变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾.ppt

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1、机械与电子工程学院机械与电子工程学院2.2 2.2 电感式传感器电感式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用机械与电子工程学院机械与电子工程学院2.2 2.2 电感式传感器电感式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用电磁电磁电磁电磁感应感应感应感应 被测非电量被测非电量被测非电量被测非电量自感系数自感系数自感系数自感系数L L L L互感系数互感系数互感系数互感系数MMMM测量测量测量测量电路电路电路电路U UU U、I I I I、f f f f 2.2 电感式传感器 uu电感式传感器的定义电感式传感器的定义电感式传感器的定义电感式传感器的定义 利用线圈自感或互感的变化来实现测量的一种装置。

2、利用线圈自感或互感的变化来实现测量的一种装置。利用线圈自感或互感的变化来实现测量的一种装置。利用线圈自感或互感的变化来实现测量的一种装置。uu电感式传感器的感测量电感式传感器的感测量电感式传感器的感测量电感式传感器的感测量 位移、振动、压力、应变、流量、比重等。位移、振动、压力、应变、流量、比重等。位移、振动、压力、应变、流量、比重等。位移、振动、压力、应变、流量、比重等。uu电感式传感器的种类电感式传感器的种类电感式传感器的种类电感式传感器的种类 根根根根据据据据转转转转换换换换原原原原理理理理：自自自自感感感感式式式式（変変変変磁磁磁磁阻阻阻阻式式式式）、互互互互感感感感式式式式（差差差差

3、动动动动变变变变压压压压器式）、电涡流式三种；器式）、电涡流式三种；器式）、电涡流式三种；器式）、电涡流式三种；根据结构形式：根据结构形式：根据结构形式：根据结构形式：气隙型、面积型和螺管型。气隙型、面积型和螺管型。气隙型、面积型和螺管型。气隙型、面积型和螺管型。机械与电子工程学院机械与电子工程学院2.2 2.2 电感式传感器电感式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用 2.2 电感式传感器 uu电感式传感器的优点电感式传感器的优点电感式传感器的优点电感式传感器的优点 结构简单、可靠结构简单、可靠结构简单、可靠结构简单、可靠 分辨率高分辨率高分辨率高分辨率高 机械位移机械位移机械位移机械位移0

4、.1m0.1m0.1m0.1m，甚至更小；角位移，甚至更小；角位移，甚至更小；角位移，甚至更小；角位移0.10.10.10.1角秒。角秒。角秒。角秒。输出信号强，电压灵敏度可达数百输出信号强，电压灵敏度可达数百输出信号强，电压灵敏度可达数百输出信号强，电压灵敏度可达数百mV/mm mV/mm mV/mm mV/mm。重复性好，线性度优良重复性好，线性度优良重复性好，线性度优良重复性好，线性度优良 在几十在几十在几十在几十mmmm到数百到数百到数百到数百mmmmmmmm的位移范围内，输出特性的线性度较好，的位移范围内，输出特性的线性度较好，的位移范围内，输出特性的线性度较好，的位移范围内，输出特

5、性的线性度较好，且比较稳定。且比较稳定。且比较稳定。且比较稳定。能实现远距离传输、记录、显示和控制能实现远距离传输、记录、显示和控制能实现远距离传输、记录、显示和控制能实现远距离传输、记录、显示和控制uu电感式传感器的不足电感式传感器的不足电感式传感器的不足电感式传感器的不足 存在交流零位信号，不宜高频动态测量。存在交流零位信号，不宜高频动态测量。存在交流零位信号，不宜高频动态测量。存在交流零位信号，不宜高频动态测量。机械与电子工程学院机械与电子工程学院2.2 2.2 电感式传感器电感式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用2.2 电感式传感器 2.2.1 自感式传感器自感式传感器2.2.2

6、互感式传感器互感式传感器2.2.3 电涡流式传感器电涡流式传感器2.2.4 电感式传感器的应用电感式传感器的应用机械与电子工程学院机械与电子工程学院2.2 2.2 电感式传感器电感式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用一、自感式传感器工作原理一、自感式传感器工作原理二、变间隙式自感传感器输出特性二、变间隙式自感传感器输出特性三、自感式传感器的测量电路三、自感式传感器的测量电路2.2.1 自感式传感器机械与电子工程学院机械与电子工程学院2.2 2.2 电感式传感器电感式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用自自感感式式传传感感器器即即变变磁磁阻阻式式电电感感传传感感器器：利用线圈自感量的变化来

