传感器与检测技术-第三章电感式传感器.ppt

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1、传感器与检测技术教 师：曾晓东E_mail:QQ:241747139第三章第三章 电感式传感器电感式传感器第一节第一节 自感式传感器自感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四节第四节 压磁式传感器压磁式传感器传感器与检测技术原理原理电感式传感器最基本原理是电磁感应原理。传感器传感器电路电路被测物理量被测物理量位移位移振动振动压力压力流量流量比重比重的变化的变化自感系数自感系数 L互感系数互感系数 M的变化的变化电压电压电流电流传感器与检测技术电感传感器优点电感传感器优点灵敏度高，分辨力高，位移：m；精度高，线性特性好，非线性误差：0.05%

2、0.1%；性能稳定，重复性好；结构简单可靠、输出功率大、输出阻抗小、抗干扰能力强、对工作环境要求不高、寿命长 能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制等。缺点缺点：存在交流零位信号，不适于高频动态信号测量。传感器与检测技术电感式传感器分类自感型变磁阻式传感器 互感型差动变压器式传感器涡流式传感器自感型和互感型都有高频反射式自感型低频透射式互感型传感器与检测技术第一节第一节 自感式传感器自感式传感器将被测对象的微小变化(x)电感的变化(L)传感器运动部分与衔铁相连，测物理量时，运动部分位移 衔铁位移 气隙厚度变化 线圈自感系数L变化一、工作原理一、工作原理传感器与检测技术自感传感器的三种型式气隙

3、变化型变气隙的间隙 (a)面积变化型变气隙的截面积S (b)螺管型变衔铁与线圈重合长度 (c)传感器与检测技术第一节第一节 自感式传感器自感式传感器二、电感计算及特性分析二、电感计算及特性分析1 1气隙型传感器气隙型传感器传感器与检测技术二、电感计算及特性分析为了减小非线性，可以利用两只完全对称的单个电感传感器合用一个活动衔铁，这样可构成差动式电感传感器，如差动式气隙电感传感器、差动螺管电感传感器等。其测量电路可使用非平衡电桥。传感器与检测技术二、电感计算及特性分析2 2螺管型电感传感器螺管型电感传感器差动螺管式电感传感器的电感相对变化量为 传感器与检测技术二、电感计算及特性分析螺管式电感传感

4、器的特点：(1)结构简单，制造装配容易(2)由于空气隙大，磁路的磁阻高，因此灵敏度低，但线性范围大(3)由于磁路大部分为空气，易受外部磁场干扰(4)由于磁阻高，为了达到某一电感量，需要的线圈匝数多，因而线圈分布电容大(5)要求线圈框架尺寸和形状必须稳定，否则影响其线性和确定性。传感器与检测技术自感式传感器的分类比较自感式传感器的分类比较传感器与检测技术第一节第一节 自感式传感器自感式传感器三、转换电路和传感器灵敏度三、转换电路和传感器灵敏度（一）转换电路（一）转换电路主要有调幅、调频、调相电路 1.交流电桥传感器与检测技术三、转换电路和传感器灵敏度三、转换电路和传感器灵敏度(1)当Q值很高时，

5、有 对气隙式差动传感器有 对螺管型差动传感器有 传感器与检测技术三、转换电路和传感器灵敏度三、转换电路和传感器灵敏度（2）当Q值很低时 电感线圈的电感远小于电阻，电感线圈相当于纯电阻的情况，交流电桥即为电阻电桥。此时输出电压为 这种电桥结构简单，其电阻可用两个电阻和一个电位器组成，调零方便。传感器与检测技术三、转换电路和传感器灵敏度三、转换电路和传感器灵敏度2.变压器电桥 双臂工作时，若Z1=Z+Z，Z2=Z-Z 若Z1=Z-Z，Z2=Z+Z，可得 传感器与检测技术三、转换电路和传感器灵敏度三、转换电路和传感器灵敏度3.调频电路 传感器与检测技术三、转换电路和传感器灵敏度三、转换电路和传感器灵

