。它的线性特性较好，但灵敏度不太高。本讲稿第四十七页，共六十一页4低低频频透射式透射式 低频透射式由两个分别处在金属体两边的线圈组成。励磁电压U1施加于线圈L1的两端，在L2两端产生感应电动势U2。当L1与L2之间无金属体时，L1产生的磁场全部贯穿L2，U2最大；当有金属体时，因涡流形成的反磁场作用，U2将降低。涡流越大，即金属导电性越好或金属板越厚，U2将越小。当金属体材料一定时，U2将与金属板厚度相对应。本讲稿第四十八页，共六十一页需要指出的是，电涡流传感器的线圈与被测金属体之间是磁性耦合的，并利用这耦合程度的变化作为参数测试值，因此，传感器的线圈装置仅为“实际测试传感器的一半”，另一半

30、是被测体。被测体的物理性质、尺寸和形状都与测量装置总的特性密切相关。在电涡流式传感器的设计或使用中，必须同时考虑被测体的物理性能、几何形状和尺寸等因素。本讲稿第四十九页，共六十一页 6.3.3 影响涡流传感器灵敏度的因素1被被测测体材料体材料对测对测量影响量影响线圈的阻抗 Z的变化与材料电阻率r、磁导率m 有关，它们将影响电涡流的贯穿深度，影响损耗功率，也就引起传感器灵敏度的变化。2被被测测体大小和形状体大小和形状对测对测量的影响量的影响 被测物体的面积比传感器相对应的面积大很多时，灵敏度不发生变化；当被测物体面积为传感器线圈面积的一半时，其灵敏度减少一半；面积更小时，灵敏度显著下降。被测体为

31、圆柱体时，它的直径 D必须为线圈直径 d的3.5倍以上，才不影响被测结果，在Dd为 l时，灵敏度将降低为70左右。被测体的厚度也不能太薄。但一般来说，只要有0.2mm以上的厚度，测量不会受到影响（铜、铝箔等为0.07mm以上）。3传传感器形状和大小感器形状和大小对传对传感器的灵敏度影响感器的灵敏度影响传感器的主要构成是线圈，它的形状和尺寸关系到传感器的灵敏度和测量范围，而灵敏度和线性范围是与线圈产生的磁场分布有关。本讲稿第五十页，共六十一页单匝载流圆导线在轴上的磁感应强度根据毕奥沙伐拉普拉斯定律计算可得0真空磁导率；I 激励电流强度；r 圆导线半径；x 轴上点离单匝 本讲稿第五十一页，共六十一

32、页 载流圆导线的距离。由图可见，半径小的载流圆导线，在靠近圆导线处产生的磁感应强度大；而在远离圆导线处，则是半径大的磁感应强度大。这说明，线圈外径大的，线圈的磁场轴向分布大，测量范围大，线性范围相应就大，但磁感应强度的变化梯度小，因此灵敏度就低；线圈外径小时，磁感应强度轴向分布的范围小，测量范围小，但磁感应强度的变化梯度大，传感器灵敏度高。因此应根据需要选用。本讲稿第五十二页，共六十一页6.3.4 测量电路1调频式电路 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，导致振荡频率的变化，该变化的频率是距离x的函数f=L(x)。该频率可由数字频率计直接

33、测量，或者通过fV变换，用数字电压表测量对应的电压。本讲稿第五十三页，共六十一页2调调幅式幅式电电路路 传感器线圈L和电容器C并联组成谐振回路，石英晶体组成石英晶体振荡电路，如图6.20所示。石英晶体振荡器起一个恒流源的作用，给谐振回路提供一个稳定频率（f0）激励电流I0，LC回路输出电压为 当金属导体远离或被去掉时，LC并联谐振回路频率即为石英振荡频率f0，回路呈现的阻抗最大，谐振回路上的输出电压也最大；当金属导体靠近传感器线圈时，线圈的等效电感L发生变化，导致回路失谐，从而使输出电压降低，L的数值随距离x的变化而变化，因此，输出电压也随x而变化。输出电压经过放大、检波后，由指示仪表直接显示

34、出x的大小。本讲稿第五十四页，共六十一页6.4 电感式传感器的应用 6.4.1.电感传感器的应用 自感式、互感式传感器两者的工作原理虽不相同，但在应用领域方面具有共同性，除了用于测量位移、构件变形、液位等外，还可用于测量压力、力、振动、加速度等物理量。本讲稿第五十五页，共六十一页测量加速度的原理框图在该结构中，衔铁即为惯性质量，它由两个弹簧片支撑。传感器的固有频率由惯性质量的大小及弹簧刚度决定，这种结构的传感器只适于低频信号（100200Hz）的测量。本讲稿第五十六页，共六十一页测量液位的原理图图中衔铁随浮子运动反应出液位的变化，从而使差动变压器有一相应的电压输出。本讲稿第五十七页，共六十一页

35、6.4.、电涡流传感器的应用 1.位移测量：它可测量各种形状试件的位移值，测量范围为015mm（分辨率为0.05mm），或080mm（分辨率为0.1）。凡是可变换成位移量的参数，都可用电涡流式传感器来测量，如汽轮机的轴向窜动（如图6.23所示）、金属材料的热膨胀系数、钢水液位、纱线张力、流体压力等。本讲稿第五十八页，共六十一页振幅测量：电涡流式传感器可测量各种振动幅值，为非接触式测量。本讲稿第五十九页，共六十一页转速测量在一个旋转金属体上加一个有N个齿的齿轮，旁边安装电涡流传感器（如图6.25所示），当旋转体转动时，电涡流传感器将周期地改变输出信号，该输出信号频率可由频率计测出，由此可算出转速。本讲稿第六十页，共六十一页电涡流探伤 用来测试金属材料的表面裂纹、热处理裂痕、以及焊接部位的探伤等。探伤时，使传感器与被测物体距离保持不变。当有裂纹出现时，金属导电率、导磁率将发生变化，即涡流损耗改变，从而使传感器阻抗发生变化，导致测量电路的输出电压改变，达到探伤目的。本讲稿第六十一页，共六十一页