传感器知识第3章.ppt

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1、第3章 电感式传感器第3章 电感式传感器 电感式传感器是基于电磁感应原理，利用线圈自感或互感的变化来实现非电量测量的一种装置。优点：优点：(1)结构简单，无活动电触点，工作可靠，寿命长，稳定性也较好；(2)灵敏度和分辨率高，能测出0.01m的位移变化；(3)零点稳定，漂移最小可达0.1m；(4)测量精度高，线性度和重复性都比较好；(5)输出阻抗小，抗干扰能力强，输出功率大，一般也有0.15V/mm的输出值，能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制。缺点：缺点：频率响应较低，不宜快速动态测控，存在交流零位信号等。3.1 电感式传感器（自感）3.2 差动变压器式传感器（互感）3.3 电涡流式传感器

2、（互感）第3章 电感式传感器3.1 电感式传感器 电感式传感器种类很多，根据转换原理的不同可分为自感式和互感式（差动变压器、电涡流）两种，根据结构型式的不同，可分为气隙型和螺管型两种。通常所说的电感传感器是自感传感器，而自感的变化又以磁阻变化为主，本节主要讲自感式变磁阻式传感器。一、气隙型电感传感器结构和工作原理 二、等效电路 三、变气隙厚度式电感传感器 四、变气隙面积式电感传感器 五、螺管插铁型电感传感器 六、差动自感传感器七、电感式传感器的应用第3章 电感式传感器一、结构和工作原理 结构：最基本的闭磁路气隙型自感式变磁阻电感传感器，由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁都由导磁材料如硅钢

3、片或坡莫合金制成。由磁路基本知识，线圈的电感值 W线圈匝数；Rm磁路的总磁阻一般空气气隙厚度很小（0.11mm），可以认为气隙磁场是均匀的，空气气隙磁阻 导磁体总磁阻第一项为铁芯磁阻，第二项为衔铁磁阻；第3章 电感式传感器ll磁通通过铁芯的长度(m)；Sl铁芯横截面积(m2)；1铁芯材料的导磁率(Hm)l2磁通通过衔铁的长度(m)；S2衔铁横截面积(m2)；2衔铁材料的导磁率(Hm)气隙厚度(m)；S气隙横截面积(m2)；0空气的导磁率(410-7Hm)。若不考虑磁路的铁损，磁路总磁阻可写为 由于RFR，（1,2 0），常常忽略RF，因此，可得线圈电感为 第3章 电感式传感器 （此外，L 还与

4、铁芯导磁率有关。某些铁磁材料在受到外力作用时，在其内部就产生应力，从而引起导磁率发生变化，这就叫压磁效应。这种传感器叫压磁式传感器。）工作原理：在铁芯和活动衔铁之间有气隙，气隙厚度为，气隙横截面积为S。传感器的运动部分与衔铁相连，当衔铁移动时，气隙厚度（或气隙横截面积S）发生变化，从而使磁路中磁阻变化，导致电感线圈的电感值变化，这样可以籍以判别被测量的位移大小。当线圈匝数W确定后，改变 和 S 均可导致电感的变化，因此变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度 和变气隙面积 两种。第3章 电感式传感器二、等效电路 实际上铁芯线圈不可能呈现为纯电感，L 还包含了线圈的铜损耗电阻 Rc，铁芯涡流损耗电阻 R

5、e和磁滞损耗电阻Rh；还存在线圈固有电容和电缆的分布电容，用集中参数 C 表示。电感式传感器可用等效电路表示，它可以用一个复阻抗 Z 来等效。第3章 电感式传感器三、变气隙厚度式电感传感器 当电感传感器线圈匝数W和气隙面积S一定时，电感量 L 与气隙厚度 成反比，是非线性关系。设初始气隙为0，初始电感量为 L0，衔铁位移引起的气隙变化量为，那么初始电感量为 当衔铁下移 时，传感器气隙增大，即=0+，则电感量减少，电感变化量第3章 电感式传感器电感量的相对变化为 当 （很小位移）时，可将上式展开成级数形式为 当衔铁上移 时，气隙减小，即=0，电感量增大，忽略掉二次项以上的高次项，L1与成线性关系

6、。电感的相对变化量为第3章 电感式传感器 忽略掉二次项以上的高次项，L2与成线性关系。由此可见，高次项是造成非线性的主要原因，且L1 和L2 是不相等的。当/0 越小时，则高次项迅速减小，非线性得到改善。这说明了输出特性和测量范围之间存在矛盾，所以，变气隙厚度式电感传感器用于测量微小位移量是比较精确的（测量范围：0.0011mm）。一般实际应用中，取/00.1。由于0 很小，所以 KL 很大。但非线性误差大，为了减小非线性误差，增加灵敏度，实际测量中广泛采用差动式电感传感器。当 时，同样展开成级数为 忽略二次以上项后，传感器灵敏度为第3章 电感式传感器四、变气隙面积式电感传感器 气隙厚度保持不

