第-章电感式传感器讲解优秀文档.ppt

《第-章电感式传感器讲解优秀文档.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第-章电感式传感器讲解优秀文档.ppt（53页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第第3章章 电感式传感器电感式传感器 被测量被测量 自感自感L(互感互感M)UO（IO）电感式传感器的优缺点电感式传感器的优缺点优点：优点：具有结构简单，工作可靠；具有结构简单，工作可靠；测量精度高，零点稳定；测量精度高，零点稳定；灵敏、分辨率高（位移变化可达灵敏、分辨率高（位移变化可达 m)；输出功率较大等。输出功率较大等。缺点：缺点：灵敏度、线性度和测量范围相互制约灵敏度、线性度和测量范围相互制约,传感器自身频率响应传感器自身频率响应低低,不适用于快速动态测量。不适用于快速动态测量。这种传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制这种传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制,在工业

2、自动控制系统中被广泛采用。在工业自动控制系统中被广泛采用。电感式传感器的分类电感式传感器的分类电感式传感器电感式传感器 自感式传感器（电感式传感器）自感式传感器（电感式传感器）互感式传感器互感式传感器 差动变压器差动变压器 电涡流式传感器电涡流式传感器章节章节3.13.1 电感式传感器电感式传感器3.23.2 差动式变压器差动式变压器3.33.3 电涡流式传感器电涡流式传感器3.1 3.1 电感式传感器电感式传感器3.1.1 气隙型电感式传感器气隙型电感式传感器1.结构原理结构原理:如图如图3-1所示所示 它由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。当衔铁移动时，气它由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。当衔铁移

3、动时，气隙厚度隙厚度发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致线圈发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致线圈的电感值变化，即测出电感量的变化，就能确定衔铁位移的电感值变化，即测出电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。量的大小和方向。图图3-1 气隙型电感式传感器气隙型电感式传感器3.1.1 3.1.1 气隙型电感式传感器气隙型电感式传感器 电感量电感量L：由上式可得由上式可得(并考虑一般情况下，并考虑一般情况下，1=2=0）即：即：1、2铁芯、衔铁材料的导磁率；铁芯、衔铁材料的导磁率；l1、l2铁芯、衔铁磁路的长度；铁芯、衔铁磁路的长度；空气隙的总长度；空气隙的总长度；S1、S2铁芯、衔铁

4、的截面积；铁芯、衔铁的截面积；S气隙的截面积；气隙的截面积；0空气的导磁率，空气的导磁率，0=410 7H/m。气隙型电感式传感器气隙型电感式传感器.特性分析：特性分析：设磁路总长为设磁路总长为l,当当 1=2=r 0，S1=S2=S0=S时，并考时，并考虑虑 r 1这样这样式中，式中，r导磁材料的相对磁导率；导磁材料的相对磁导率；e传感器磁路等效相对磁导率；传感器磁路等效相对磁导率；K常数，常数，K=0W2S。3.1.1 3.1.1 气隙型电感式传感器气隙型电感式传感器 传感器工作时，若衔铁移动使气隙总长度减少传感器工作时，若衔铁移动使气隙总长度减少（）,则线圈电感增加则线圈电感增加 L1（

5、L L+L1），由上式得），由上式得:3.1.1 3.1.1 气隙型电感式传感器气隙型电感式传感器 因为：因为：同理，当气隙总长度增加同理，当气隙总长度增加（+），则线圈电感减），则线圈电感减小小 L2（L LL2）3.1.1 3.1.1 气隙型电感式传感器气隙型电感式传感器略去非线性项，则电感变化略去非线性项，则电感变化灵敏度灵敏度为：为：若只考虑一次非线性项时，其若只考虑一次非线性项时，其线性度线性度为：为：3.1.1 3.1.1 气隙型电感式传感器气隙型电感式传感器单线圈变气隙电感传感器特性如图，可以看出：单线圈变气隙电感传感器特性如图，可以看出：当气隙当气隙 变化时，电感的变化与气隙变

