第六章电感式传感器资料.ppt

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1、 第第6 6章章 电感式传感器电感式传感器 6.1 6.1 电感式传感器电感式传感器 6.1.1 6.1.1 电感传感器的工作原理和等效电路电感传感器的工作原理和等效电路 6.1.2 6.1.2 电感式传感器的结构类型及特性电感式传感器的结构类型及特性 6.1.3 6.1.3 电感传感器的测量电路电感传感器的测量电路 6.2 6.2 差动变压器式电感传感器差动变压器式电感传感器 6.2.1 6.2.1 工作原理工作原理 6.2.2 6.2.2 差动变压器式传感器的特性差动变压器式传感器的特性 6.3 6.3 电涡流式传感器电涡流式传感器 6.3.1 6.3.1 电涡流式传感器的工作原理及特性电

2、涡流式传感器的工作原理及特性 6.3.2 6.3.2 电涡流式传感器结构型式及特点电涡流式传感器结构型式及特点 6.3.3 6.3.3 影响涡流传感器灵敏度的因素影响涡流传感器灵敏度的因素 6.3.4 6.3.4 测量电路测量电路 6.4 6.4 电感式传感器的应用电感式传感器的应用 6.4.1 6.4.1 电感传感器的应用电感传感器的应用 6.4.2 6.4.2 电涡流传感器的应用电涡流传感器的应用 电感式传感器电感式传感器是利用电磁感应原理，将被测的物理是利用电磁感应原理，将被测的物理量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈的自感系数量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈的自感系数L L或互

3、感系数或互感系数M M的变化，再由测量电路转换为电压或电流的的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出，实现由非电量到电量转换的装置。变化量输出，实现由非电量到电量转换的装置。自感式传感器自感式传感器（又称电感式传感器）即（又称电感式传感器）即将非电量转将非电量转换成自感系数变化的传感器换成自感系数变化的传感器。互感式传感器互感式传感器（又称差动变压器式传感器）即（又称差动变压器式传感器）即将非将非电量转换成互感系数变化的传感器电量转换成互感系数变化的传感器。本章主要介绍本章主要介绍自感式、互感式和涡流式自感式、互感式和涡流式三种传感器。三种传感器。X 自感式传感器原理图 6.1 6.1

4、 电感式传感器电感式传感器 6.1.1 6.1.1 电感传感器的工作原理和等效电路电感传感器的工作原理和等效电路 6.1 6.1 电感式传感器电感式传感器 6.1.1 6.1.1 电感传感器的工作原理和等效电路电感传感器的工作原理和等效电路 1工作原理工作原理 电电感感传传感器有感器有衔铁衔铁、铁铁芯和匝数芯和匝数为为W的的线线圈三部分构成。圈三部分构成。传传感器感器测测量量 物理量物理量时衔铁时衔铁的运的运动动部分部分产产生位移，生位移，导导致致线线圈的圈的电电感感值发值发生生变变化，根据定化，根据定 义义，线线圈的圈的电电感感为为 式中式中 RM磁阻，它包括磁阻，它包括铁铁芯磁阻和空气隙的

5、磁阻，即芯磁阻和空气隙的磁阻，即 铁铁磁材料各段的磁阻之和，当磁材料各段的磁阻之和，当铁铁芯一定芯一定时时，其，其值为值为一定；一定；li 各段各段铁铁芯芯长长度；度；m mi 各段各段铁铁芯的磁芯的磁导导率；率；Si 各段各段铁铁芯的截面芯的截面积积；Rd d -空气隙的磁阻，空气隙的磁阻，Rd d=2=2d d/m m0 0S。X 即可得电感为即可得电感为 因为铁磁材料其磁阻与空气隙磁阻相比较小，计算时可忽略因为铁磁材料其磁阻与空气隙磁阻相比较小，计算时可忽略不计，这时有不计，这时有:由上式可知，当线圈及铁芯一定时，由上式可知，当线圈及铁芯一定时，W W为常数，如果改变为常数，如果改变d