7、变，而改变铁芯与衔铁之间的相对遮盖面积（即气隙磁路截面积）。设初始时铁芯与衔铁之间的相对遮盖面积（即铁芯横截面积）S ab，a 为截面长度，b 为截面宽度。衔铁的位移量为 x。则由于衔铁位移而产生的线圈电感变化量为 其电感的相对变化量 第3章 电感式传感器 变气隙面积式电感传感器的电感变化量（或相对变化量）与输入位移量有线性关系。如图所示是一条直线。实际上，这条直线是有范围的，一旦当 x a 时就不再存在直线关系了，同时由于漏磁阻的影响，其线性范围也是有限的。灵敏度 第3章 电感式传感器五、螺管插铁型电感传感器 结构：一个螺管线圈内套入一个活动的柱型衔铁，就构成了螺管型电感传感器。（开磁路）工

8、作原理：螺管型电感传感器是基于线圈激励的磁通路径因活动的柱型衔铁的插入深度不同，其磁阻发生变化，从而使线圈电感量产生了改变。在一定范围内，线圈电感量与衔铁位移量（衔铁插入深度）有对应关系。与闭磁路相同，都因衔铁位置改变，而使磁阻改变，从而使线圈电感量改变，所以都属自感型。是开磁路自感式变磁阻电感传感器是开磁路自感式变磁阻电感传感器。第3章 电感式传感器当 r Ud）；铁芯在零位以下（Ua Ud）时，输出电压的极性相反，且位移越大，输出电压的幅值越大，实现了既能测量位移大小，又能辨别位移方向，同时还能消除零点残余电压。第3章 电感式传感器四、差动变压器的应用 差动变压器主要用于位移测量。可以作为

9、精密测量仪的主要部件，对零件进行多种精密测量工作，如内径、外径、不平行度、粗糙度、不垂直度、振摆、偏心和椭圆度等；作为轴承滚动自动分选机的主要测量部件，可以分选大、小钢球、圆柱、圆锥等；用于测量各种零件膨胀、伸长、应变等。1位移测量 当某一设定液位使铁芯处于中心位置时，差动变压器输出信号 Uo=0；当液位上升或下降时，Uo 0，通过相应的测量电路可测得Uo大小和正负，便能确定液位的高低。第3章 电感式传感器 利用差动变压器加上悬臂梁弹性支承可构成加速度计。该系统固有频率不可能很高。所以，能测量的振动频率上限就受到限制，一般在150Hz以下。高频时加速度测量用压电式传感器。(a)结构；(b)测量

10、电路框图1-弹性支承；2-差动变压器 2振动和加速度测量 第3章 电感式传感器3压力测量 差动变压器和弹性敏感元件组合，可以组成开环压力传感器。由于差动变压器输出是标准信号，常称为变送器。这种微压力变送器，经分档可测(4 +6)104 N/m2 的压力，输出信号电压为 050 mV，精度1级、1.5级。(a)微压变送器；(b)测量电路框图1-接头；2-膜盒；3-底座；4-线路板；5-差动变压器线圈；6-衔恢；7-罩光；8-插头；9-通孔第3章 电感式传感器3.3 电涡流式传感器 变化着的磁场经过导体块时，导体内就会产生感应电流，该电流的流线呈闭合回线，类似水涡形状，故称之为电涡流。电涡流的大小

11、是导体的电阻率、相对导磁率r、导体厚度t、线圈激励信号角频率 以及线圈与导体块之间的距离 x 等参数的函数。若固定某些参数，就能按涡流的大小测量出另外某一参数。电涡流式传感器就是一种基于电涡流效应原理的传感器。最大的特点是能对位移、振动、厚度、温度、电解质浓度、速度、应力、材料损伤等进行非接触式连续测量，另外还具有结构简单、频率响应宽、灵敏度高、抗干扰能力强、测量线性范围大等特点，应用极其广泛。因为涡流渗透深度与传感器线圈的激励信号频率有关，故可分为高频反射式和低频透射式两类电涡流传感器。前者应用较为广泛。电涡流式传感器图片 一、高频反射式电涡流传感器二、低频透射式电涡流传感器 三、电涡流式传

