常用的传感器电感式.ppt

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1、测试技术基础测试技术基础第二章第二章 常用的传感器常用的传感器1华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院第四节第四节 电感式传感器电感式传感器把被测量转换为电感变化的一种传感器把被测量转换为电感变化的一种传感器被测信息被测信息敏感元件敏感元件转换元件转换元件辅助电源辅助电源信号调理电路信号调理电路输出信息输出信息电感元件电感元件电感元件电感元件基于电磁感应原理，基于电磁感应原理，把被测量转化为把被测量转化为电感量的一种装置。电感量的一种装置。3.3 电感式感式传感器感器 可用来测位移、压力、振动等参数2华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院分类分类:电感式传感器电感式传感器自感型自感型电涡流

2、式电涡流式互感型（差动变压器式互感型（差动变压器式）3.3 电感式感式传感器感器压磁式压磁式3华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院 传感器由线圈、铁心和衔铁组成。其工作原理是基于机械量变化会引起线圈磁回路磁阻的变化，从而导致自感量变化这一现象。1.1.自感式传感器自感式传感器线圈的电感可用下式表示：如果空气隙较小，且忽略磁路铁损时，磁路总磁阻为：因此有：1.自感自感传感器感器4华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院 由于电感传感器的铁心一般工作在非饱和状态下，其磁导率由于电感传感器的铁心一般工作在非饱和状态下，其磁导率远大于空气隙的磁导率，因此铁心磁阻远较气隙磁阻小，因此：远大于空气隙的

3、磁导率，因此铁心磁阻远较气隙磁阻小，因此：自感系数自感系数L L与气隙与气隙 成反比，与气隙导成反比，与气隙导磁面积磁面积A A0 0成正比。成正比。1.自感自感传感器感器5华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院传感器灵敏度为：传感器灵敏度为：气隙气隙 愈小，则灵敏度愈小，则灵敏度S S愈高。由于愈高。由于S S不是常不是常数，会产生非线性误差，因此这种传感器常规定在数，会产生非线性误差，因此这种传感器常规定在较小气隙变化范围内工作。设气隙变化为（较小气隙变化范围内工作。设气隙变化为（0 0，0 0），由于气隙变化甚小，即），由于气隙变化甚小，即远小于远小于 0 0时（一时（一般要求小与般要

4、求小与1010倍以上），倍以上），S S进一步近似为：进一步近似为：此时此时S S 可近似为常数。因此，可近似为常数。因此，这种传感器一般只适这种传感器一般只适用于小位移测量，其初始间隙用于小位移测量，其初始间隙 一般取，一般取，的最大的最大值一般取值一般取 的的1/5.1/5.1.自感自感传感器感器6华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院传感器灵敏度为：传感器灵敏度为：变面积型自感传感器的自感与面积成线性关系，变面积型自感传感器的自感与面积成线性关系，但这种传感器的灵敏度较低。但这种传感器的灵敏度较低。1.自感自感传感器感器7华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院对于变间隙式：改善非线性

5、，提高灵敏度的方法如下对于变间隙式：改善非线性，提高灵敏度的方法如下接成差动型：接成差动型：差差动动变变气气隙隙式式自自感感传传感感器器结结构构由由两两个个电电气气参参数数和和磁磁路路完完全全相相同同的的线线圈圈组组成成。当当衔衔铁铁移移动动时时，一一个个线线圈圈的的自自感感增增加加，另另一一个个线线圈圈的的自自感感减减少少，形形成成差差动动形形式式。如如将将这这两两个个差差动动线线圈圈分分别别接接入入测测量量电电桥桥邻邻臂臂，即即可可改改善善非非线线性性，提提高高灵灵敏敏度度，同同时时可可以以减减小小或或消消除除由由于于温温度度变变化化、电电源源波波动动、外外界界干干扰等因素引起的测量误差扰

6、等因素引起的测量误差。1.自感自感传感器感器差差动动气气隙隙式式传传感感器器工工作作行行程程很很小小,若若取取02mm,则则行行程程为为(0.20.5)mm；较较大大行行程程的的位位移移测测量量,常常利利用用螺螺管管式式自自感感传传感器感器8华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院根据结构形式，自感传感器可分为：气隙型、螺线管根据结构形式，自感传感器可分为：气隙型、螺线管1.自感自感传感器感器rx铁心单线圈螺管型传感器结构图l可可以以看看出出，插插入入铁铁芯芯后后，线线圈圈电电感感的的相相对对增增量量均均与与铁铁芯芯的的插插入入深深度度 X 成成正正比比。如如果果螺螺管管内内磁磁场场强强度度均