6、敏度（二）传感器灵敏度（二）传感器灵敏度 自感传感器的灵敏度自感传感器的灵敏度是指传感器结构（测头）和转换电路综合在一起的总灵敏度。传感器结构的灵敏度传感器结构的灵敏度，即电感值相对变化与引起这一变化的衔铁位移之比 转换电路的灵敏度转换电路的灵敏度，即空载输出电压与电感相对变化之比 传感器与检测技术三、转换电路和传感器灵敏度三、转换电路和传感器灵敏度传感器的灵敏度为 在工厂生产中测定的传感器的灵敏度是把传感器接入转换电路后进行的，其单位为mv/(mV)。传感器与检测技术第一节第一节 自感式传感器自感式传感器四、影响传感器精度的因素分析四、影响传感器精度的因素分析1.电源电压和频率的波动影响电源

7、电压的波动一般允许为5%10%。严格对称的交流电桥是能够补偿频率波动影响的 2.温度变化的影响为了补偿温度变化的影响，在结构设计时要合理选择零件的材料（注意各种材料的膨胀系数之间的配合），在制造和装配工艺上应使差动式传感器的两只线圈的电气参数（电阻、电感、匝数）和几何尺寸尽可能取得一致。这样可以在对称电桥电路中能有效地补偿温度的影响。3.非线性特性的影响除了采用差动式结构之外，还必须限制衔铁的最大位移量传感器与检测技术四、影响传感器精度的因素分析4.输出电压与电源电压之间的相差采用相敏整流电路，以及传感器应有高Q值，一般Q值应不低于34 5.电桥的残余不平衡电压零点残余电压 零点残余电压产生的

8、原因有：(1)差动式两个电感线圈的电气参数以及导磁体的几何尺寸不可能完全对称；(2)传感器具有铁损即磁芯磁化曲线的非线性；(3)电源电压中含有高次谐波；(4)线圈具有寄生电容，线圈与外壳、铁芯间有分布电容；零点残余电压的危害很大，会降低测量精度，削弱分辨力，易使放大器饱和。传感器与检测技术四、影响传感器精度的因素分析减小零点残余电压的措施是减少电源中的谐波成分，减小电感传感器的激磁电流，使之工作在磁化曲线的线性段。为了消除电桥的零点残余电压，在差动电感电桥的电路中通常再接入两只可调电位器，当电压有零点残余电压时，可以反复调节两只电位器，使电桥实现平衡。传感器与检测技术第一节第一节 自感式传感器

9、自感式传感器五、自感式传感器的应用五、自感式传感器的应用传感器与检测技术第二节第二节 互感式传感器互感式传感器将被测量转换为传感器的互感变化量的传感器称为互互感传感器感传感器一、工作原理一、工作原理设 则又因此传感器与检测技术第二节第二节 互感式传感器互感式传感器二、互感计算与特性分析二、互感计算与特性分析当铁芯位于线圈中心位置时,U1=U2,UO=0;当次级开路时，初级线圈的交流电流为 次级线圈感应电势为 传感器与检测技术二、互感计算与特性分析差动变压器的空载输出电压为其幅值为 输出阻抗为(1)磁芯处于中间平衡位置时Ma=Mb=MUO=0(2)磁芯上升时 Ma=M+M,Mb=M-M(3)磁芯

10、下降时Ma=M-M,Mb=M+M 传感器与检测技术二、互感计算与特性分析输出电压还可以写成假设：(1)漏磁全部在动铁芯范围内，并忽略铁芯端部效应 (2)忽略动铁芯及外层铁磁壳上的磁阻 (3)设动铁芯外径近似为ri (4)铁芯及磁屏蔽的磁导率为无穷大 传感器与检测技术二、互感计算与特性分析如果用恒压流供电，其线性度可以改善，此时有传感器与检测技术二、互感计算与特性分析提高差动变压器的灵敏度的途径：(1)提高线圈的Q值，为此可增大差动变压器的尺寸。一般线圈长度为直径的倍为恰当。(2)选择较高的激励频率(3)增大铁芯直径，使其接近于线圈架内径，但不触及线圈架。二节式差动变压器的铁芯长度为全长的60%