6、d 或或S S时，时，L L值就会引起相应的变化。电感传感器就是利用这一原理做值就会引起相应的变化。电感传感器就是利用这一原理做成的。最常用的是变气隙长度成的。最常用的是变气隙长度d d 的电感传感器。由于改变的电感传感器。由于改变d d 和和S S都是使气隙磁阻变化，从而使电感发生变化，所以这种传感器也都是使气隙磁阻变化，从而使电感发生变化，所以这种传感器也叫变磁阻式传感器。叫变磁阻式传感器。X X 2 2、等效电路、等效电路 电感传感器是一个带铁芯的可变电感，由于线圈的铜耗、铁芯的涡电感传感器是一个带铁芯的可变电感，由于线圈的铜耗、铁芯的涡流损耗、磁滞损耗以及分布电容的影响，它并非呈现纯电

7、感。等效电路流损耗、磁滞损耗以及分布电容的影响，它并非呈现纯电感。等效电路如图所示，其中如图所示，其中L L为电感，为电感，R Rc c为铜损电阻，为铜损电阻，R Re e电涡流损耗电阻，磁滞损耗电涡流损耗电阻，磁滞损耗电阻电阻R Rh h，C C为传感器等效电路的等效电容。等效电容为传感器等效电路的等效电容。等效电容C C主要是由线圈绕组主要是由线圈绕组的固有电容和电缆分布电容引起。电缆长度的变化，将引起的固有电容和电缆分布电容引起。电缆长度的变化，将引起C C的变化。当的变化。当电感传感器确定后，这些参数即为已知量。电感传感器确定后，这些参数即为已知量。X 自感式传感器等效电路自感式传感器

8、等效电路 *这里需要注意的是传感器等效电路的等效电容这里需要注意的是传感器等效电路的等效电容C，它主要是由线圈绕组的分布电容和，它主要是由线圈绕组的分布电容和电缆电容引起。电缆长度的变化，将引起电缆电容引起。电缆长度的变化，将引起C的变化的变化。X 忽略分布电容且不考虑各种损耗时，电感传感器阻抗为忽略分布电容且不考虑各种损耗时，电感传感器阻抗为:当考虑并联分布电容时，阻抗为当考虑并联分布电容时，阻抗为Z Zs sX Q Q品质因数，品质因数，Q Q=wL/RwL/R。当电感传感器当电感传感器 Q Q值高时，即值高时，即1/1/Q Q2 21 1，则上式可变为：，则上式可变为：考虑分布电容时，电

9、感传感器的有效串联电阻和有效电感都增加了，考虑分布电容时，电感传感器的有效串联电阻和有效电感都增加了，而线圈的有效品质因数却减小。而线圈的有效品质因数却减小。电感传感器有效灵敏度为：电感传感器有效灵敏度为：考虑分布电容后，电感传感器的灵敏度增加了。因此，必须根据测试考虑分布电容后，电感传感器的灵敏度增加了。因此，必须根据测试 时所用电缆长度对传感器进行标定，或者相应调整并联电容。时所用电缆长度对传感器进行标定，或者相应调整并联电容。X 6.1.2 6.1.2 自感式传感器的结构类型及特性自感式传感器的结构类型及特性 常见的自感式传感器有常见的自感式传感器有变间隙式、变面积式和螺线管式变间隙式、

10、变面积式和螺线管式三类。三类。1 1、变间隙式电感传感器、变间隙式电感传感器 X 若使得若使得衔铁衔铁向上移向上移动动取取为为-D Ddd，得此，得此时电时电感感为为：则电感增量为：则电感增量为：线圈电感的相对变化量为：线圈电感的相对变化量为：若若D Dd dd d0l，则则可得可得X 同理可得当同理可得当衔铁衔铁向下移向下移动时动时的的D D LL0为为 由上式可由上式可见见，线线圈圈电电感与气隙感与气隙长长度的关系度的关系为为非非线线性关系，非性关系，非线线性度随气隙性度随气隙变变化量的增大而增大，只有当化量的增大而增大，只有当d d很小很小时时，忽略高次，忽略高次项项的的存在，可得近似的

11、存在，可得近似的线线性关系（性关系（这这里未考里未考虑虑漏磁的影响）。所以，漏磁的影响）。所以，单边单边变间变间隙式隙式电电感感传传感器存在感器存在线线性度要求与性度要求与测测量范量范围围要求的矛盾要求的矛盾。电电感感L与气隙与气隙长长度度d d的关系如的关系如图图所示。它是一条双曲所示。它是一条双曲线线，所以非，所以非线线性是性是较严较严重的。重的。为为了得到一定的了得到一定的线线性度，一般取性度，一般取D Dd d/d d0=0.10.2。X 差差动动式式变间变间隙隙电电感感传传感器，要求上、下两感器，要求上、下两铁铁芯和芯和线线圈的几何尺寸与圈的几何尺寸与电电气参数完全气参数完全对对称，