7、均匀匀分分布布的的范范围围大大，就就可可以以获获得得较较大大的的线线性性位位移移传传感感器器。从从理理论论上上，线线性性范范围围可可以以做做的的很很大大，但但因因实实际际制制作作的的限限制制，目目前前已已设设计计出出了了大大于于30cm的线性位移传感器。的线性位移传感器。为了提高灵敏度和线性度，常采用差动螺管式电感传感器。为了提高灵敏度和线性度，常采用差动螺管式电感传感器。9华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院2lclc2l线圈线圈rx1.自感自感传感器感器差差动动式式螺螺管管式式传传感感器器是是一一种种开开磁磁路路的的电电感感传传感感器器，磁磁路路中中相相当当部部分分是是空空气气，无无明

8、明显显的的边边界界，因因此此分分析析复复杂杂。主主要要特特点点是是可可构构成成较较长长的的线线性性区区，用用于于测测量大线位移。量大线位移。缺点缺点是灵敏度比变气隙传感器低，体积较大。是灵敏度比变气隙传感器低，体积较大。10华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院1.自感自感传感器感器11华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院 2.2.互感式传感器互感式传感器（差动变压器式传感器）（差动变压器式传感器）2.互感互感传感器感器12华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院这种传感器的两个次级线圈接这种传感器的两个次级线圈接成差动式输出，称为差动变压成差动式输出，称为差动变压器式传感器。器式传感器

9、。2.互感互感传感器感器差动变压器式传感器差动变压器式传感器1 初级线圈;2.3次级线圈;4衔铁4123螺管型差动变压器分气隙型和螺管型两种。目前多采用螺管型差动变压器。差动变压器分气隙型和螺管型两种。目前多采用螺管型差动变压器。其基本元件有其基本元件有衔铁衔铁、初级线初级线圈圈、次级线圈次级线圈和和线圈框架线圈框架等。等。初级线圈初级线圈作为差动变压器激作为差动变压器激励用，相当于变压器的原边，励用，相当于变压器的原边，而而次级线圈次级线圈由结构尺寸和参由结构尺寸和参数相同的两个线圈数相同的两个线圈反相串接反相串接而成，相当于变压器的副边。而成，相当于变压器的副边。13华南农业大学工程学院华

10、南农业大学工程学院差差动动变变压压器器的的输输出出电电压压为为交交流流，它它与与衔衔铁铁位位移移成成正正比比。用用交交流流电电压压表表测测量其输出值只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的方向。量其输出值只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的方向。2.互感互感传感器感器初级线圈加入交流电压时，两次级线圈中分别产生感应电流初级线圈加入交流电压时，两次级线圈中分别产生感应电流e1、e214华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院同同时时由由于于两两个个次次级级线线圈圈结结构构不不对对称称，以以及及初初级级线线圈圈铜铜损损电电阻阻、铁铁磁磁材材料料不不均均匀匀、线线圈圈间间分分布布电电容容等等原原因因

11、，会会造造成成交交流流电电压压输输出出存存在在一一定定的的零零点点残余电压。即当衔铁处于中间位置时，输出电压不为零。残余电压。即当衔铁处于中间位置时，输出电压不为零。因因此此为为补补偿偿零零点点残残余余电电压压，同同时时使使输输出出值值能能反反映映铁铁芯芯位位移移的的方方向向，常常采采用差动相敏检波电路。用差动相敏检波电路。差差动动变变压压器器式式传传感感器器具具有有测测量量范范围围宽宽（100um 250um）、线线性性度度好好（线线性性度度误差在误差在0.1%0.25%之间之间）、分辨力高（）、分辨力高（um）、灵敏度高等优点。）、灵敏度高等优点。将将压压力力、重重量量等等物物理理量量转转

12、换换成成位位移移的的变变化化，则则该该传传感感器器可可用用于于测测量量压压力力、重量等物理量。重量等物理量。2.互感互感传感器感器15华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院何谓涡流？何谓涡流？在许多电工设备中都存在大块导体在许多电工设备中都存在大块导体(如发电机和变压器的铁心和端盖等如发电机和变压器的铁心和端盖等)。当这些大块导体处在变化的磁场中时，其内部都会感应出电流。当这些大块导体处在变化的磁场中时，其内部都会感应出电流。这些电这些电流的特点是：在大块导体内部自成闭合回路，呈旋涡状流动流的特点是：在大块导体内部自成闭合回路，呈旋涡状流动。因此，称。因此，称之为涡旋电流，简称之为涡旋电流，