11、-80%。铁芯采用导磁率高，铁损小，涡流损耗小的材料(4)在不使线圈过热的条件下尽量提高激励电压。传感器与检测技术第二节第二节 互感式传感器互感式传感器三、转换电路三、转换电路1 1反串电路反串电路2 2桥路桥路传感器与检测技术第二节第二节 互感式传感器互感式传感器3 3差动整流电路差动整流电路传感器与检测技术第二节第二节 互感式传感器互感式传感器4相敏检波电路相敏检波电路当差动变压器铁芯在中间位置时，UCD=0若铁芯上移，e0，设e和er同相，er正半周时,UCD=R0（i1-i2）0；er负半周时，UCD=R0（i4-i3）0。当铁芯下移时，e和er反相，同理可得UCD0 。Ri1e1R1

12、R2e21e22C2C1er移相器D1D4D3D2CDABi3i2i4e传感器与检测技术第二节第二节 互感式传感器互感式传感器四、零点残余电压的补偿四、零点残余电压的补偿产生零点残余电压的主要原因：产生零点残余电压的主要原因：（1）两个绕组不能绝对对称。（2）铁芯的磁化曲线的非线性。消除零点残余电压的方法：消除零点残余电压的方法：1保证对称性2选用合适的测量线3用补偿线路传感器与检测技术第二节第二节 互感式传感器互感式传感器五、应用举例五、应用举例1 1、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。传感器与检测技术1.微压力

13、变送器微压力变送器这种变送器可分档测量(5105(51056105)6105)N/mN/m2 2压力，输出信号电压为(0(050)50)mVmV，精度为级。220VV振荡器稳压电源差动变压器相敏检波电路传感器与检测技术五、应用举例五、应用举例2.2.差动变压器式加速度传感器差动变压器式加速度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。(a)加速度a方向1 弹性支承 2 差动变压器稳压电源振荡器检波器滤波器(b)220Va输出21传感器与检测技术五、应用举例五、应用举例3 3、液面高度

14、测量、液面高度测量4 4、电感式滚柱直径分选装置电感式滚柱直径分选装置电感式滚柱直径分选装置电感式滚柱直径分选装置.exe传感器与检测技术第三节第三节 电涡流式传感器电涡流式传感器涡流效应涡流效应:金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应电流，这种电流像水中旋涡那样在导体内转圈，所以称为电涡流或涡流。这种现象就称为涡流效应。传感器与检测技术第三节第三节 电涡流式传感器电涡流式传感器涡流穿透深度与传感器线圈的激励信号频率有关高频反射式涡流传感器高频反射式涡流传感器高频反射式涡流传感器高频反射式涡流传感器 自感型自感型自感型自感型低频透射式涡流传感器低频透射式涡流传感器低频透射式涡流传感器低

15、频透射式涡流传感器 互感型互感型互感型互感型目前高频反射式电涡流传感器应用广泛。根据激励频率不同分为 导体电阻率(m)；r 导体相对磁导率；f 交变磁场频率(Hz)。传感器与检测技术一、高频反射式涡流传感器线圈上通交变高频电流线圈上通交变高频电流线圈产生高频交变磁场线圈产生高频交变磁场产生高频交变涡流产生高频交变涡流涡流产生反磁场涡流产生反磁场阻碍线圈电流交换作用阻碍线圈电流交换作用等效于等效于L或阻抗的改变或阻抗的改变传感器与检测技术二、低频透射式涡流传感器 U U L L1 1 同频交变电流同频交变电流 产生一交变磁场产生一交变磁场 磁力线切割磁力线切割M M 产生涡流产生涡流I I 到达

16、到达L L2 2的磁力线减的磁力线减少（无少（无M M时磁力线直接时磁力线直接贯穿贯穿L L2 2）E E的下降的下降 传感器与检测技术三、等效电路三、等效电路传感器与检测技术四、转换电路四、转换电路现在电涡流传感器常用的测量电路有调幅电路，调频电路，电桥电路和反馈放大电路几种。调幅电路又可分成恒定频率的载波调幅电路和频率变化载波调幅电路两种。传感器与检测技术四、转换电路四、转换电路反馈放大电路反馈放大电路传感器与检测技术五、电涡流传感器的应用五、电涡流传感器的应用位移位移x x的变化的变化 电量的变化电量的变化 可做成位移、振幅、厚度等传感器可做成位移、振幅、厚度等传感器电导率电导率 的变化