6、化呈非线性关系，变化时，电感的变化与气隙变化呈非线性关系，非线性程度随气隙相对变化非线性程度随气隙相对变化/的的增大而增大；增大而增大；气隙减少气隙减少所引起的电感变化所引起的电感变化 L1与增加相同与增加相同所引起的电感变所引起的电感变化化 L2并不相等，并不相等，L1L2，其差，其差值随值随/的增加而增大。的增加而增大。L 特性特性 3.1.1 3.1.1 气隙型电感式传感器气隙型电感式传感器 差动式结构差动式结构差动式结构差动式结构：为了改善电感式传感器的灵敏度和线为了改善电感式传感器的灵敏度和线性度，常采用下图所示的差动结构。性度，常采用下图所示的差动结构。差动变隙式电感传感器及其特性

7、差动变隙式电感传感器及其特性3.1.1 3.1.1 气隙型电感式传感器气隙型电感式传感器当气隙改变当气隙改变 时，其电感相对变化为：时，其电感相对变化为：其电感其电感灵敏度灵敏度为：为：其其线性度线性度为：为：由上两式得出：由上两式得出：差动式电感传感器的灵敏度比单线圈电感传感器提高一倍；差动式电感传感器的灵敏度比单线圈电感传感器提高一倍；差动式电感传感器的线性失真小差动式电感传感器的线性失真小。.螺管式电感传感器螺管式电感传感器 （a a）单线圈）单线圈 （b b）差动式）差动式电感线圈的等效电路电感线圈的等效电路电感线圈的电感线圈的等效电路等效电路（如图）（如图）式中，式中，Rc为铜耗电阻

8、；为铜耗电阻；Re为涡流损耗电阻；为涡流损耗电阻；Rh为磁滞损耗为磁滞损耗电阻；电阻；C为线圈的匝间电容和分布电容。为线圈的匝间电容和分布电容。测量电路测量电路 交流电桥电路如下图所示。交流电桥电路如下图所示。其输出电压可以表示为其输出电压可以表示为:当电桥平衡时，即当电桥平衡时，即Z1Z4=Z2Z3，电桥的输出为零。若桥臂的，电桥的输出为零。若桥臂的阻抗相对变化阻抗相对变化 ZiZ i（i=1,2,3,4），且负载阻抗），且负载阻抗ZL为无穷大为无穷大（一般情况下成立）时，交流电桥输出电压可近似表示为（一般情况下成立）时，交流电桥输出电压可近似表示为:电桥的输出特性电桥的输出特性1单臂工作单

9、臂工作 设工作臂为设工作臂为Z1，变化量为，变化量为 Z1，且，且 Z1Z1，负载阻抗，负载阻抗ZL为为无穷大，则电桥输出电压简化为无穷大，则电桥输出电压简化为:式式中中，Z1=Z1/Z1为为桥桥臂臂的的阻阻抗抗Z1相相对对变变化化；m=Z2/Z1=Z4/Z3为电桥同一支路桥臂阻抗比。为电桥同一支路桥臂阻抗比。电桥的输出特性电桥的输出特性（1）桥臂阻抗相对变化）桥臂阻抗相对变化 Z1对输出对输出Uo的影响的影响 电桥用于测量纯电阻变化，则电桥用于测量纯电阻变化，则 Z1=R1，故，故 电桥用于测量纯电抗变化，则电桥用于测量纯电抗变化，则 Z1=X1，则，则 式中，式中，X1=X1/X1电抗电抗

10、X1的相对变化。的相对变化。由此可见，由此可见，Z1不仅正比于不仅正比于 R1或或 X1，而且还与桥臂阻抗的相角，而且还与桥臂阻抗的相角 1有有关。在纯电阻变化时，要求关。在纯电阻变化时，要求 1=0，桥臂阻抗为纯电阻；在纯电抗变化，桥臂阻抗为纯电阻；在纯电抗变化时，要求时，要求 1=/2，桥臂阻抗为纯电抗。传感器阻抗为纯电阻（电阻式传，桥臂阻抗为纯电抗。传感器阻抗为纯电阻（电阻式传感器）或纯电抗（电感式传感器或电容式传感器）时，电桥的输出最大感器）或纯电抗（电感式传感器或电容式传感器）时，电桥的输出最大电桥的输出特性电桥的输出特性（2）电桥阻抗比）电桥阻抗比m对输出对输出Uo的影响的影响 要