13、简称涡流涡流。例如，含有圆柱导体芯的螺管线圈中通有交。例如，含有圆柱导体芯的螺管线圈中通有交变电流时，圆柱导体芯中出现的感应电流或涡流，如图所示。变电流时，圆柱导体芯中出现的感应电流或涡流，如图所示。该涡流又将产生一个反作用与线圈的交变磁场，从而使线圈的阻抗发生该涡流又将产生一个反作用与线圈的交变磁场，从而使线圈的阻抗发生变化，这种现象称为变化，这种现象称为涡流效应涡流效应。3.3.电涡流传感器电涡流传感器电涡流传感器利用涡流效应将被测机械量的电涡流传感器利用涡流效应将被测机械量的变化转换成线圈阻抗的变化，从而进行位移、变化转换成线圈阻抗的变化，从而进行位移、厚度、转速等参数的测量。厚度、转速

14、等参数的测量。16华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院交变电流频率越高，涡流的集肤效应越显著，即涡流穿透深度越小，其穿交变电流频率越高，涡流的集肤效应越显著，即涡流穿透深度越小，其穿透深度透深度 ：可见，涡流穿透深度与激励电流频率有关，所以根据激励频率高低，涡可见，涡流穿透深度与激励电流频率有关，所以根据激励频率高低，涡流传感器可分为：流传感器可分为：高频反射式和低频透射式两大类高频反射式和低频透射式两大类。前者用于非接触式前者用于非接触式位移变量的检测，后者仅用于金属板厚度的测量。位移变量的检测，后者仅用于金属板厚度的测量。由于结构简单、灵敏度高、频响范围宽、不受油污等介质的影响，并能由

15、于结构简单、灵敏度高、频响范围宽、不受油污等介质的影响，并能进行非接触测量，适用范围广。用来测量位移、厚度、转速、等参数，进行非接触测量，适用范围广。用来测量位移、厚度、转速、等参数，以及用于无损探伤领域。以及用于无损探伤领域。由于目前高频反射式电涡流传感器应用广泛，因此本节主要介绍高频反由于目前高频反射式电涡流传感器应用广泛，因此本节主要介绍高频反射式电涡流传感器。射式电涡流传感器。17华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院1i12i218华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院即，线圈阻抗即，线圈阻抗 是这些参数是这些参数的函数，可写成的函数，可写成1i12i219华南农业大学工程学院华

16、南农业大学工程学院若能控制其中大部分参数恒定不变，只改变其中一个参数，这样阻抗就能成为这个参数的单值函数。涡流式传感器的特点是结构简单，易于进行非接触的连续测量，灵敏度涡流式传感器的特点是结构简单，易于进行非接触的连续测量，灵敏度较高，适用性强，因此得到了广泛的应用。较高，适用性强，因此得到了广泛的应用。利用变换量利用变换量 、等的综合影响，可以做成探伤装置等。等的综合影响，可以做成探伤装置等。其应用大致有下列四个方面：其应用大致有下列四个方面：利用位移利用位移 作为变化量，可以测被测量位移、厚度、振动、转速等传作为变化量，可以测被测量位移、厚度、振动、转速等传感器，也可做成接近开关、计数器等

17、；感器，也可做成接近开关、计数器等；利用材料电阻率利用材料电阻率 作为变换量，可以做成温度测量、材质判别等传感作为变换量，可以做成温度测量、材质判别等传感器器利用磁导率利用磁导率 作为变换量，可以做成测量应力、硬度等传感器；作为变换量，可以做成测量应力、硬度等传感器；20华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院非非接接触触电电涡涡流流式式位位移移、振振动动传传感感器器，具具有有非非接接触触测测量量、线线性性范范围围较较宽宽，灵灵敏敏度度高高、抗抗扰扰动动能能力力强强、无无介介质质影影响响、稳稳定定可可靠靠、易易于于处处理理等等优优点点。广广泛泛应应用用于于冶冶金金、化化工工。航航天天等等行行业

18、业中中，进进行行位位移移、振振动动、转转速速、厚厚度度、表表面面不不平平度度等等机机械械量的检测。量的检测。21华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院大直径电涡流探雷器大直径电涡流探雷器 22华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院涡流振动测量涡流转速测量23华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院4.4.压磁式传感器压磁式传感器利用铁磁材料的利用铁磁材料的压磁效应压磁效应将被测力引起的磁导率的变化转换将被测力引起的磁导率的变化转换为电信号。为电信号。压磁效应压磁效应:某些铁磁物质在外界机械力的作用下，其内部产生机械应力，使磁化强度矢量重新取向从而改变应力方向的磁导率的现象称为压磁效应。其一