17、的变化 电量的变化电量的变化 可做成表面温度、电解质浓度、材质判别等可做成表面温度、电解质浓度、材质判别等磁导率磁导率 的变化的变化 电量的变化电量的变化 可做成应力、硬度等传感器可做成应力、硬度等传感器x x、的综合影响的综合影响 可做成材料探伤装置可做成材料探伤装置 传感器与检测技术1 1、位移测量、位移测量 涡流位移计涡流位移计传感器与检测技术2 2、振幅测量、振幅测量 涡流振幅计涡流振幅计3 3、厚度测量、厚度测量传感器与检测技术4 4、转速测量、转速测量 涡流转速计涡流转速计传感器与检测技术5、温度测量 =0 01+1+(t-t(t-t0 0)保持其它条件不变，则保持其它条件不变，则

18、t t变化变化 变化变化 输出电压变化输出电压变化可测钢材压延时压滚温度，液、可测钢材压延时压滚温度，液、气态介质温度，且测温时有一气态介质温度，且测温时有一个很大的特点是热惯性小（约个很大的特点是热惯性小（约s），动态响应好，能做快速测），动态响应好，能做快速测温工作。温工作。传感器与检测技术6 6、自动控制中工件是否到位等的检测、自动控制中工件是否到位等的检测 接近开关接近开关传感器与检测技术接近开关应用实例一接近开关应用实例一传感器与检测技术接近开关应用实例二接近开关应用实例二传感器与检测技术总结总结传感元件传感元件或传感器或传感器原始原始输入量输入量变换变换原理原理物理物理现象现象能量

19、能量关系关系输出量输出量变磁阻式变磁阻式位移位移电磁电磁感应感应结构型结构型控制型控制型自感自感系数系数差动差动变压器式变压器式位移位移电磁电磁感应感应结构型结构型控制型控制型互感互感系数系数涡流式涡流式位移、厚度、位移、厚度、电阻率磁导率电阻率磁导率涡流涡流效应效应结构型结构型控制型控制型涡流涡流传感器与检测技术第四节第四节 压磁式传感器压磁式传感器一、压磁效应一、压磁效应铁磁材料在外力的作用下，材料的磁化强度会发生相应的变化。这种应力使铁磁材料的磁性质变化的现象，称为压磁效应传感器与检测技术二、工作原理二、工作原理铁磁材料在受外力时，内部产生应力，引起磁导率变化。当铁磁材料上绕有线圈时，将

20、引起线圈阻抗的变化。当铁磁材料上同时绕有激励绕组和输出绕组时，磁导率的变化将导致绕组间耦合系数的变化，从而使输出电势变化。这样就把作用力变换成电量输出。传感器与检测技术三、结构举例三、结构举例传感器与检测技术四、压磁元件四、压磁元件1 1材料材料 硅钢片、坡莫合金和一些铁氧体。2 2冲片形状冲片形状（a）适用于测量5105N以下的力，设计应力约为(2.54)103N/cm2。（b）可测量3106N以下的力，设计应力(710)103N/cm2。（c）灵 敏 度 高，但 零 电 流 也 大。设 计 应 力(2.53)103N/cm2。（d）结构稍复杂，但灵敏度高，线性好。适用于测量5105N以下的力，设计应力(1015)103N/cm2。传感器与检测技术五、压磁式传感器的应用五、压磁式传感器的应用压磁元件是力/电变换元件，因此压磁式传感器最直接的应用是做测力传感器，也可测量其它能转换为力的物理量。压磁式传感器具有输出功率大、抗干扰能力强、过载性能好、结构与电路简单、能在恶劣环境下工作、寿命长等优点。尽管它的测量精度不高（误差约为1%），反应速度低，但由于上述优点，尤其是寿命长，对使用条件不高这两条，很适合在重工业、化学工业等部门应用传感器与检测技术