7、实现测量的。利用线圈自感量的变化来实现测量的。传传感感器器结结构构：线线圈圈、铁铁芯芯和和衔衔铁铁三三部部分组成。分组成。一、自感式式传感器工作原理一、自感式式传感器工作原理2.2.1 自感式传感器线圈中电感量：线圈中电感量：线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁工工作作原原理理：铁铁芯芯和和衔衔铁铁由由磁磁导导材材料料如如硅硅钢钢片片或或铁铁镍镍合合金金制制成成，在在铁铁芯芯和和衔衔铁铁之之间间有有气气隙隙，气气隙隙厚厚度度为为，传传感感器器的的运运动动部部分分与与衔衔铁铁相相连连。当当被被测测量量变变化化时时，使使衔衔铁铁产产生生位位移移，引引起起磁磁路路中中磁磁阻阻变变化化，从从而而导导致致电电感感线

8、圈的电感量变化。线圈的电感量变化。因因此此只只要要能能测测出出这这种种电电感感量量的的变变化化，就能确定就能确定衔铁位移量的大小和方向衔铁位移量的大小和方向。总磁阻总磁阻总磁阻总磁阻线圈匝线圈匝线圈匝线圈匝数数数数机械与电子工程学院机械与电子工程学院2.2 2.2 电感式传感器电感式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用一、自感式传感器工作原理一、自感式传感器工作原理2.2.1 自感式传感器磁导率磁导率磁导率磁导率H/mH/muu气气气气隙隙隙隙截截截截面面面面积积积积A A保保保保持持持持不不不不变变变变，则则则则L L为为为为 的的的的单单单单值值值值函函函函数，构成数，构成数，构成数，构

9、成变气隙厚度式自感传感器变气隙厚度式自感传感器变气隙厚度式自感传感器变气隙厚度式自感传感器。uu保保保保持持持持气气气气隙隙隙隙间间间间距距距距 不不不不变变变变，A A随随随随被被被被测测测测量量量量（如如如如位位位位移）变化，构成移）变化，构成移）变化，构成移）变化，构成变气隙面积式自感传感器变气隙面积式自感传感器变气隙面积式自感传感器变气隙面积式自感传感器。线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁l1l2机械与电子工程学院机械与电子工程学院2.2 2.2 电感式传感器电感式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用变变磁磁阻阻式式传传感感器器即即自自感感式式电电感感传传感感器器的基本类型：的基本类型：自感式

10、传感器基本类型自感式传感器基本类型2.2.1 自感式传感器线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁（1 1）变气隙厚度式）变气隙厚度式（2 2）变气隙面积式）变气隙面积式变截面式和螺管式变截面式和螺管式变气隙变气隙变气隙变气隙厚度式厚度式厚度式厚度式螺管螺管螺管螺管式式式式线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁衔衔铁铁移移动动方方向向变气变气变气变气隙截隙截隙截隙截面式面式面式面式机械与电子工程学院机械与电子工程学院2.2 2.2 电感式传感器电感式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用一、自感式传感器工作原理一、自感式传感器工作原理二、变间隙式自感传感器输出特性二、变间隙式自感传感器输出特性三、自感式传感器的测量电路三、

11、自感式传感器的测量电路2.2.1 自感式传感器机械与电子工程学院机械与电子工程学院2.2 2.2 电感式传感器电感式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用二、变间隙式自感传感器输出特性二、变间隙式自感传感器输出特性2.2.1 自感式传感器线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁气隙厚度气隙厚度0 0时自感系数时自感系数当当衔衔铁铁上上移移时时，传传感感器器气气隙隙减减小小，即即=0-，则输出电感为则输出电感为机械与电子工程学院机械与电子工程学院2.2 2.2 电感式传感器电感式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用二、变间隙式自感传感器输出特性二、变间隙式自感传感器输出特性2.2.1 自感式传感器线圈线圈铁芯

12、铁芯衔铁衔铁当当/0R，则有，则有Z1+Z2j(L1+L2)电感式传感器的测量电路：电感式传感器的测量电路：交交流流电电桥桥、变变压压器器式式交交流流电电桥桥以以及及谐振式等。谐振式等。1 1、交流电桥式测量电路、交流电桥式测量电路机械与电子工程学院机械与电子工程学院2.2 2.2 电感式传感器电感式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用电桥输出电压为电桥输出电压为3.2 3.2 自感式传感器的测量电路自感式传感器的测量电路2.2.1 自感式传感器线性处理后电桥输出电压为线性处理后电桥输出电压为1 1、交流电桥式测量电路、交流电桥式测量电路差动式传感器的电感灵敏度差动式传感器的电感灵敏度K0为