12、感器的应用第3章 电感式传感器集成一体化非接触电感位移传感器电感式接近开关电感式位移传感器第3章 电感式传感器1.基本原理 2.等效电路分析 3.基本结构4.测量电路 5.电涡流传感器的特点及灵敏度的影响因素一、高频反射式电涡流传感器 1.基本原理 当通有一定交变电流 （频率为 f）的电感线圈 L 靠近金属导体时，在金属周围产生交变磁场，在金属表面将产生电涡流 ，根据电磁感应理论电涡流也将形成一个方向相反的磁场。此电涡流的闭合流线的圆心同线圈在金属板上的投影的圆心重合。第3章 电感式传感器 在金属导体表面感应的涡流所产生的电磁场又反作用于线圈上，力图改变线圈电感量 L 的大小，其变化程度与线圈

13、的尺寸大小D、距离 x、r 等参数有关，如果仅改变一个参数而保持其它参数不变，就可把该参数的变化转换为电感量 L 的变化。导体电阻率(cm)；r 相对导磁率。f 交变磁场的频率；x 线圈与导体之间的距离；式中 D 线圈直径 2R电涡流区外径；2r电涡流区内径。涡流渗透深度 涡流区和线圈几何尺寸有如下关系：第3章 电感式传感器2.等效电路 电涡流传感器的空心线圈可看作变压器的初级线圈L1，金属导体中涡流回路视作变压器次级L2。当对线圈L1施加交变激励信号时，则在线圈周围产生交变磁场，环状涡流L2也产生交变磁场。其方向与线圈L1产生磁场方向相反，因而抵消部分原磁场，线圈L1和环状涡流L2之间存在互

14、感M，M大小取决于导体和线圈之间的距离x。根据基尔霍夫定律可列出如下方程组 第3章 电感式传感器传感器线圈由于受金属导体中电涡流效应影响的复阻抗为线圈的等效电阻和等效电感分别为 由于涡流的影响，线圈阻抗的实数部分增大，虚数部分减小，因此线圈Q 值下降；（Q L/R）同时看到，电涡流式传感器等效电路参数均是互感系数 M 和电感 L1，L2 的函数。故把这类传感器归为电感式传感器。第3章 电感式传感器3.基本结构 线圈1绕制在用聚四氟乙烯做成的线圈骨架2内，线圈用多股漆包线或银线绕制成扁平盘状。使用时，通过骨架衬套3将整个传感器安装在支架4上，5、6是电缆和插头。第3章 电感式传感器4.测量电路（

15、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，将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测量，或者通过 F-V 变换，用数字电压表测量对应的电压。用于涡流传感器的测量电路主要由线圈L和已知电容C组成LC并联谐振回路，传感器线圈等效电感的变化使并联谐振回路的谐振频率发生变化，将其被测量变换为电压或电流信号输出。有调幅式和调频式两种。第3章 电感式传感器（2）调幅式电路 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。石英晶体振荡器起一个恒流源的作用

16、，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并联谐振回路谐振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出 x 的大小。除此之外，交流电桥也是常用的测量电路。式中 ZLC 回路的阻抗。第3章 电感式传感器5.电涡流传感器的特点及灵敏度的影响因素（1）被测物材质：电导率越高，灵敏度越大；磁性材料涡流损耗大，导致灵敏度降低

17、。表面镀层、裂纹也影响灵敏度；（2）被测物形状和大小：电涡流可视为圈数只有一匝的环形封闭线圈，当传感器线圈尺寸、激励电流以及与被测物距离一定时，产生的涡流环的直径也一定。若板状被测物的最小尺寸小于该直径，则不能很好利用涡流效应，使灵敏度下降。一般要求，被测金属的最小尺寸大于传感器线圈直径的1.8 倍；被测物为圆柱体时，其直径要求大于线圈直径的3.5倍。（3）安装位置：在传感器周围磁场范围内，不应有非被测对象的金属物体，否则，会产生干扰，导致灵敏度下降和线性范围减小。实测表明，非被测金属离传感器线圈的距离必须大于线圈的直径。灵敏度的影响因素：灵敏度的影响因素：特点：特点：非接触测量，灵敏度、分辨

18、力高，检测范围：1mm10mm，最高分辨力可达满量程的0.1%。结构简单，使用方便，不受油液等介质影响。第3章 电感式传感器二、低频透射式电涡流传感器 金属导体内电涡流的贯穿深度与线圈激励电流的频率有关，频率越低，贯穿深度越厚。因此采用低频电流激励时，可以测量金属导体的厚度。(a)原理图(b)接收线圈感应电势与厚度关系曲线测厚原理：测厚原理：发射线圈Ll和接收线圈L2分别处于被测金属材料M的两边。由振荡器产生的音频电压u1加到L1的两端后，线圈中流过一个同频率的交流电流，并在其周围产生一交变磁场。如果不存在被测材料M，L1的磁场就能直接贯穿L2，L2的两端会产生一交变感应电动势u2。放置一金属

