《自动检测技术及应用》第3章 电感式传感器及其应用.ppt

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1、 本章学习本章学习自感式传感器、差动自感式传感器、差动变压器式传感器和电涡流式传感器变压器式传感器和电涡流式传感器的结构、工作原理、测量电路的结构、工作原理、测量电路以及以及它们的应用。它们的应用。第第3 3章章 电感式传感器及其应用电感式传感器及其应用 1/28/20231定义定义：利用利用电磁感应原理电磁感应原理，将被测的非电量转换，将被测的非电量转换成电磁线圈的成电磁线圈的自感或互感量自感或互感量变化的一种装置。变化的一种装置。分类：分类：按照转换方式分类：按照转换方式分类：自感式；自感式；互感式；互感式；涡流式。涡流式。按照结构方式分类：按照结构方式分类：变气隙式；变气隙式；变截面式；

2、变截面式；螺线管式螺线管式。1/28/202323.1 3.1 自感式传感器自感式传感器 先看先看一个实验：一个实验：将一只接触器线圈与交流毫安表串联后，接到将一只接触器线圈与交流毫安表串联后，接到控制变压器的控制变压器的36V36V交流电压源上。这时毫安表的交流电压源上。这时毫安表的示值约为几十毫安。示值约为几十毫安。用手慢慢将接触器的活动铁心用手慢慢将接触器的活动铁心(称为衔铁称为衔铁)往下往下按，我们会发现毫安表的读数按，我们会发现毫安表的读数逐渐减小逐渐减小。当衔铁与固定铁心之间的气隙等于零时，毫安当衔铁与固定铁心之间的气隙等于零时，毫安表的读数只剩下十几毫安。表的读数只剩下十几毫安。

3、1/28/20233电感传感器的基本工作电感传感器的基本工作原理演示原理演示F F220V接触器线圈接触器线圈交流毫安表交流毫安表控制变压器控制变压器1/28/20234电感传感器的基本工作电感传感器的基本工作原理演示原理演示气隙变气隙变小，电感变大，电流变小。小，电感变大，电流变小。F F1/28/20235 自感式传感器是利用自感量随气隙而改自感式传感器是利用自感量随气隙而改变的原理制成的，用来测量变的原理制成的，用来测量位移位移。它主要由线圈、铁心、衔铁及测杆等组它主要由线圈、铁心、衔铁及测杆等组成。成。1/28/20236自感式电感传感器常见的形式自感式电感传感器常见的形式 变隙式变隙

4、式 变截面式变截面式 螺线管式螺线管式 1/28/20237一、工作一、工作原理原理 根据磁路的基本知识，线圈自感可按下式计算：根据磁路的基本知识，线圈自感可按下式计算：mRNL2=当不考虑磁路的铁损且当气隙当不考虑磁路的铁损且当气隙较小时，则该磁路的较小时，则该磁路的总磁阻：总磁阻：上式的第一项为常数，且上式的第一项为常数，且气隙的磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻气隙的磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻：1/28/20238电感量计算公式：电感量计算公式：请分析电感量请分析电感量L L与气隙厚度与气隙厚度 及气隙的有效截面积及气隙的有效截面积A A之间之间的关系。的关系。N：线线圈圈匝匝数数；A：气气隙隙

5、的的有有效效截截面面积积；0：真空磁导率；真空磁导率；：气隙厚度。气隙厚度。f f（，A）A不变不变变气隙型传感器变气隙型传感器 不变不变变截面型传感器变截面型传感器线圈中放入圆形衔铁线圈中放入圆形衔铁 可变自感可变自感 螺管型传感器螺管型传感器1/28/20239、变隙式电感传感器、变隙式电感传感器 传感器截面积传感器截面积A A保持不变，令磁路保持不变，令磁路气隙厚度气隙厚度 随被测随被测非电量而变，从而电感量发生变化。非电量而变，从而电感量发生变化。电感量电感量L L与气隙厚度与气隙厚度 成反成反比，线性度不好；比，线性度不好；越小，越小，灵敏度越高。灵敏度越高。变隙式自感式变隙式自感式

6、传感器适用于测量传感器适用于测量微小位移微小位移场合。场合。特性曲线特性曲线1/28/202310、变截面式电感传感器、变截面式电感传感器传感器气隙厚度保持不变，令磁通传感器气隙厚度保持不变，令磁通截面积截面积A A随被随被测非电量而变，从而电感量发生变化。测非电量而变，从而电感量发生变化。变面积式自感传感器在变面积式自感传感器在理想状态理想状态的条件下，输入与输出的条件下，输入与输出呈线性关系，但由于有漏感等原因，其特性并非是线性的，呈线性关系，但由于有漏感等原因，其特性并非是线性的，而且它的线性区较小。电感量而且它的线性区较小。电感量L L与与A A在一定范围内具有良好在一定范围内具有良好