13、为变变间间隙隙差差动动式式电电感感传传感感器器的的灵灵敏敏度是单线圈式的两倍。度是单线圈式的两倍。差动式的线性度明显改善。差动式的线性度明显改善。输出电压与输出电压与成正比。成正比。机械与电子工程学院机械与电子工程学院2.2 2.2 电感式传感器电感式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用曲线曲线1、2为两线圈各自电感特性；为两线圈各自电感特性；曲线曲线3为两线圈差接时的电感特性；为两线圈差接时的电感特性；曲曲线线4为为差差接接后后电电桥桥输输出出电电压压与与衔衔铁铁位移的特性曲线。位移的特性曲线。3.2 3.2 自感式传感器的测量电路自感式传感器的测量电路2.2.1 自感式传感器1 1、交流

14、电桥式测量电路、交流电桥式测量电路U0L/mH/mmL043211234-电桥输出特性：电桥输出特性：电电桥桥输输出出电电压压大大小小与与衔衔铁铁位位移移量量有关，相位与衔铁移动方向有关。有关，相位与衔铁移动方向有关。若若设设衔衔铁铁向向上上移移动动为为负负，则则U0为为负负；衔衔铁铁向向下下移移动动为为正正，则则U0为为正正，相位差相位差180。机械与电子工程学院机械与电子工程学院2.2 2.2 电感式传感器电感式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用变变压压器器式式交交流流电电桥桥测测量量电电路路，电电桥桥两两桥桥臂臂分分别别为为传传感感器器两两线线圈圈的的阻阻抗抗，另另外外两两桥桥臂臂分

15、分别别为为电电源源变变压压器器的的两两次次级级线线圈，其阻抗为次级线圈总阻抗的一半。圈，其阻抗为次级线圈总阻抗的一半。3.2 3.2 自感式传感器的测量电路自感式传感器的测量电路2.2.1 自感式传感器2 2、变压器式交流电桥、变压器式交流电桥测测量量时时被被测测件件与与传传感感器器衔衔铁铁相相连连，当当衔衔铁铁处处于于中中间间位位置置，即即Z1=Z2=Z时时电电桥桥输输出电压为零，电桥平衡。出电压为零，电桥平衡。Z1Z2IABCD当当负负载载阻阻抗抗为为无无穷穷大大时时，桥桥路路输输出出电压为电压为机械与电子工程学院机械与电子工程学院2.2 2.2 电感式传感器电感式传感器传感器原理及应用传

16、感器原理及应用当当传传感感器器衔衔铁铁上上移移时时，Z1=Z+Z，Z2=Z-Z，若若线线圈圈的的Q值值很很高高，损损耗耗电电阻阻可忽略，则可忽略，则桥路输出电压为桥路输出电压为3.2 3.2 自感式传感器的测量电路自感式传感器的测量电路2.2.1 自感式传感器2 2、变压器式交流电桥、变压器式交流电桥当当衔衔铁铁上上下下移移动动相相同同距距离离时时，电电桥桥输输出出电电压压大大小小相相等等而而相相位位相相反反。要要判判断断衔衔铁铁方方向向需需要要经经过过相相敏敏检检波波电电路路的处理。的处理。Z1Z2IABCD当当传传感感器器衔衔铁铁下下移移时时，Z1=Z-Z，Z2=Z+Z，桥路输出电压为桥路

17、输出电压为机械与电子工程学院机械与电子工程学院2.2 2.2 电感式传感器电感式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用3.2 3.2 自感式传感器的测量电路自感式传感器的测量电路2.2.1 自感式传感器2 2、变压器式交流电桥、变压器式交流电桥机械与电子工程学院机械与电子工程学院2.2 2.2 电感式传感器电感式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用两类谐振式测量电路：两类谐振式测量电路：谐振式调幅电路；谐振式调频电路谐振式调幅电路；谐振式调频电路3.2 3.2 自感式传感器的测量电路自感式传感器的测量电路2.2.1 自感式传感器3 3、谐振式测量电路、谐振式测量电路（1）谐振式调幅电路）谐振

18、式调幅电路传传感感器器电电感感L与与电电容容C、变变压压器器原原边边串串联联在在一一起起，接接入入交交流流电电源源，变变压压器器副副边边输输出出电电压压，电电压压的的频频率率与与电电源源频频率率相相同同，而而幅幅值值随随着着电电感感L而变化。而变化。输输出出电电压压与与电电感感的的关关系系曲曲线线中中L0为为谐谐振振点点的的电电感感值值，电电路路灵灵敏敏度度很很高高，但但线线性性差差，适适用用于线性度要求不高的场合。于线性度要求不高的场合。机械与电子工程学院机械与电子工程学院2.2 2.2 电感式传感器电感式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用3.2 3.2 自感式传感器的测量电路自感式传感