19、般规律是：当某些材料受拉时，在受力方向上磁导率增高，而在与作用力相垂直的方向上磁导率降低，受压力时与之相反。24华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院铁磁材料的相对导磁率变化与应力之间的关系为 式中 铁磁材料的磁导率；BS饱和磁感应强度。s材料的饱和伸缩比从上式可知，用于压磁式传感器的铁磁材料要求能承受大的应力、磁导率高、饱和磁感应强度小。常用的材料是硅钢片与铁镍软磁合金，由于后者价贵且性能不够稳定，目前大都采用硅钢片。25华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院压磁式传感器的工作原理压磁式传感器的工作原理压磁式测力传感器的压磁元件由硅钢片粘叠而成。硅钢片上冲有四个对称的孔。孔1、2间绕有激

20、磁绕组W12，孔3、4间绕有测量绕组W34。当激磁绕组W12通过一定的交变电流时，铁心中就产生磁场，此时由于磁通不与测量线圈交链，因此不会产生感应电势。当有外力作用时，由于各向磁导率的变化，受压方向磁导率下降，磁阻增大，磁场分布呈椭圆形，且一部分通过了测量线圈，如图（c）所示，压力越大，通过测量线圈的磁通越多，因此测量线圈输出的感应电势将随压力的变化而变化。26华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院由压磁元件1、弹性支架2、传力钢球3组成。压磁式传感器结构 压磁式传感器具有输出功率大、抗干扰能力强、过载性能好、结构和电压磁式传感器具有输出功率大、抗干扰能力强、过载性能好、结构和电路简单、能在

21、恶劣环境下工作、寿命长等一系列优点。目前，这种传感路简单、能在恶劣环境下工作、寿命长等一系列优点。目前，这种传感器已成功地用在冶金、矿山、造纸、印刷、运输等各个工业部门。例如器已成功地用在冶金、矿山、造纸、印刷、运输等各个工业部门。例如用来测量轧钢的轧制力、钢带的张力、纸张的张力，吊车提物的自动测用来测量轧钢的轧制力、钢带的张力、纸张的张力，吊车提物的自动测量、配料的称量、金属切削过程的切削力以及电梯安全保护等量、配料的称量、金属切削过程的切削力以及电梯安全保护等 27华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院28华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院利利用用涡涡电电流流传传感感器器测测量量物

22、物体体位位移移时时，如如果果被被测测物物体体是是塑塑料料材材料料，此此时时能能否否进进行行位位移移测测量量？为为了了能能对对物物体进行位移测量应采取什么措施。体进行位移测量应采取什么措施。思思 考考29华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院30华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院作作 业业31华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院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、高效的的 电磁炉电磁炉32华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院电磁炉内部的励磁线圈电磁炉内部的励磁线圈33华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院电磁炉的工

23、作原理电磁炉的工作原理 高频电流高频电流通过励磁线圈，通过励磁线圈，产生交变磁场，产生交变磁场，在铁质锅底会在铁质锅底会产生无数的电产生无数的电涡流，使锅底涡流，使锅底自行发热，烧自行发热，烧开锅开锅 内内 的的 食食 物。物。34华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院35华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院Ri1e1R1R2e21e22C2C1er移相器D1D4D3D2CDABi3i2i4e相敏检波电路相敏检波电路图图中中调调制制电电压压er和和e同同频频，经经过过移移相相器器使使er和和e保保持持同同相相或或反反相相，且且满满足足ere。调节电位器调节电位器R可调平衡，图中电阻可调平衡，图中电阻R1=R2=R0，电容，电容C1=C2=C0，输出电压为，输出电压为UCD。当当铁铁芯芯下下移移时时，e和和er相相位位相相反反。同同理理可可得得UCDe，故故 er 正正半半周周时时D1、D2仍仍导导通通，但但D1回回路路内内总总电电势势为为er(1/2)e，而而D2回回路路内内总总电电势势为为er(1/2)e，故故回回路路电电流流 i1i2 输输出出电电压压 UCD=R0（i1i2）0。当当er负负半半周周时时，UCD=R0(i4-i3)0，因此因此铁芯上移时输出电压铁芯上移时输出电压UCD0。由此可见，该电路能由此可见，该电路能判别铁芯移动的方向。判别铁芯移动的方向。36