7、的线性关系的线性关系。但是与变气隙式自感传感器相比，其但是与变气隙式自感传感器相比，其灵敏度较低灵敏度较低。1/28/202311、螺线管式电感传感器、螺线管式电感传感器工作原理：以线圈磁力线泄露路径上的磁阻变工作原理：以线圈磁力线泄露路径上的磁阻变化为基础测量，化为基础测量，电感量与电感量与衔铁插入深度衔铁插入深度有关有关。铁心在螺线管中移动，使铁心在螺线管中移动，使线圈的电感量发生变化线圈的电感量发生变化。这种传感器结构简单，制作容易，但灵敏度较低，且衔这种传感器结构简单，制作容易，但灵敏度较低，且衔铁在螺线管中间时，才有可能呈线性关系。铁在螺线管中间时，才有可能呈线性关系。此传感器适合于

8、此传感器适合于位移较大位移较大的场合。的场合。1/28/202312总结：总结：总结：总结：自感传感器的三个类型：自感传感器的三个类型：自感传感器的三个类型：自感传感器的三个类型：灵敏度灵敏度灵敏度灵敏度 线性线性线性线性 行程行程行程行程 制造制造制造制造变气隙变气隙变气隙变气隙 高高高高 差差差差 小小小小 难难难难变面积变面积变面积变面积 较低较低较低较低 好好好好 大大大大 较易较易较易较易螺管式螺管式螺管式螺管式 低低低低 较好较好较好较好 大大大大 易易易易1/28/202313、差动电感传感器、差动电感传感器 在实际工作中常采用在实际工作中常采用差动式差动式，这样既可以提高传感器

9、的，这样既可以提高传感器的灵敏度，又可以减小测量误差。灵敏度，又可以减小测量误差。组成：组成：由两个具有由两个具有公共衔铁公共衔铁的完全相同的自感传感器的完全相同的自感传感器组成，衔铁处于中间位置时，组成，衔铁处于中间位置时，U UO O=0=0。特点：特点：灵敏度提高一倍，线性好，抗干扰能力强，电磁灵敏度提高一倍，线性好，抗干扰能力强，电磁吸力对测量力的影响相互抵消。吸力对测量力的影响相互抵消。1/28/202314差动电感传感器差动电感传感器 请分析：灵敏度、请分析：灵敏度、线性度有何变化线性度有何变化曲线曲线1、2为为L1、L2 的特性，的特性，3为差动特性为差动特性 在差在差动电动电感

10、感传传感器中，当感器中，当衔铁衔铁随被随被测测量移量移动动而偏离中而偏离中间间位置位置时时，两个，两个线线圈的圈的电电感感量一个增加，一个减小，形量一个增加，一个减小，形成成差差动动形式形式。1-1-差动线圈差动线圈 2-2-铁心铁心 3-3-衔铁衔铁 4-4-测杆测杆 5-5-工件工件 1/28/202315结论：结论：从曲线图可以看出，差动式电感传感器的从曲线图可以看出，差动式电感传感器的线性较线性较好好，且输出曲线较陡，灵敏度约为非差动式电感传，且输出曲线较陡，灵敏度约为非差动式电感传感器的感器的两倍两倍。假假设设当当衔衔铁铁往往上上移移动动时时，则则两两个个线线圈圈的的总总的的电电感感

11、变变化化量量为为 从从上上式式知知，输输出出电电感感的的变变化化约约为为非非差差动动式式的的两两倍倍。而而从从结结构构图图可可以以看看出出，差差动动式式电电感感传传感感器器对对外外界界影影响响，如如温温度度的的变变化化、电电源源频频率率的的变变化化等等基基本本上上可可以以互互相相抵抵消消，从从而而减减小小了了测测量误差。量误差。1/28/202316二、测量转换电路二、测量转换电路 测量转换电路的作用是将测量转换电路的作用是将电感量的变化电感量的变化转换成转换成电压电压或电流的变化或电流的变化，以便用仪表指示出来，或者送入下级，以便用仪表指示出来，或者送入下级电路进行处理和放大。电路进行处理和

12、放大。测量转换电路：测量转换电路：L L的变化的变化I/UI/U 的幅值、频率、相位的变化的幅值、频率、相位的变化 转换电路有调幅、调频、调相电路。转换电路有调幅、调频、调相电路。基本测量电路通常都采用交流桥路。基本测量电路通常都采用交流桥路。1/28/202317变压器式电桥电路变压器式电桥电路 变压器式交流电桥测量电路如变压器式交流电桥测量电路如图所示图所示,电桥两臂电桥两臂Z Z1 1、Z Z2 2为传感为传感器线圈阻抗器线圈阻抗,另外两桥臂为交流另外两桥臂为交流变压器次级线圈的变压器次级线圈的 1/2 1/2 阻抗。阻抗。假定假定D D为参考电位，则桥路输出为参考电位，则桥路输出电压为