19、器的测量电路2.2.1 自感式传感器3 3、谐振式测量电路、谐振式测量电路（2）谐振式调频电路）谐振式调频电路调调频频电电路路的的基基本本原原理理：传传感感器器电电感感L的变化引起输出电压频率的变化。的变化引起输出电压频率的变化。通通常常传传感感器器电电感感L和和电电容容C接接入入一一个个振荡回路中，其振荡频率为振荡回路中，其振荡频率为当当L变变化化时时，振振荡荡频频率率随随之之变变化化，根根据据频率频率的大小即可测出被测量的值。的大小即可测出被测量的值。振振荡荡频频率率与与电电感感变变化化之之间间具具有有严严重重的的非线性关系。非线性关系。机械与电子工程学院机械与电子工程学院2.2 2.2

20、电感式传感器电感式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用 2.2.2 互感式传感器 一、工作原理与结构一、工作原理与结构二、变隙式差动变压传感器二、变隙式差动变压传感器三、测量电路三、测量电路机械与电子工程学院机械与电子工程学院2.2 2.2 电感式传感器电感式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用一、工作原理与结构一、工作原理与结构2.2.2 互感式传感器基本概念基本概念互互感感式式传传感感器器：被被测测的的非非电电量量变变化化转转换为线圈互感变化的一种磁电装置。换为线圈互感变化的一种磁电装置。次次级级线线圈圈初初级级线线圈圈基本种类基本种类有有变变隙隙式式、变变面面积积式式和和螺螺线线管管

21、式式等等。应用最多的是螺线管式差动变压器。应用最多的是螺线管式差动变压器。基基本本结结构构：主主要要包包括括有有衔衔铁铁、初初级级绕绕组组、次次级级绕绕组组和和线线圈圈框框架架等等。次次级级绕绕组组用用差差动动形形式式连连接接，也也称称为为差差动动变变压压器器式式传传感感器器。工工作作原原理理类类似似于于变变压压器器。初初、次次级级绕绕组组的的耦耦合合能能随随衔衔铁铁的的移移动动而而变变化化，即即绕绕组间的互感随被测位移的改变而变化组间的互感随被测位移的改变而变化。机械与电子工程学院机械与电子工程学院2.2 2.2 电感式传感器电感式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用 2.2.2 互感式传

22、感器 一、工作原理与结构一、工作原理与结构二、变隙式差动变压传感器二、变隙式差动变压传感器三、测量电路三、测量电路机械与电子工程学院机械与电子工程学院2.2 2.2 电感式传感器电感式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用二、变隙式差动变压器二、变隙式差动变压器2.2.2 互感式传感器1 1、变隙式差动变压器结构与原理、变隙式差动变压器结构与原理闭闭磁磁路路变变隙隙式式差差动动变变压压器器的的结结构构：在在A、B两两个个铁铁芯芯上上绕绕有有W1a=W1b=W1的的两两个个初初级级绕绕组组和和W2a=W2b=W2两两个个次次级级绕组。绕组。两两个个初初级级绕绕组组的的同同名名端端顺顺向向串串联联

23、，而两个而两个次级次级绕组的同名端则绕组的同名端则反向反向串联。串联。当当被被测测体体没没有有位位移移时时衔衔铁铁处处于于初初始始平平衡衡位位置置，与与两两个个铁铁芯芯的的间间隙隙相相等等，则则两两绕绕组组的的互互感感相相等等，则则两两个个次次级级绕绕组组的的互互感感电电势势相相等等。因因次次级级绕绕组组反反相相串串联联，差动变压器输出电压为零。差动变压器输出电压为零。输出电压的大小与相位反输出电压的大小与相位反映位移的大小和方向。映位移的大小和方向。当当被被测测体体有有位位移移时时衔衔铁铁的的位位置置发发生生变变化化，两两次次级级绕绕组组的的互互感感电电势势不不相相等等，即即差差动变压器有电

24、压输出。动变压器有电压输出。机械与电子工程学院机械与电子工程学院2.2 2.2 电感式传感器电感式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用二、变隙式差动变压器二、变隙式差动变压器2.2.2 互感式传感器2 2、变隙式差动变压器输出特性、变隙式差动变压器输出特性在在忽忽略略铁铁损损（即即涡涡流流与与磁磁滞滞损损耗耗忽忽略略不不计计）、漏漏感感以以及及变变压压器器次次级级开开路路（或或负负载载阻阻抗抗足足够够大大）的的条条件件下下的的等效电路。等效电路。不不考考虑虑铁铁芯芯与与衔衔铁铁中中的的磁磁阻阻影影响响时，变隙式差动变压器输出电压为时，变隙式差动变压器输出电压为当当衔衔铁铁处处于于初初始始平平