12、当称，当衔铁衔铁偏离偏离对对称位置移称位置移动时动时，使一，使一边间边间隙增大，而隙增大，而另一另一边边减小，两个减小，两个线线圈圈电电感的感的总变总变化量化量为为 忽略高次忽略高次项项，其，其电电感的感的变变化量化量为为 可可见见，差，差动动式的灵敏度比式的灵敏度比单边单边式的增加了近一倍，而且差式的增加了近一倍，而且差动动式的式的（D D L1+D D L2）L0式中不包含（式中不包含（D Dd dd d0）的偶次）的偶次项项，所以在相同的（，所以在相同的（D D d dd d0）下，其非）下，其非线线性性误误差比差比单边单边的要小得多。所以，的要小得多。所以，实实用中用中经经常采用差常采

13、用差动动式式结结构。差构。差动变间动变间隙隙电电感感传传感器的感器的线线性工作范性工作范围围一般取一般取D Dd dd d0=0.30.4。X 2 2、变面积式电感传感器、变面积式电感传感器 对单边式结构，在起始状态时，铁芯与衔铁在气隙处正对着，其对单边式结构，在起始状态时，铁芯与衔铁在气隙处正对着，其截面积为截面积为S S00=abab。当衔铁随被测量上、下移动时，。当衔铁随被测量上、下移动时，X 则线圈电感则线圈电感L L为为:线圈电感线圈电感L L与面积与面积S S（或（或x x）呈线性关系，其灵敏度）呈线性关系，其灵敏度k k为一常数，即为一常数，即 正确正确选择线选择线圈匝数、圈匝数

14、、铁铁芯尺寸，可提高灵敏度，但是采用芯尺寸，可提高灵敏度，但是采用图图（b b）差差动动式式结结构更好。构更好。X 3 3、螺线管式、螺线管式 螺线管式电感传感器如图所示。它由螺线管式电感传感器如图所示。它由螺线管形线圈、磁性材料制成的柱形铁芯螺线管形线圈、磁性材料制成的柱形铁芯和外套组成。螺管式电感传感器建立在磁和外套组成。螺管式电感传感器建立在磁路磁阻随着衔铁长度不同而变化的基础上。路磁阻随着衔铁长度不同而变化的基础上。设线圈长度和平均半径分别为设线圈长度和平均半径分别为l l和和r r，铁芯，铁芯进入线圈的长度和铁芯半径分别为进入线圈的长度和铁芯半径分别为x x和和r ra a，铁芯有效

15、磁导率为铁芯有效磁导率为0 0 。X 线圈的电感量线圈的电感量L L为为 L L与与x x呈线性关系，其灵敏度呈线性关系，其灵敏度K K为为 实际实际上，由于漏磁因素等的影响，管内磁上，由于漏磁因素等的影响，管内磁场场强强度度B B的分布并非完的分布并非完全均匀，故特性具有非全均匀，故特性具有非线线性。但是，在性。但是，在铁铁芯移芯移动动范范围围内，能内，能够寻够寻找一找一段非段非线线性性误误差差较较小的区域或者采用差小的区域或者采用差动动式式结结构，如构，如图图（b b）所示，）所示，则则可得到可得到较较理想的改善。理想的改善。X 在差动式结构中，由于两线圈部分完全对称，故当铁芯处于中央对在

16、差动式结构中，由于两线圈部分完全对称，故当铁芯处于中央对称位置时，两线圈电感相等，即称位置时，两线圈电感相等，即X 6.1.3 6.1.3 电感传感器的测量电路电感传感器的测量电路 电感传感器最常用的测量电路是交流电桥式测量电路，它有三种基电感传感器最常用的测量电路是交流电桥式测量电路，它有三种基本形式，即电阻平衡臂电桥、变压器电桥、紧耦合电感比例臂电桥。本形式，即电阻平衡臂电桥、变压器电桥、紧耦合电感比例臂电桥。X 1电电阻平衡臂阻平衡臂电桥电桥 图图（a）所示是差）所示是差动电动电感感传传感器所用的感器所用的电电阻平衡臂阻平衡臂电桥电桥，它把，它把传传感感器的两个器的两个线线圈作圈作为电桥