13、：电压为：1）当传感器的衔铁处于中间位置）当传感器的衔铁处于中间位置,即即Z1=Z2=Z时有时有 =0,电电桥平衡。桥平衡。1.1.调幅电路调幅电路1/28/202318 2）当传感器衔铁上移时）当传感器衔铁上移时,即即Z1=Z+Z,Z2=Z-Z,此时此时 3）当传感器衔铁下移时）当传感器衔铁下移时,则则Z1=Z-Z,Z2=Z+Z 此时此时 从从以以上上两两式式可可知知,衔衔铁铁上上下下移移动动相相同同距距离离时时,输输出出电电压压的的大大小小相相等等,但但方方向向相相反反,由由于于 是是交交流流电电压压,输输出出指指示示无无法法判判断断位移方向位移方向,必须配合相敏检波电路来解决。必须配合相

14、敏检波电路来解决。1/28/202319零点残余误差零点残余误差概念概念 在在变压器式电桥电路变压器式电桥电路中，当衔铁处于差动电感的中，当衔铁处于差动电感的中间位置附近时，无论怎样调节衔铁的位置，均中间位置附近时，无论怎样调节衔铁的位置，均无法使测量转换电路输出为零，总有一个很小的无法使测量转换电路输出为零，总有一个很小的输出电压存在，此电压称为输出电压存在，此电压称为零点残余电压零点残余电压。产生原因产生原因消除方法消除方法1/28/202320相敏整流电路相敏整流电路：既反映输入的大小，又能辩向既反映输入的大小，又能辩向 图中：图中：Z Z1 1、Z Z2 2为电感传感器的两个线圈，作为

15、交流电桥相邻的两为电感传感器的两个线圈，作为交流电桥相邻的两个桥臂；个桥臂；R R1 1、R R2 2两个相同的电阻作为电桥的另两个相邻桥臂。两个相同的电阻作为电桥的另两个相邻桥臂。VDVD1 1、VDVD2 2、VDVD3 3、VDVD4 4四只二极管构成了四只二极管构成了相敏整流器相敏整流器。指示电表指示电表V V则为则为零刻度居中零刻度居中的直流电压表或数字电压表。的直流电压表或数字电压表。CD请思考：请思考：为什么为什么该电路该电路能够辩能够辩向？向？AB1/28/2023211 1）衔铁在中间位置时）衔铁在中间位置时：Z=ZZ=Z1 1=Z=Z2 2 输出为零输出为零2 2）如衔铁往

16、线圈方向移）如衔铁往线圈方向移：Z Z1 1=Z+Z Z=Z+Z Z2 2=Z-Z=Z-Z当电源上正下负时，当电源上正下负时，V VC CV VD D 输出为正输出为正当电源上负下正时，当电源上负下正时，V VC CV VD D 输出仍为正输出仍为正所以：当衔铁往线圈所以：当衔铁往线圈1 1方向移动时，输出为正（直方向移动时，输出为正（直流电压表流电压表正向偏转正向偏转），其大小与位移相关；），其大小与位移相关；1/28/2023223 3）同理：如衔铁往线圈方向移）同理：如衔铁往线圈方向移：Z Z1 1=Z-Z Z=Z-Z Z2 2=Z+Z=Z+Z 当电源上正下负时，当电源上正下负时，V V

17、C CV VD D 输出为负输出为负 当电源上负下正时，当电源上负下正时，V VC CV VD D 输出仍为负输出仍为负 所以：当衔铁往线圈所以：当衔铁往线圈2 2方向移动时，输出为负（直方向移动时，输出为负（直 流电压表流电压表反向偏转反向偏转），其大小与位移相关。），其大小与位移相关。1/28/202323非相敏整流和相敏整流电路输出电压比较非相敏整流和相敏整流电路输出电压比较(a)(a)非相敏整流电路；非相敏整流电路；（b b）相敏整流电路相敏整流电路 使用相敏整流，输出电压使用相敏整流，输出电压U U0 0不仅能反映衔铁位移的大小和方不仅能反映衔铁位移的大小和方向，而且还向，而且还消除

18、零点残余电压的影响消除零点残余电压的影响。1/28/2023242.2.调频电路调频电路传感器自感传感器自感 L变化将引起输出电压频率变化将引起输出电压频率 f f 的变化。的变化。GCLf灵敏度很高，但线性差，适用于线性要求不高的场合。灵敏度很高，但线性差，适用于线性要求不高的场合。Lf0当有微小变化当有微小变化时，频率变化时，频率变化 f f 为：为：振荡回路振荡回路1/28/2023253.3.调相电路调相电路 传感电感变化将引起输出电压相位变化。传感电感变化将引起输出电压相位变化。1/28/202326三、应用三、应用常用来测量位移、尺寸、震动、力、压力、流常用来测量位移、尺寸、震动、