19、板M后，L1产生的交变磁场在M中会产生涡流 i，这个涡流损耗了L1的部分磁场能量，使其贯穿M后耦合到L2的磁通量减少，引起感应电势u2的下降。当激励频率f、L1和L2的结构、线圈匝数以及相对位置一定时，线圈L2中的感应电动势u2的大小就与被测材料的厚度t成反比。第3章 电感式传感器涡流探头图片1.位移测量2.振幅测量3.转速测量4.尺寸测量5.涡流膜厚测量 6.接近开关 三、电涡流式传感器的应用第3章 电感式传感器第3章 电感式传感器1.位移测量 电涡流传感器的等效阻抗 Z 与被测材料的电阻率，导磁率r、激磁频率 f 及线圈与被测件间的距离 x 有关。当，r，f 确定后，Z 只与 x 有关，通

20、过适当的测量电路，可得到输出电压与距离x的关系。在曲线中部呈线性关系，一般其线性范围为扁平线圈外径的1/31/5，线性误差约为(34)%。所以电涡流传感器可以测量位移，如汽轮机主轴的轴向窜动（a）、磨床换向阀、先导阀的位移（b）、金属试件的热膨胀系数（c），以及象钢水液位、纱线张力、流体压力等可变换成位移量的参数。量程范围可以从01mm 到030mm，一般分辨率为满量程 的0.1。第3章 电感式传感器2.振幅测量 电涡流式传感器可以对各种振动的幅值进行无接触测量。在汽轮机、空气压缩机中常用电涡流式传感器来监控主轴的径向振动（图a），也可测量涡轮叶片的振幅（图b）。在研究轴的振动时，需要了解轴的

21、振动形式，绘出轴的振形图，为此，可用多个传感器并排地安装在轴的附近（图c），用多通道指示仪输出并记录，或用计算机进行多通道数据采集，便可以获得主轴上各个位置的瞬时振幅及轴振形图。1-被测试件；2-电涡流传感器第3章 电感式传感器传感器的距离变小，电感量变小；距离变大、电感量变大。经电路处理后将周期地输出信号，该输出信号频率 f 可用频率计测出，然后换算成转速式中n为被测转速(rmin)。在一个旋转金属体上一个有N个齿的齿轮，旁边安装电涡流传感器，当旋转体转动时，齿轮的齿与3.转速测量 用同样的方法可将涡流传感器安装在产品输送线上，对金属产品进行计数。第3章 电感式传感器 电涡流传感器可以测量试

22、件的几何尺寸，如图(a)，被测工件通过传送线时，几何尺寸不合格（过大或小）的工件通过电涡流传感器时，传感器会输出不同的信号；图(b)是工件表面粗糙度测量，当表面不平整时，传感器输出信号有波动几何尺寸测量电涡流传感器4.尺寸测量第3章 电感式传感器5.涡流膜厚测量 利用涡流检测法，能够检测金属表面的氧化膜、漆膜和电镀膜等膜的厚度；但是，金属材料的性质不同，其膜厚检测也有很大的不同。下面介绍金属表面氧化层厚度的测量，它是各种测厚方法中较为有效的一种方法。假定某金属表面有氧化膜，则电感传感器与金属表面的距离为 x；因为金属表面电涡流对传感器线圈中磁场的反作用，改变了传感器的电感量，设此时的电感量为

23、L0-L；当金属表面无氧化层时，传感器与其表面距离为x0，对应的电感量为 L0，那么该金属表面的氧化层厚度应为 x0-x，该厚度就可通过电感量的变化而测得。除此之外、还可用电阻率或导磁率的变化对材料进行无损伤等测定。德国PHYNIX公司便携式涂镀层测厚仪第3章 电感式传感器6.接近开关 非接触式位置开关是对位移敏感的位式作用传感器，可以用电容效应或电感效应实现，其中电感效应就是利用电涡流现象。目前除有各种通用产品之外，在带有上下限报警或位式调节的动圈仪表里，普遍采用高频线圈和指针上的铝片接近后发出信号的方式工作，它就是电涡流式接近开关的应用实例之一。图中是两个按印刷电路工艺制作的平面线圈，互相对置并串联起来，中间留有缝隙。当铝片进入缝隙后，线圈的电感就会减少。同样的原理，将平面线圈改为单个，当有导电物体接近时，都会引起电感变化。不过铁磁性物质接近时电感加大，非铁磁性物质接近时电感减小，非导电物质则无反应。