17、为电桥的两个的两个桥桥臂臂Z1和和Z2，另两个相，另两个相邻邻的的桥桥臂用臂用纯电纯电阻阻R代替，代替，对对于高于高Q值值的差的差动电动电感感传传感器，其感器，其输输出出为为 电桥输电桥输出出电压电压与与D Ddd有关，相位与有关，相位与衔铁衔铁的移的移动动方向有关。方向有关。X 2 2、变压器式电桥电路、变压器式电桥电路 相邻两工作臂为相邻两工作臂为Z Z1 1、Z Z2 2，是差动电感传感器的两个线圈的阻抗。另，是差动电感传感器的两个线圈的阻抗。另两臂为变压器次级线圈的两半，输出电压取自两臂为变压器次级线圈的两半，输出电压取自A A、B B两点。且传感器线圈两点。且传感器线圈为高为高 Q

18、Q值，那么我们就可以推导其输出特性公式为值，那么我们就可以推导其输出特性公式为X 当衔铁上移时当衔铁上移时 因为在因为在Q值很高时，线圈内阻可以忽略，所以值很高时，线圈内阻可以忽略，所以 同理可推出同理可推出 由式可由式可见见，衔铁衔铁上移和下移上移和下移时时，输输出出电压电压相位相反，且随相位相反，且随D Ddd 的的变变化化输输出出电压电压也相也相应应地改地改变变。X 3 3、紧耦合电感比例臂电桥、紧耦合电感比例臂电桥（详见教科书（详见教科书）紧耦合电感比例臂电桥常用于差动式电感或电容传感器，它由以紧耦合电感比例臂电桥常用于差动式电感或电容传感器，它由以差动形式工作的传感器的两个阻抗作电桥

19、的工作臂，而紧耦合的两个差动形式工作的传感器的两个阻抗作电桥的工作臂，而紧耦合的两个电感作为固定臂电感作为固定臂，组成电桥电路。紧耦合电感及其组成电桥电路。紧耦合电感及其T T型等效变换如图型等效变换如图所示。所示。X 6.2 6.2 差动变压器式电感传感器差动变压器式电感传感器 差动变压器式电感传感器：是把被测量变换转换为线圈互感变化来检测的传感器，即:互感系数M 差动变压器本身是一个差动变压器本身是一个变压器变压器，初级线圈输入，初级线圈输入交流电压，次级线圈感应出电信号，当互感受外界影交流电压，次级线圈感应出电信号，当互感受外界影响变化时，其感应电压也随之起相应的变化。响变化时，其感应电

20、压也随之起相应的变化。由于由于变压器变压器的次级线圈接成的次级线圈接成差动差动的形式，故称为差的形式，故称为差动变压器。动变压器。X (e)(e)、(f)(f)变面积式差动变压器变面积式差动变压器(a)(a)、(b)(b)变隙式差动变压器变隙式差动变压器(c)(c)、(d)(d)螺线管式差动变压器螺线管式差动变压器X 6.2.1 6.2.1 工作原理工作原理 差动变压器，有两个铁芯，上下两只铁芯上均有一个初级线圈差动变压器，有两个铁芯，上下两只铁芯上均有一个初级线圈W W1 1（也称励磁线圈）和一个次级线圈（也称励磁线圈）和一个次级线圈W W2 2（也叫输出线圈）。上下两个初级（也叫输出线圈）

21、。上下两个初级线圈串联后接交流励磁电源电压线圈串联后接交流励磁电源电压U Usrsr，两个次级线圈则，两个次级线圈则按电势反相串联按电势反相串联。X 6.2.2 6.2.2 差动变压器式传感器的特性差动变压器式传感器的特性 U Usrsr 初级线圈激励电压；初级线圈激励电压；L L1 1、R R1 1 初级线圈电感和电阻；初级线圈电感和电阻；M M1 1、M M2 2 分别为初级与次级线圈分别为初级与次级线圈 l l、2 2间的互感；间的互感；L L2121、L L22 22 两个次级线圈的电感；两个次级线圈的电感；R R2121、R R22 22 两个次级线圈的电阻；两个次级线圈的电阻；初级