19、力、压力、流量等非电量。量等非电量。自感式位移传感器自感式位移传感器自感式压力传感器自感式压力传感器1/28/202327轴向式电感测微器轴向式电感测微器 1 1引引线电缆线电缆 2 2固定磁筒固定磁筒 3 3衔铁衔铁 4 4线线圈圈 5 5测测力力弹弹簧簧 6 6防防转销转销 7 7钢钢球球导轨导轨（直（直线轴线轴承）承）8 8测测杆杆 9 9密封套密封套 1010测测端端 1111被被测测工件工件 1212基准面基准面 1.1.1.1.自感式位移传感器自感式位移传感器自感式位移传感器自感式位移传感器1/28/202328电感式滚柱直径分选装置电感式滚柱直径分选装置 图图3-14 3-14

20、滚滚柱直径分柱直径分选选装置装置 1 1气缸气缸 2 2活塞活塞 3 3推杆推杆 4 4被被测滚测滚柱柱 5 5落料管落料管 6 6电电感感测测微器微器 7 7钨钢测头钨钢测头 8 8限位限位挡挡板板 9 9电电磁翻板磁翻板 1010容器（料斗）容器（料斗）1/28/202329电感式滚柱直径分选装置电感式滚柱直径分选装置（外形）（外形）滑道滑道分选仓位分选仓位轴承滚子外形轴承滚子外形（参考中原量仪股份有限公司资料）参考中原量仪股份有限公司资料）1/28/2023302.2.自感式压力传感器自感式压力传感器变隙式自感压力传感器结构图变隙式自感压力传感器结构图变隙差动式电感压力传感器变隙差动式电

21、感压力传感器1/28/202331课堂练习课堂练习1 1、欲测量极微小的位移，应选择、欲测量极微小的位移，应选择()()自感传感器；自感传感器；A.A.变隙式变隙式 B.B.变面积式变面积式 C.C.螺线管式螺线管式2 2、自感传感器或差动变压器采用相敏检波电路最重要的目、自感传感器或差动变压器采用相敏检波电路最重要的目 的是为了的是为了()()A.A.提高灵敏度提高灵敏度 B.B.将输出的交流信号转换成直流信号将输出的交流信号转换成直流信号 C.C.使检波后的直流电压能反映检波前交流信号的相位和幅使检波后的直流电压能反映检波前交流信号的相位和幅度度 1/28/202332休休 息息 一一 下

22、下1/28/202333 3.2 3.2 差动变压器式传感器差动变压器式传感器概念概念把被测的非电量变化转换为把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化线圈互感量变化的传感器称为的传感器称为互感式传感器互感式传感器。这种传感器是。这种传感器是根根据变压器的基本原理据变压器的基本原理制成的制成的,并且并且次级绕组都次级绕组都用差动形式连接用差动形式连接，故称差动变压器式传感器，故称差动变压器式传感器，简称简称差动变压器差动变压器。1/28/202334结构结构差动变压器结构形式较多差动变压器结构形式较多,有变隙式、有变隙式、变变面积式和螺线管式等面积式和螺线管式等,但其工作原理基本一但其工作原理基本

23、一样。非电量测量中样。非电量测量中,应用最多的是应用最多的是螺线管式螺线管式差动变压器。差动变压器。特点特点 它可以测量它可以测量1 1100mm100mm范围内的机械位移范围内的机械位移,并具有测量精度高并具有测量精度高,灵敏度高灵敏度高,结构简单结构简单,性能可靠等优点。性能可靠等优点。1/28/202335 它主要由它主要由线圈组线圈组合合、活动衔铁活动衔铁和和导导磁外壳磁外壳等组成。线等组成。线圈包括一、二次线圈包括一、二次线圈和骨架等部分。圈和骨架等部分。理想的螺线管式差动理想的螺线管式差动变压器的原理图变压器的原理图 被测位移量转换被测位移量转换为一次线圈与二为一次线圈与二次线圈间

24、的互感次线圈间的互感量量M M的变化。的变化。一、工作原理一、工作原理1/28/202336 理想条件下，当一次线圈加上交流激磁电压理想条件下，当一次线圈加上交流激磁电压U Ui i后，将在二次线圈中产生感应电压后，将在二次线圈中产生感应电压U UO O。如果将。如果将两个二次线圈串联两个二次线圈串联起来，总电压等于两个二次起来，总电压等于两个二次线圈的电压之和。线圈的电压之和。改变衔铁的位置，则一次线圈与二次线圈之改变衔铁的位置，则一次线圈与二次线圈之间的互感变化，从而输出的感应电动势发生变间的互感变化，从而输出的感应电动势发生变化。化。1/28/202337差动变压器的等效电路原理图差动变