25、衡衡位位置置时时U2=0。若若被被测测体体带带动动衔衔铁铁移移动动，向向上上移移动动（向上移动为正）时有（向上移动为正）时有变变隙隙式式差差动动变变压压器器的的输输出出电压与衔铁位移量成正比。电压与衔铁位移量成正比。机械与电子工程学院机械与电子工程学院2.2 2.2 电感式传感器电感式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用二、变隙式差动变压器二、变隙式差动变压器2.2.2 互感式传感器2 2、变隙式差动变压器输出特性、变隙式差动变压器输出特性闭闭磁磁路路变变隙隙式式差差动动变变压压器器的的输输出出特特性性表表明明，变变压压器器输输出出电电压压大大小小与与衔衔铁铁位位移移大大小小成成正正比比，相

26、相位位根根据据衔衔铁铁移移动方向与输入电压同相或反向。动方向与输入电压同相或反向。输出电压灵敏度输出电压灵敏度变变隙隙式式差差动动变变压压器器灵灵敏敏度度K的的表表达式为达式为（1）电电源源幅幅值值的的适适当当提提高高可可以以提提高高灵灵敏敏度度值值，但但要要以以变变压压器器铁铁芯芯不不饱和以及允许温升为条件。饱和以及允许温升为条件。机械与电子工程学院机械与电子工程学院2.2 2.2 电感式传感器电感式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用二、变隙式差动变压器二、变隙式差动变压器2.2.2 互感式传感器2 2、变隙式差动变压器输出特性、变隙式差动变压器输出特性（2）增增加加W2/W1的的比比值

27、值和和减减小小0都都能能使使灵灵敏敏度度K值值提提高高。但但W2/W1的的比比值值与与变变压压器器的的体体积积及及零零点点残残余余电电压有关。压有关。不不论论从从灵灵敏敏度度考考虑虑，还还是是从从忽忽略略边边缘缘磁磁通通考考虑虑，均均要要求求变变隙隙式式差差动动变变压器的压器的0愈小愈好。愈小愈好。为为兼兼顾顾测测量量范范围围的的需需要要，一一般般选选择传感器的择传感器的0为为0.5mm。机械与电子工程学院机械与电子工程学院2.2 2.2 电感式传感器电感式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用二、变隙式差动变压器二、变隙式差动变压器2.2.2 互感式传感器2 2、变隙式差动变压器输出特性、变

28、隙式差动变压器输出特性（3）在在考考虑虑铁铁损损和和线线圈圈中中分分布布电电容容等等条条件件下下，传传感感器器的的性性能能变变差差（灵灵敏敏度度降降低低、非非线线性性加加大大等等）。但但是，在一般工程应用中可以忽略的。是，在一般工程应用中可以忽略的。（4）变变压压器器副副边边开开路路条条件件，对对电电子子线线路路构构成成的的测测量量电电路路很很容容易易满满足足。但但直直接接配配接接低低输输入入阻阻抗抗电电路路，就就必必须须考考虑虑变变压压器器副副边边电电流流对对输输出出特特性性的的影影响。响。机械与电子工程学院机械与电子工程学院2.2 2.2 电感式传感器电感式传感器传感器原理及应用传感器原理

29、及应用 2.2.2 互感式传感器 一、工作原理与结构一、工作原理与结构二、变隙式差动变压传感器二、变隙式差动变压传感器三、互感式传感器测量电路三、互感式传感器测量电路机械与电子工程学院机械与电子工程学院2.2 2.2 电感式传感器电感式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用三、互感式传感器测量电路三、互感式传感器测量电路2.2.2 互感式传感器差差动动变变压压器器输输出出交交流流电电压压，用用交交流流电电压压表表测测量量，只只能能反反映映衔衔铁铁位位移移大大小小，不不能能反反映映移移动方向；测量值中还包含零点残余电压。动方向；测量值中还包含零点残余电压。R2R1abhgcfde3为为了了辨辨别

30、别移移动动方方向向和和消消除除零零点点残残余余电电压压，实实际际测测量量时时，常常常常采采用用差差动动整整流电路和相敏检波电路。流电路和相敏检波电路。D2u1u2RRLRD3D1D4RRT1T2e1e2相敏检波电路相敏检波电路全波差动整流电路全波差动整流电路机械与电子工程学院机械与电子工程学院2.2 2.2 电感式传感器电感式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用三、互感式传感器测量电路三、互感式传感器测量电路2.2.2 互感式传感器典型差动整流电路典型差动整流电路半半波波电电压压输输出出半半波波电电流流输输出出全全波波电电压压输输出出全全波波电电流流输输出出机械与电子工程学院机械与电子工程学

31、院2.2 2.2 电感式传感器电感式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用三、互感式传感器测量电路三、互感式传感器测量电路2.2.2 互感式传感器全波电压输出差动整流电路全波电压输出差动整流电路差差动动变变压压器器的的两两个个次次级级输输出出电电压压分分别别全全波波整整流流，整整流流电电压压的的差差值值作作为为输输出出，适适用用于于交交流流阻阻抗抗负负载载。电阻电阻R0用于调整零点残余电压。用于调整零点残余电压。差差动动整整流流电电路路，电电压压输输出出的的，适适用用于于交交流流阻阻抗抗负负载载；电电流流输输出的，适用于低阻抗负载。出的，适用于低阻抗负载。从从电电路路结结构构可可知知，不不论论