22、初级 次级线圈的匝数分别为次级线圈的匝数分别为 W W1 1、W W2 2，当有气隙时，当有气隙时，传感器的磁回路中的总磁阻传感器的磁回路中的总磁阻 近似值为近似值为R R X 在初始状态时，初级线圈电感为在初始状态时，初级线圈电感为 初始时，初级线圈的阻抗分别为初始时，初级线圈的阻抗分别为 此时初级线圈的电流为此时初级线圈的电流为 当有气隙变化当有气隙变化d d 时，两个初级线圈的电感值分别为时，两个初级线圈的电感值分别为 X 次级线圈的输出电压次级线圈的输出电压U USCSC为两个线圈感应电势之差为两个线圈感应电势之差而感应电势分别为而感应电势分别为式中式中M M1 1及及M M2 2为初

23、级与次级之间的互感系数，其值分别为为初级与次级之间的互感系数，其值分别为 得得 X 整理上式整理上式 当当w wR R 时：时：传感器的灵敏度：传感器的灵敏度：因此因此：差动变压器式传感器的特性是差动变压器式传感器的特性是线性的线性的；其灵敏度取决于：其灵敏度取决于：磁系统的结构参数磁系统的结构参数、初、次级线圈的匝初、次级线圈的匝数比、激磁电源电压的大小数比、激磁电源电压的大小。可以通过可以通过改变匝数比改变匝数比及及提高电源电压提高电源电压的办法来提高灵敏度。的办法来提高灵敏度。X 6.3 6.3 电涡流式传感器电涡流式传感器 电涡流传感器属电涡流传感器属主动测量技术主动测量技术，即：在测

24、试中，测量仪器主动发射能，即：在测试中，测量仪器主动发射能量，观察被测对象吸收（透射式）或反射能量，不需要被测对象主动作功。量，观察被测对象吸收（透射式）或反射能量，不需要被测对象主动作功。涡流传感器的测量属于涡流传感器的测量属于非接触测量非接触测量，特别是用于测量运动的物体。，特别是用于测量运动的物体。电涡流式传感器特点：电涡流式传感器特点：结构简单、体积小、频率响应宽、灵敏度高等特点，在测试技术中日结构简单、体积小、频率响应宽、灵敏度高等特点，在测试技术中日益得到重视和推广应用。益得到重视和推广应用。电涡流传感器的应用没有特定的目标电涡流传感器的应用没有特定的目标 ，一切与涡流有关的因素，

25、在，一切与涡流有关的因素，在原则上都可用于测量目的。原则上都可用于测量目的。X 6.3.1 6.3.1 电涡流式传感器的工作原理及特性电涡流式传感器的工作原理及特性 电感线圈产生的电感线圈产生的磁力线经过金属导体磁力线经过金属导体时，金属导体就会产生时，金属导体就会产生感应电感应电流流，该电流的流线呈闭合回线，类似水涡形状，故称之为，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。原理：原理：电涡流式传感器是以电涡流式传感器是以电涡流效应电涡流效应为基础，由一个线圈和与线圈为基础，由一个线圈和与线圈邻近的金属体组成。当线圈通入交变电流时，在线圈的周围产生一交变磁邻近的金属体组成。当

26、线圈通入交变电流时，在线圈的周围产生一交变磁场场H H1 1，处于该磁场中的金属体上产生感应电动势，并形成涡流。金属体上，处于该磁场中的金属体上产生感应电动势，并形成涡流。金属体上流动的电涡流也将产生相应的磁场流动的电涡流也将产生相应的磁场H H2 2。H H2 2与与H H1 1方向相反，对线圈磁场方向相反，对线圈磁场H H1 1起起抵消作用。从而引起抵消作用。从而引起线圈等效阻抗线圈等效阻抗 Z Z或或等效电感等效电感L L或或品质因数品质因数相应变化。相应变化。金属体上的电涡流越大，这些参数的变化亦越大。金属体上的电涡流越大，这些参数的变化亦越大。X R R1 1、L L1 1线圈原有的