25、压器的等效电路原理图结构特点：结构特点：两个二次线圈同名端两个二次线圈同名端反向串联反向串联，组成，组成差动差动输出形式。输出形式。请问：如何请问：如何正确连线？正确连线？指出哪两个为指出哪两个为输出端点。输出端点。ACBD1/28/202338基本特性分析：基本特性分析：（1 1）当活动衔铁处于中间位置时）当活动衔铁处于中间位置时 M M1 1=M=M2 2=M=M 则则 ：U U0 0=0=0（2 2）当活动衔铁向当活动衔铁向N N2121方向（向上）移动时方向（向上）移动时 M M1 1=M+M=M+M，M M2 2=M-M=M-M 故：故：U UO O=U=U2121U U2222=2

26、jM=2jMI I1 1 （3 3）当活动衔铁向）当活动衔铁向N N2222方向方向(向下向下)移动时移动时 M M1 1=M-M=M-M，M M2 2=M+M=M+M 故故 ：U UO O=U=U2121U U2222=2jM2jMI I1 1 1/28/202339总结：总结：当衔铁处于中间位置时：当衔铁处于中间位置时：U UO O=0=0；当衔铁偏移中间位置时：当衔铁偏移中间位置时：U UO O就随着衔铁的位移就随着衔铁的位移X X的变大而的变大而增加。增加。互感式传感器互感式传感器实质上就是一个变压器实质上就是一个变压器，其初级线圈接，其初级线圈接入稳定的交流激励电源，次级线圈被感应而

27、产生对应入稳定的交流激励电源，次级线圈被感应而产生对应输出电压。输出电压。由于次级常采用由于次级常采用两个线圈接成差动型两个线圈接成差动型，故这种传感器，故这种传感器又称差动变压器式传感器。又称差动变压器式传感器。实际中应用较多的是实际中应用较多的是螺线管式差动变压器螺线管式差动变压器。1/28/202340二、灵敏度与线性度二、灵敏度与线性度1 1、灵敏度、灵敏度差差动动变变压压器器在在单单位位电电压压激激励励下下，衔衔铁铁移移动动一一个个单单位位距距离时的输出电压，用离时的输出电压，用E E表示。表示。E EU U2 2/X/X单位：单位：V/mmV/mm 影响灵敏度的主要因素有：激励电源

28、电压和频率。影响灵敏度的主要因素有：激励电源电压和频率。KE与与f关系曲线关系曲线1/28/202341提高输入激励电压，将使传感器灵敏度按线性增加提高输入激励电压，将使传感器灵敏度按线性增加。另外，提高线圈品质因数另外，提高线圈品质因数Q Q值，增大衔铁直径，选择导磁值，增大衔铁直径，选择导磁性能好，铁损小以及涡流损耗小的性能好，铁损小以及涡流损耗小的导磁材料导磁材料制作衔铁和导磁制作衔铁和导磁外壳等可以提高灵敏度。外壳等可以提高灵敏度。1/28/202342 2 2、线性度、线性度线线性性度度:传传感感器器实实际际特特性性曲曲线线与与理理论论直直线线之之间间的的最最大大偏差除以测量范围（满

29、量程），并用百分数来表示。偏差除以测量范围（满量程），并用百分数来表示。影响差动变压器线性度的因素影响差动变压器线性度的因素:两两个个二二次次绕绕组组的的结结构构，骨骨架架形形状状和和尺尺寸寸的的精精确确性性，铁铁芯的尺寸和材质，激励频率和负载状态等。芯的尺寸和材质，激励频率和负载状态等。改善差动变压器的线性度改善差动变压器的线性度:取取测测量量范范围围为为线线圈圈骨骨架架长长度度的的1/10-1/41/10-1/4，激激励励频频率率采采用中频，配用相敏检波式测量电路用中频，配用相敏检波式测量电路 。1/28/202343三、测量转换电路三、测量转换电路反串联电路反串联电路 直接把两个二次线圈

30、反向串接直接把两个二次线圈反向串接 桥路桥路 R R1 1、R R2 2是桥臂电阻，是桥臂电阻，RPRP是供调零用的电位器是供调零用的电位器 该电路灵敏度为前一种的该电路灵敏度为前一种的1/21/2，但可以利用但可以利用RPRP进行调零，无需另进行调零，无需另配置调零电路；但零点残余电压配置调零电路；但零点残余电压无法克服，也无辩向功能。无法克服，也无辩向功能。E E21211/28/202344 电路是以两电路是以两个桥路整流后个桥路整流后的直流电压之的直流电压之差作为输出的，差作为输出的，所以称为差动所以称为差动整流电路。整流电路。U UC3C3=U=Uabab =U =Uaoao-U-U