32、两两个个次次级级线线圈圈的的输输出出瞬瞬时时电电压压极极性性如如何何，流流经经电电容容C1的的电电流流方方向向总总是是从从2到到4，流流经经电电容容C2的的电电流流方方向向总总是是从从6到到8，整流电路的输出电压为，整流电路的输出电压为机械与电子工程学院机械与电子工程学院2.2 2.2 电感式传感器电感式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用三、互感式传感器测量电路三、互感式传感器测量电路2.2.2 互感式传感器全波电压输出差动整流电路全波电压输出差动整流电路衔铁零位时，衔铁零位时，U24=U68，U2=0；衔铁上移时，衔铁上移时，U24U68，U20；衔铁下移时，衔铁下移时，U24U68，U

33、20，不不论论u2与与us是是正正半半周周还还是是负半周，负载电阻负半周，负载电阻RL两端得到的电压两端得到的电压uo始终为正。始终为正。当当x0时时，u2与与us为为同同频频反反相相。采采用用上上述述相相同同的的分分析析方方法法不不难难得得到到当当x0时时，不不论论u2与与us是是正正半半周周还还是是负负半半周周，负负载载电电阻阻RL两端得到的输出电压两端得到的输出电压uo表达式总是为表达式总是为(4-39)机械与电子工程学院机械与电子工程学院2.2 2.2 电感式传感器电感式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用图图4-19波形图波形图（a）被测位移变化波形图被测位移变化波形图;（b）差动

34、变压器激磁电压波形差动变压器激磁电压波形;（c）差动变压器输出电压波形差动变压器输出电压波形(d)相敏检波解调电压波形；相敏检波解调电压波形；(e)相敏检波输出电压波形相敏检波输出电压波形机械与电子工程学院机械与电子工程学院2.2 2.2 电感式传感器电感式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用一、电涡流式传感器基本原理一、电涡流式传感器基本原理二、电涡流式传感器输出特性二、电涡流式传感器输出特性三、电涡流式传感器测量电路三、电涡流式传感器测量电路2.2.3 电涡流式传感器 机械与电子工程学院机械与电子工程学院2.2 2.2 电感式传感器电感式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用一、电涡流式

35、传感器基本原理一、电涡流式传感器基本原理涡涡流流式式传传感感器器的的基基本本原原理理：利利用用金金属属导体在交流磁场中的电涡流效应。导体在交流磁场中的电涡流效应。电涡流：电涡流：若若一一金金属属板板置置于于一一只只线线圈圈的的附附近近，当当线线圈圈输输入入一一交交变变电电流流时时，便便产产生生交交变变磁磁通通量量，金金属属板板在在此此交交变变磁磁场场中中会会产产生生感感应应电电流流，这这种种电电流流在在金金属属体体内内是是闭闭合合的的，称称之为电涡流或涡流。之为电涡流或涡流。若若固固定定某某些些参参数数，就就可可根根据据涡涡流流的的变变化化测测量量另另一个参数。一个参数。2.2.3 电涡流式传

36、感器 涡涡流流的的大大小小与与金金属属板板的的电电阻阻率率、磁磁导导率率、厚厚度度h、金金属属板板与与线线圈圈的的距距离离、激励电流角频率激励电流角频率等参数有关。等参数有关。激励激励线圈线圈金属金属导体导体机械与电子工程学院机械与电子工程学院2.2 2.2 电感式传感器电感式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用一、电涡流式传感器基本原理一、电涡流式传感器基本原理二、电涡流式传感器输出特性二、电涡流式传感器输出特性三、电涡流式传感器测量电路三、电涡流式传感器测量电路2.2.3 电涡流式传感器 机械与电子工程学院机械与电子工程学院2.2 2.2 电感式传感器电感式传感器传感器原理及应用传感器原

37、理及应用二、电涡流式传感器输出特性二、电涡流式传感器输出特性被被测测导导体体上上形形成成的的电电涡涡流流等等效效成成一一个个短短路路环环中中的的电电流流，短短路路环环可可认认为为是是一一匝短路线圈，电阻为匝短路线圈，电阻为R2、电感为、电感为L2。线线圈圈与与被被测测导导体体等等效效为为两两个个相相互互耦耦合合的的线线圈圈。线线圈圈与与导导体体间间存存在在一一个个互互感感M，随线圈与导体间距的减小而增大。，随线圈与导体间距的减小而增大。电涡流式传感器等效电路电涡流式传感器等效电路2.2.3 电涡流式传感器 根据基尔霍夫第二定律，有根据基尔霍夫第二定律，有1 1、等效电路、等效电路机械与电子工程