27、电阻、电感（周围无金属体）；线圈原有的电阻、电感（周围无金属体）；R R2 2、L L2 2电涡流等效短路环的电阻和电感；电涡流等效短路环的电阻和电感；励磁电流的角频率；励磁电流的角频率；M M 线圈与金属体之间的互感系数；线圈与金属体之间的互感系数；电源电压。电源电压。X电涡流式传感器的工作原理及等效电路电涡流式传感器的工作原理及等效电路 根据其等效电路，列出电路方程根据其等效电路，列出电路方程 解方程组，其结果为解方程组，其结果为 X 结论：结论：Z Z、L L、M M均为互感的函数。均为互感的函数。对于已定的线对于已定的线 圈，圈，Z Z、L L 和和 Q Q 取决于：金属取决于：金属

28、体与线体与线 圈的相对圈的相对位置，金属体的材料、尺寸、形状等。位置，金属体的材料、尺寸、形状等。当一个参数随被测量而变化，其它参数不变时，采用电当一个参数随被测量而变化，其它参数不变时，采用电涡流式传感器，并配用相应的测量线路，可得到与该被测量相对涡流式传感器，并配用相应的测量线路，可得到与该被测量相对应的电信号（电压、电流或频率）输出。应的电信号（电压、电流或频率）输出。应用：应用：测量位移、金属体厚度、温度等参数，并可作探伤用。测量位移、金属体厚度、温度等参数，并可作探伤用。X 6.3.2 6.3.2 电涡流式传感器结构及特点电涡流式传感器结构及特点 1 1变间隙式变间隙式 变变间间隙隙

29、式式传传感感器器通通常常采采用用扁扁平平线线圈圈，金金属属体体与与线线圈圈平平面面平平行行放放置置，如图（如图（a a）所示。）所示。金金属属体体是是传传感感器器的的另另一一组组成成部部分分，它它的的物物理理性性质质、尺尺寸寸与与形形状状也与传感器特性密切相关。也与传感器特性密切相关。金金属属体体的的电电导导率率高高、磁磁导导率率低低者者，其其灵灵敏敏度度高高。同同时时，金金属属体体不不应过小、过薄，否则对测量结果均有影响。应过小、过薄，否则对测量结果均有影响。X 2 2变面积式变面积式 组成同变间隙式相似。组成同变间隙式相似。原原理理：是是利利用用金金属属体体与与传传感感器器线线圈圈之之间间

30、相相对对覆覆盖盖面面积积的的变变化化，引起涡流效应变化的原理工作的。引起涡流效应变化的原理工作的。优点：优点：其灵敏度和线性范围比变间隙式好。其灵敏度和线性范围比变间隙式好。为为了了减减小小轴轴向向间间隙隙的的影影响响，常常采采用用图图（b b）所所示示的的差差动动形形式式，将两线圈串联，以补偿轴向间隙变化的影响。将两线圈串联，以补偿轴向间隙变化的影响。6.3.2 6.3.2 电涡流式传感器结构及特点电涡流式传感器结构及特点 3 3螺线管式螺线管式 组组成成：由由绕绕在在同同一一骨骨架架上上的的两两个个线线圈圈 l l、2 2和和套套在在线线圈圈外外的的金金属属短短路套筒所组成，筒长约为线圈的

31、路套筒所组成，筒长约为线圈的6060。特点：特点：线性比较好，但灵敏度不太高。线性比较好，但灵敏度不太高。X 6.3.2 6.3.2 电涡流式传感器结构及特点电涡流式传感器结构及特点 4 4低低频频透射式透射式 励磁电压励磁电压U U1 1 施加于线圈施加于线圈L L1 1 的两端，在的两端，在L L2 2两端产生感应电动势两端产生感应电动势U U2 2。当当L L1 1与与L L2 2之间无金属体时，之间无金属体时，L L1 1产生的磁场产生的磁场全部贯穿全部贯穿L L2 2，U U2 2最大；当有金属体时，因涡最大；当有金属体时，因涡流形成的反磁场作用，流形成的反磁场作用，U U2 2将降