31、bobo以差动整流为例以差动整流为例1/28/202345差动整流的特点差动整流的特点 差动整流电路可以差动整流电路可以克服零点残余电压克服零点残余电压的影响。它不但可以的影响。它不但可以反映位移的大小（电压的幅值），还可以反映位移的方向。反映位移的大小（电压的幅值），还可以反映位移的方向。上图中：上图中：RPRP是用来微调电路平衡的；是用来微调电路平衡的；VDVD1 1VDVD4 4、VDVD5 5 VDVD8 8组成普通组成普通桥式整流电路桥式整流电路；3 3、4 4、3 3、4 4组成组成低通滤波电路低通滤波电路；1 1及及2121、2222、f f、2323组成组成差动减法放大器差动减

32、法放大器，用于克服，用于克服 a a、b b两点的对地共模电压。两点的对地共模电压。1/28/202346四、应用四、应用 差动变压器式传感器可以直接用于差动变压器式传感器可以直接用于位移位移测量测量,也可以测量也可以测量与位移有关与位移有关的任何机械量，如振动、的任何机械量，如振动、加速度、应变、比重、张力和厚度等。加速度、应变、比重、张力和厚度等。1 1、测量振动的应用、测量振动的应用 2 2、压力测量、压力测量1/28/202347构成：由悬臂梁构成：由悬臂梁1 1和差和差 动变压器动变压器2 2构成。构成。测量时测量时,将悬臂梁底座将悬臂梁底座及差动变压器的线圈骨及差动变压器的线圈骨架

33、固定架固定,而将衔铁的而将衔铁的A A端端与被测振动体相连。与被测振动体相连。当被测体带动衔铁以当被测体带动衔铁以x(tx(t)振动时振动时,导致差导致差动变压器的输出电压也动变压器的输出电压也按相同按相同规律变化。规律变化。1 1测量振动的应用测量振动的应用振动测量原理图振动测量原理图1/28/202348.压力测量压力测量 当被测压力当被测压力P P输入输入到膜盒中，膜盒到膜盒中，膜盒2 2的自由端面便产生的自由端面便产生一个与压力一个与压力P P成正成正比的位移。比的位移。因此，差动压力因此，差动压力变压器有正比于被变压器有正比于被测压力的电压输出。测压力的电压输出。下图为差动压力变压器

34、的结构图，它适用于各种状态的压力下图为差动压力变压器的结构图，它适用于各种状态的压力测量。测量。1/28/202349压力测量用的膜盒压力测量用的膜盒 膜盒由两片波膜盒由两片波纹纹膜片膜片焊焊接而成。所接而成。所谓谓波波纹纹膜片是一种膜片是一种压压有有同心波同心波纹纹的的圆圆形薄膜形薄膜。当膜片四周固定，两。当膜片四周固定，两侧侧面存在面存在压压差差时时，膜片将弯向膜片将弯向压压力低的一力低的一侧侧，因此能，因此能够够将将压压力力变换为变换为直直线线位移。位移。1/28/202350休休 息息 一一 下下1/28/202351电涡流的概念电涡流的概念 涡流涡流成块的金属置于变化着的磁场中或者在

35、成块的金属置于变化着的磁场中或者在磁场中作切割磁力线运动时，金属体内都要产生磁场中作切割磁力线运动时，金属体内都要产生感应电动势形成电流，这种电流在金属体内是自感应电动势形成电流，这种电流在金属体内是自己闭合的，此电流称为己闭合的，此电流称为电涡流电涡流。以上现象称为。以上现象称为电电涡流效应涡流效应。电涡流式传感器：电涡流式传感器：根据根据电涡流效应电涡流效应制成的传感器称为电涡流式制成的传感器称为电涡流式传感器。传感器。第三节第三节 电涡流式传感器电涡流式传感器1/28/202352一、工作原理一、工作原理 当线圈中有交变高频电流当线圈中有交变高频电流i i时，会引起一交变磁场时，会引起一

36、交变磁场H H在靠近线圈的金属表面内部在靠近线圈的金属表面内部产生一感应电流产生一感应电流i i，该电流，该电流i i即为电涡流。即为电涡流。根据楞次定律，由该电涡流根据楞次定律，由该电涡流产生的交变磁场产生的交变磁场H H将与线圈产将与线圈产生的磁场生的磁场H H方向相反，亦即方向相反，亦即H H将抵抗将抵抗H H的变化。的变化。由于该由于该涡流磁场涡流磁场的作用，会的作用，会使使线圈的等效阻抗线圈的等效阻抗发生变化。发生变化。电涡流式传感器工电涡流式传感器工作原理示意图作原理示意图1/28/202353电涡流效应演示电涡流效应演示 当电涡流线圈与金属板的距离当电涡流线圈与金属板的距离x x