38、学院机械与电子工程学院2.2 2.2 电感式传感器电感式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用二、电涡流式传感器输出特性二、电涡流式传感器输出特性解方程得等效阻抗的表达式为解方程得等效阻抗的表达式为线线圈圈受受电电涡涡流流影影响响后后的等效电感的等效电感2.2.3 电涡流式传感器 线圈受电涡流影响后的等效电阻线圈受电涡流影响后的等效电阻2 2、等效阻抗与品质因数、等效阻抗与品质因数线圈等效品质因数线圈等效品质因数特性参数影响因素：特性参数影响因素：Q：L2,R2,L1,R1,MReq、Leq、Q是是M2的函数的函数机械与电子工程学院机械与电子工程学院2.2 2.2 电感式传感器电感式传感器传感

39、器原理及应用传感器原理及应用电涡流式传感器的基本类型电涡流式传感器的基本类型电电涡涡流流式式传传感感器器可可分分为为高高频频反反射射式式和和低频透射式低频透射式两类。两类。2.2.3 电涡流式传感器 高高频频信信号号激激励励传传感感器器线线圈圈产产生生高高频频交交变变磁磁场场，当当被被测测导导体体靠靠近近线线圈圈时时，产产生生电电涡涡流流，而而电电涡涡流流又又产产生生一一交交变变磁场阻碍外磁场的变化。磁场阻碍外磁场的变化。1 1、高频反射式、高频反射式从从能能量量角角度度分分析析，被被测测导导体体内内存存在在着着电电涡涡流流损损耗耗，使使传传感感器器的的Q值值和和等等效效阻阻抗抗Z降降低低。当

40、当被被测测体体与与传传感感器器间间距距离离改改变变时时，传传感感器器的的Q和和Z、电电感感L均发生变化，位移量转换成电量。均发生变化，位移量转换成电量。机械与电子工程学院机械与电子工程学院2.2 2.2 电感式传感器电感式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用电涡流式传感器基本类型电涡流式传感器基本类型2.2.3 电涡流式传感器 发发射射线线圈圈和和接接收收线线圈圈置置于于被被测测金金属属板板上上下下方方。当当低低频频电电压压加加到到线线圈圈1的的两两端端后后，产产生生磁磁场场线线的的一一部部分分透透过过金金属属板板，使使线线圈圈2产产生生感感应应电电动动势势。但但涡涡流流消消耗耗部部分分磁磁

41、场场能能量量，使使感感应应电电动动势势减减少少，当当金金属属板板越越厚厚时时，损损耗耗的的能能量量越大，输出电动势越小。越大，输出电动势越小。2 2、低频透射式、低频透射式电电动动势势的的大大小小与与金金属属板板的的厚厚度度及及材材料料的的性性质质有有关关。电电动动势势随随材材料料厚厚度度的的增增加加按按负负指指数数规规律律减减少少。若若金金属属板板材料的性质一定，即可测厚度。材料的性质一定，即可测厚度。机械与电子工程学院机械与电子工程学院2.2 2.2 电感式传感器电感式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用一、电涡流式传感器基本原理一、电涡流式传感器基本原理二、电涡流式传感器输出特性二、电

42、涡流式传感器输出特性三、电涡流式传感器测量电路三、电涡流式传感器测量电路2.2.3 电涡流式传感器 机械与电子工程学院机械与电子工程学院2.2 2.2 电感式传感器电感式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用三、电涡流式传感器测量电路三、电涡流式传感器测量电路1 1、调频式电路、调频式电路 电电涡涡流流传传感感器器的的测测量量电电路路主主要要有有调调频式、频式、调幅式电路和交流电桥等。调幅式电路和交流电桥等。传传感感器器线线圈圈接接入入振振荡荡回回路路，当当传传感感器器与与被被测测导导体体距距离离改改变变时时，在在涡涡流流影影响响下下，传传感感器器的的电电感感变变化化，导导致致振振荡荡频频率率

43、的变化。的变化。2.2.3 电涡流式传感器 频频率率变变化化是是距距离离的的函函数数，频频率率可可由由数数字字频频率率计计直直接接测测量量，或或通通过过频频率率电电压压变换，用电压表测量对应的电压。变换，用电压表测量对应的电压。机械与电子工程学院机械与电子工程学院2.2 2.2 电感式传感器电感式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用三、电涡流式传感器测量电路三、电涡流式传感器测量电路2 2、调幅式电路、调幅式电路 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石英晶体振荡电路。石英晶体振荡电路。当当金金属属导导体体远远离离传传感感器器线线圈圈时时，谐谐振振回回路路谐谐振振