32、低。将降低。涡流越大，即金属导电性越好或金属板涡流越大，即金属导电性越好或金属板越厚，越厚，U U2 2将越小。将越小。当金属体材料一定时，当金属体材料一定时，U U2 2将与金属板厚度相对应。将与金属板厚度相对应。X 6.3.2 6.3.2 电涡流式传感器结构及特点电涡流式传感器结构及特点 注意：注意：电涡流传感器的线圈与被测金属体之间是电涡流传感器的线圈与被测金属体之间是磁性耦合磁性耦合的，利用的，利用耦耦合程度的变化作为测试值合程度的变化作为测试值。因此，传感器的线圈装置仅为因此，传感器的线圈装置仅为“实际测试传实际测试传感器的一半感器的一半”，另一半是被测体。，另一半是被测体。被测体的

33、被测体的物理性质、尺寸和形状物理性质、尺寸和形状都与测量装置的特性密切相关。都与测量装置的特性密切相关。在在电涡流式传感器的使用中，必须考虑电涡流式传感器的使用中，必须考虑。 6.3.3 6.3.3 影响涡流传感器灵敏度的因素影响涡流传感器灵敏度的因素 1 1被测体材料对测量影响被测体材料对测量影响 线线圈圈的的阻阻抗抗 Z Z与与材材料料电电阻阻率率r r、磁磁导导率率有有关关，它它们们将将影影响响电电涡涡流的贯穿深度，影响损耗功率，也就引起传感器灵敏度的变化。流的贯穿深度，影响损耗功率，也就引起传感器灵敏度的变化。2 2被测体大小和形状对测量的影响被测体大小和形状对测量的影响 被被测测物物

34、体体的的面面积积比比传传感感器器的的面面积积大大很很多多时时，灵灵敏敏度度不不发发生生变变化化；当当被被测测物物体体面面积积为为传传感感器器线线圈圈面面积积的的一一半半时时，其其灵灵敏敏度度减减少少一一半半；面面积积更更小时，灵敏度显著下降。小时，灵敏度显著下降。被被测测体体为为圆圆柱柱体体时时，它它的的直直径径D D必必须须为为线线圈圈直直径径d d的的3.53.5倍倍以以上上，才才不影响被测结果，在不影响被测结果，在D Dd d为为 l l时，灵敏度将降低为时，灵敏度将降低为7070左右。左右。被被测测体体的的厚厚度度也也不不能能太太薄薄。但但一一般般来来说说，只只要要有有0.2mm0.2

35、mm以以上上的的厚厚度度，测量不会受到影响（铜、铝箔等为测量不会受到影响（铜、铝箔等为0.07mm0.07mm以上）。以上）。3 3传感器形状和大小对传感器的灵敏度影响传感器形状和大小对传感器的灵敏度影响 传感器的主要构成是线圈，它的形状和尺寸关系到传感器的灵敏度传感器的主要构成是线圈，它的形状和尺寸关系到传感器的灵敏度和测量范围，而灵敏度和线性范围是与线圈产生的磁场分布有关。和测量范围，而灵敏度和线性范围是与线圈产生的磁场分布有关。X 单匝载流圆导线在轴上的磁感应强度单匝载流圆导线在轴上的磁感应强度，根据毕奥根据毕奥沙伐沙伐拉普拉斯拉普拉斯定律计算可得定律计算可得：由图由图：半径小的载流圆导

36、线，在靠近圆导线处产生的磁感应强度大；半径小的载流圆导线，在靠近圆导线处产生的磁感应强度大；而在远离圆导线处，则是半径大的磁感应强度大。而在远离圆导线处，则是半径大的磁感应强度大。这说明，线圈外径大的，线圈的磁场轴向分布大，测量范围大，线这说明，线圈外径大的，线圈的磁场轴向分布大，测量范围大，线性范围相应就大，但磁感应强度的变化梯度小，因此灵敏度就低；性范围相应就大，但磁感应强度的变化梯度小，因此灵敏度就低；X 6.3.4 6.3.4 测量电路测量电路 1.1.调频式电路调频式电路 传感器线圈接入传感器线圈接入LCLC振荡回路，当传感器与被测导体距离振荡回路，当传感器与被测导体距离x x改变时