37、 减小时，电流表的减小时，电流表的读数变大，说明线圈的等效阻抗读数变大，说明线圈的等效阻抗变小变小。1/28/202354u当距离当距离x x减小时，互减小时，互感量感量M M增大。增大。u由左式可知，等效由左式可知，等效电感电感L L减小，等效电阻减小，等效电阻R R增大。增大。从理论和实测中都证从理论和实测中都证明，此时流过线圈的明，此时流过线圈的电流电流i i1 1是增大的。是增大的。线圈与金属导体之间可以定义一个互感系数线圈与金属导体之间可以定义一个互感系数M M，它将随着间它将随着间距距x x的减小而增大的减小而增大。若把导体形象地看作一个短路线圈若把导体形象地看作一个短路线圈你知道

38、这是你知道这是为什么吗？为什么吗？1/28/202355涡流磁场的作用，使线圈的等效阻抗发生变化涡流磁场的作用，使线圈的等效阻抗发生变化的程度除了与两者间的的程度除了与两者间的距离距离x x有关外，还与金属有关外，还与金属导体的导体的电阻率电阻率、磁导率磁导率以及线圈的励磁电流以及线圈的励磁电流角频率角频率等有关。等有关。若能保持其中大部分参数不变，只改变其中一个若能保持其中大部分参数不变，只改变其中一个参数，这样传感器的线圈阻抗就成为这个参数的参数，这样传感器的线圈阻抗就成为这个参数的单值函数，则可实现对该参数的非电量测量。这就单值函数，则可实现对该参数的非电量测量。这就是电涡流式传感器的基

39、本工作原理。是电涡流式传感器的基本工作原理。注意注意：这种函数都是非线性函数，但在某一范围内，可近这种函数都是非线性函数，但在某一范围内，可近似为线性函数。似为线性函数。1/28/202356二、电涡流传感器的测量电路二、电涡流传感器的测量电路 电涡流传感器测量的基本原理是当传感器的线电涡流传感器测量的基本原理是当传感器的线圈与被测体之间的距离发生变化时，将引起线圈与被测体之间的距离发生变化时，将引起线圈的等效阻抗变化，也就是等效阻抗、等效圈的等效阻抗变化，也就是等效阻抗、等效电感、传感器线圈的品质因数电感、传感器线圈的品质因数Q Q（Q=Q=L L/R R）都是位移的单值函数。都是位移的单值

40、函数。因此，测量电路的任务就是把这些参数转换因此，测量电路的任务就是把这些参数转换为有用的为有用的电压或电流的变化电压或电流的变化。1/28/202357利用利用Z Z的转换电路一般用的转换电路一般用桥路桥路，它属于调幅电路。，它属于调幅电路。利用利用L L的转换电路一般用的转换电路一般用谐振电路。谐振电路。1 1桥路桥路 Z Z1 1和和Z Z2 2是线圈阻抗，是线圈阻抗，它们它们与电容与电容C C1 1、C C2 2，电电阻阻R R1 1、R R2 2组成电桥的四组成电桥的四个臂。个臂。电桥的输出将反映线电桥的输出将反映线圈阻抗的变化，把线圈圈阻抗的变化，把线圈阻抗变化转换成电压幅阻抗变化

41、转换成电压幅值的变化。值的变化。1/28/2023582 2谐振幅值电路谐振幅值电路 在没有金属导体的情况下，使电路的在没有金属导体的情况下，使电路的LCLC谐振回路的谐振频谐振回路的谐振频率率 等于激励振荡器的振荡频率等于激励振荡器的振荡频率，这时这时LCLC回路回路呈现阻抗最大，输出电压的幅值也是最大。呈现阻抗最大，输出电压的幅值也是最大。当传感器线圈接近被测金属体时，线圈的当传感器线圈接近被测金属体时，线圈的等效电感等效电感变化，变化，谐振频率谐振频率也跟着发生变化，从而输出也跟着发生变化，从而输出电压幅值电压幅值变化。变化。1/28/2023593 3调频电路调频电路 当电涡流线圈与被

42、测体的距离当电涡流线圈与被测体的距离x x改变时，电涡流线圈的电感改变时，电涡流线圈的电感量量L L也随之改变，引起也随之改变，引起LCLC振荡器输出频率改变。振荡器输出频率改变。传感器线圈接在传感器线圈接在LCLC振荡器中作为振荡器中作为电感使用，以振电感使用，以振荡器的频率荡器的频率f f 作作为输出量。为输出量。1/28/202360 调频电路和调幅电路的不同：调频电路和调幅电路的不同：调幅电路的供电电源频率是固定的，谐振调幅电路的供电电源频率是固定的，谐振回路里的振荡是强迫振荡，回路里的振荡是强迫振荡，输出的是电压输出的是电压幅值幅值；调频电路的振荡是自由振荡，频率随着被调频电路的振荡