44、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，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的的变变化化而而变变化化。因此，输出电压也随而变化。因此，输出电压也随而变化。2.2.3 电涡流式传感器 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励电电流流io，LC回回路路的的阻阻抗抗为为Z时输出电压时输出电压机械与电子工程学院机械与电子工程学院2

45、.2 2.2 电感式传感器电感式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用2.2.4 电感式传感器应用 一、电涡流式传感器的应用一、电涡流式传感器的应用二、自感和互感式传感器的应用二、自感和互感式传感器的应用机械与电子工程学院机械与电子工程学院2.2 2.2 电感式传感器电感式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用载载有有交交变变电电流流的的线线圈圈产产生生交交变变磁磁场场Hp，金金属属物物平平面面感感应应出出电电涡涡流流，产产生生交交变变涡涡流流磁磁场场Hs，均均在在检检测测线线圈圈（反反向向差差动动线线圈圈）中中产生感应电动势。产生感应电动势。一、电涡流式传感器应用一、电涡流式传感器应用1 1

46、、无损金属材料探伤、无损金属材料探伤被测金属物上无缺陷被测金属物上无缺陷穿穿过过检检测测线线圈圈的的两两个个线线圈圈的的磁磁通通量量相相等等，感感应应电电势相互抵消，输出为零。势相互抵消，输出为零。机械与电子工程学院机械与电子工程学院2.2 2.2 电感式传感器电感式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用一、电涡流式传感器应用一、电涡流式传感器应用1 1、无损金属材料探伤、无损金属材料探伤被测金属物上有缺陷被测金属物上有缺陷穿穿过过两两个个检检测测线线圈圈的的磁磁通通量量不不相相等等，检检测测线线圈圈输输出感应电势不为零。出感应电势不为零。幅值甄别电路信号幅值甄别电路信号幅值甄别电路信号幅值甄

47、别电路信号处理后幅值甄别电路信号处理后幅值甄别电路信号处理后幅值甄别电路信号处理后幅值甄别电路信号机械与电子工程学院机械与电子工程学院2.2 2.2 电感式传感器电感式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用量量程：程：030mm分辨率：分辨率：0.1%一、电涡流式传感器应用一、电涡流式传感器应用2 2、测量位移、测量位移液位监控系统液位监控系统3 3、测量位移、测量位移汽轮机主轴的轴向窜动汽轮机主轴的轴向窜动机械与电子工程学院机械与电子工程学院2.2 2.2 电感式传感器电感式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用薄膜厚度：薄膜厚度：d=X0-X等效电感：等效电感：L=L0-L一、电涡流式传感

48、器应用一、电涡流式传感器应用4 4、测量转速测量转速5 5、测量薄膜厚度、测量薄膜厚度齿轮齿齿轮齿数数机械与电子工程学院机械与电子工程学院2.2 2.2 电感式传感器电感式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用一、电涡流式传感器应用一、电涡流式传感器应用6 6、测量测量板材厚度板材厚度机械与电子工程学院机械与电子工程学院2.2 2.2 电感式传感器电感式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用一、电涡流式传感器应用一、电涡流式传感器应用7 7、生产工件计数、生产工件计数机械与电子工程学院机械与电子工程学院2.2 2.2 电感式传感器电感式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用一、电涡流式传感器应

49、用一、电涡流式传感器应用8 8、接近传感器接近传感器机械与电子工程学院机械与电子工程学院2.2 2.2 电感式传感器电感式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用一、电涡流式传感器应用一、电涡流式传感器应用8 8、接近传感器接近传感器接近开关专用集成电路接近开关专用集成电路SC205SC205机械与电子工程学院机械与电子工程学院2.2 2.2 电感式传感器电感式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用2.2.4 电感式传感器应用 一、电涡流式传感器的应用一、电涡流式传感器的应用二、自感和互感式传感器的应用二、自感和互感式传感器的应用机械与电子工程学院机械与电子工程学院2.2 2.2 电感式传感器电

50、感式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用动态测量范围：动态测量范围：1mm分分辨辨率：率：1um精精度：度：3%二、自感和互感式传感器应用二、自感和互感式传感器应用1 1、电感测微仪电感测微仪探头探头测量测量电桥电桥交流交流放大放大相敏相敏检波检波指示器指示器振荡器振荡器机械与电子工程学院机械与电子工程学院2.2 2.2 电感式传感器电感式传感器传感器原理及应用传感器原理及应用二、自感和互感式传感器应用二、自感和互感式传感器应用2 2、电感压力传感器电感压力传感器A1 12 23 34 45 56 67 7微压传感器微压传感器1 1 接头；接头；2 2 膜盒；膜盒；3 3 底座；底座；4 4