37、，改变时，在涡流影响下，传感器的电感变化，导致振荡频率的变化。在涡流影响下，传感器的电感变化，导致振荡频率的变化。变化的频率是距离变化的频率是距离x x的函数的函数 ：f f=L L(x x)。频率可由数字频率计直接测量，或者通过频率可由数字频率计直接测量，或者通过f fV V变换，用数字电压表变换，用数字电压表测量对应的电压。测量对应的电压。X 2调调幅式幅式电电路路 传传感感器器线线圈圈L L和和电电容容器器C C并并联联组组成成谐谐振振回回路路，石石英英晶晶体体组组成成石石英英晶晶体体振振荡荡电电路路。石石英英晶晶体体振振荡荡器器是是一一个个恒恒流流源源，给给谐谐振振回回路路提提供供一一

38、个个频频率率（f f0 0）稳定的激励电流）稳定的激励电流I I0 0，LCLC回路输出电压为回路输出电压为 原原理理：当当金金属属导导体体远远离离或或被被去去掉掉时时，LCLC并并联联谐谐振振回回路路频频率率即即为为石石英英振振荡频率荡频率f f0 0，回路呈现的阻抗最大，谐振回路上的输出电压也最大；，回路呈现的阻抗最大，谐振回路上的输出电压也最大；当当金金属属导导体体靠靠近近传传感感器器线线圈圈时时，线线圈圈的的等等效效电电感感L 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 L的的数数值值随随距距离离x x的的变变化化而而变变化化，因因此此，输输出出电电压也

39、随压也随x x而变化。而变化。X 6.4 6.4 电感式传感器的应用电感式传感器的应用 6.4.1.6.4.1.电感传感器的应用电感传感器的应用 自感式、互感式传感器两者的工作原理虽不相同，但在自感式、互感式传感器两者的工作原理虽不相同，但在应用领域方面具有共同性。应用领域方面具有共同性。应用领域：用于测量位移、构件变形、液位，以及压力、力、应用领域：用于测量位移、构件变形、液位，以及压力、力、振动、加速度等物理量。振动、加速度等物理量。X X加速度测量应用加速度测量应用液位测量应用液位测量应用 如图所示为如图所示为测量液位的原理图测量液位的原理图图图中中衔铁衔铁随浮子运随浮子运动动反反应应出

40、液出液位的位的变变化，从而使差化，从而使差动变压动变压器有一相器有一相应应的的电压输电压输出。出。X 位移测量位移测量 电涡电涡流流传传感器可感器可测测量各种形状量各种形状试试件的位移件的位移值值，测测量范量范围为围为0 015mm15mm（分（分辨率辨率为为0.05mm0.05mm），或），或0 080mm80mm（分辨率（分辨率为为0.10.1）。）。凡是可凡是可变换变换成位移量的，都可用成位移量的，都可用电涡电涡流式流式传传感器来感器来测测量，量，如：汽如：汽轮轮机的机的轴轴向向窜动窜动、金属材料的、金属材料的热热膨膨胀胀系数、系数、钢钢水液位、水液位、纱线张纱线张力、流体力、流体压压力

41、等。力等。X 2.2.振幅测量：振幅测量：电涡流式传感器可测量各种振动幅值，为非接触式测量电涡流式传感器可测量各种振动幅值，为非接触式测量。X测量主轴的径向振动测量主轴的径向振动 3 3.转速测量转速测量 在一个旋在一个旋转转金属体上加一个有金属体上加一个有N N个个齿齿的的齿轮齿轮，旁，旁边边安装安装电涡电涡流流传传感器（如感器（如图图所示），当旋所示），当旋转转体体转动时转动时，电涡电涡流流传传感器将周期地改感器将周期地改变输变输出信号，出信号，该输该输出信号出信号频频率可由率可由频频率率计测计测出，由此可算出出，由此可算出转转速。速。X 4.4.电涡流探伤电涡流探伤 用来测试金属材料的表面裂纹、热处理裂痕、以及焊接部位的用来测试金属材料的表面裂纹、热处理裂痕、以及焊接部位的探伤等。探伤等。原理：原理：探伤时，传感器与被测物体距离保持不变。当有裂纹出探伤时，传感器与被测物体距离保持不变。当有裂纹出现时，金属导电率、导磁率将发生变化，即涡流损耗改变，从而使现时，金属导电率、导磁率将发生变化，即涡流损耗改变，从而使传感器阻抗发生变化，导致测量电路的输出电压改变，达到探伤目传感器阻抗发生变化，导致测量电路的输出电压改变，达到探伤目的。的。X