43、是自由振荡，频率随着被测参数变化而变化，测参数变化而变化，输出的是电压频率输出的是电压频率。1/28/202361三、应用三、应用l 特点特点为为非接触测量非接触测量；线性度好；线性度好,分辨率好分辨率好;大量程大量程,体积小体积小,重量轻重量轻,驱动功率小驱动功率小;灵敏度好灵敏度好,0.1-1V/mm.,0.1-1V/mm.l 利用利用x x：可测位移，派生量为厚度，振幅，转速；可测位移，派生量为厚度，振幅，转速；：可进行材质判别，温度测量；可进行材质判别，温度测量；：可测量应力，硬度；可测量应力，硬度；x x综合影响：可进行金属的探伤。综合影响：可进行金属的探伤。1/28/202362厚

44、度的测量厚度的测量差动法测量厚度差动法测量厚度：h=Hh=H(x(x1 1+x+x2 2)涡流传感器可对涡流传感器可对金属板厚度或非金属板的镀层厚度金属板厚度或非金属板的镀层厚度进进行非接触测量。行非接触测量。差动形式差动形式1/28/202363转速测量转速测量 当旋转体转动当旋转体转动时，涡流传感器时，涡流传感器将输出周期信号，将输出周期信号，经放大、整形后，经放大、整形后，可用频率计指示可用频率计指示出频率值出频率值f f，该值该值与转速有关，从与转速有关，从而可得转速而可得转速n=60 n=60 f/zf/z 式中式中z z旋转体旋转体的齿数的齿数 带有凹槽的转轴带有凹槽的转轴 带有凸

45、槽的转轴带有凸槽的转轴1/28/202364温度测量温度测量 导体的电阻率与温度的关系在小的温度范围内可以用下式表导体的电阻率与温度的关系在小的温度范围内可以用下式表示：示：当导体的电阻率随当导体的电阻率随温度发生变化时，温度发生变化时，涡流传感器的输出涡流传感器的输出亦将发生变化，其亦将发生变化，其变化量正比于温度变化量正比于温度变化值。变化值。这种方法主要适用这种方法主要适用于于磁性材料磁性材料的温度的温度测量。测量。添加温度敏感元件添加温度敏感元件1/28/202365请思考：请思考：1、你以前还学过哪些温度传感器？你以前还学过哪些温度传感器？2 2、你刚刚学过的传感器和以前学过的、你刚

46、刚学过的传感器和以前学过的相比，有哪些突出的优点？相比，有哪些突出的优点？1/28/202366补充：集肤效应补充：集肤效应 集肤效应与激励源频率集肤效应与激励源频率f、工件的电导率工件的电导率、磁导、磁导率率 等有关。频率等有关。频率f越高，电涡流的渗透的深度就越越高，电涡流的渗透的深度就越浅，集肤效应越严重。浅，集肤效应越严重。当高频（当高频（100kHz100kHz左右）信号源产生的高频电压施左右）信号源产生的高频电压施加到一个靠近金属导体附近的电感线圈加到一个靠近金属导体附近的电感线圈L L1 1时，将产时，将产生高频磁场生高频磁场H H1 1。如被测导体置于该交变磁场范围之如被测导体

47、置于该交变磁场范围之内时，被测导体就产生电涡流内时，被测导体就产生电涡流i i2 2。i i2 2在金属导体的纵在金属导体的纵深方向并不是均匀分布的深方向并不是均匀分布的，而，而只集中在金属导体的只集中在金属导体的表面表面，这称为集肤效应（也称趋肤效应）。，这称为集肤效应（也称趋肤效应）。1/28/202367电涡流的应用电涡流的应用 在我们日常生活中经常可以遇到在我们日常生活中经常可以遇到 干净、高效干净、高效的电磁炉的电磁炉1/28/202368电磁炉内部的励磁线圈电磁炉内部的励磁线圈1/28/202369电磁炉的工作原理电磁炉的工作原理 高频电流高频电流通过励磁线通过励磁线圈，产生交圈，

48、产生交变磁场，在变磁场，在铁质锅底铁质锅底会会产生无数的产生无数的电涡流，使电涡流，使锅底自行发锅底自行发热，烧开锅热，烧开锅内的食物。内的食物。1/28/202370大直径电涡流探雷器大直径电涡流探雷器 1/28/202371电涡流式通道安全检查门电涡流式通道安全检查门 安检门的内部设置有发射线安检门的内部设置有发射线圈和接收线圈。圈和接收线圈。当有金属物体通过时，交变当有金属物体通过时，交变磁场就会在该金属导体表面产磁场就会在该金属导体表面产生电涡流，会在接收线圈中感生电涡流，会在接收线圈中感应出电压，计算机根据感应电应出电压，计算机根据感应电压的大小、相位来判定金属物压的大小、相位来判定金属物体的大小。体的大小。1/28/202372安检门演示安检门演示当有当有金属物体穿金属物体穿越安检门时报警越安检门时报警1/28/202373休休 息息 一一 下下1/28/202374