11、使输出要使输出Uo为最大，则另一个要求是使为最大，则另一个要求是使m/(1+m)2=K有极大值有极大值 由由:得得:式中式中 ，a=1（桥臂阻抗模相等）时，（桥臂阻抗模相等）时，K 有极有极大值，大值，1/(2+2cos）增大相角差增大相角差 =21，可以进一步提高电桥输出灵敏度。，可以进一步提高电桥输出灵敏度。=0时，时，K=1/4；=/2时，时，K=1/2，且，且 与与 同位相。同位相。电桥的输出特性电桥的输出特性2 2双臂工作（差动形式）双臂工作（差动形式）传感器接成差动形式，可以提高灵敏度和改善线性度。差动传感器接成差动形式，可以提高灵敏度和改善线性度。差动结构传感器接成差动交流电桥电

12、路如图所示：结构传感器接成差动交流电桥电路如图所示：(a)(a)电阻平衡臂电桥；电阻平衡臂电桥；(b)(b)变压器电桥；变压器电桥；电桥的输出特性电桥的输出特性（1）电阻平衡臂电桥）电阻平衡臂电桥(如图如图)Z1、Z2为差动工作臂，为差动工作臂，R1、R2为电阻平衡臂，为电阻平衡臂，R1=R2=R；Z1=Z2=Z=Rs+j L。差动工作时，。差动工作时，若若Z1=ZZ，则，则Z2=Z+Z，当，当ZL时，有时，有:电桥的输出特性电桥的输出特性 经变换和整理后可写成：经变换和整理后可写成：式中，式中，电感线圈的品质因数。电感线圈的品质因数。由上式可以看出：由上式可以看出：桥路输出电压包含着与电源同

13、相和正交两个分量，在实际桥路输出电压包含着与电源同相和正交两个分量，在实际测量中，我们希望只有同相分量。从式中看出，如能使测量中，我们希望只有同相分量。从式中看出，如能使 L/L=RS/RS，或，或Q值比较大，均能达此目的。但实际工作值比较大，均能达此目的。但实际工作时，由于时，由于 RS/RS一般均很小，一般均很小，L/LRS/RS，所以要求线圈，所以要求线圈的品质因数高。的品质因数高。（1）电阻平衡臂电桥(如图)电感式传感器设计时应考虑给定的技术指标，如量感器）或纯电抗（电感式传感器或电容式传感器）时，电桥的输出最大变了桥臂上R1和R2的并联容抗值，使它与L1和L2相平衡。由此可见，Z1不

14、仅正比于R1或X1，而且还与桥臂阻抗的相角1有凡是可变换成位移量的参数，都可以用电涡流式传感器来测量（一般情况下成立）时，交流电桥输出电压可近似表示为:第二项与电涡流效应有关，电涡流产生一与原磁场方向相反的磁场并由此减小线圈电感，线圈与导体间距离越小(M越大)，越大，电感量的减小程度越大，故从总的结果来看LSL1；m=Z2/Z1=Z4/Z3为电桥同一支路桥臂阻抗比。气隙减少所引起的电感变化其输出电压可以表示为:（2）电桥阻抗比m对输出Uo的影响电桥的输出特性电桥的输出特性(2)变压器电桥变压器电桥 (如图所示如图所示)它的平衡臂为变压器的两个二次绕组。传感器差动工作时若它的平衡臂为变压器的两个

15、二次绕组。传感器差动工作时若衔衔铁铁向向一一边边移移动动，Z1=ZZ，则则Z2=Z+Z，当当阻阻抗抗为为无无穷穷大大时，可得时，可得:当衔铁向另一边移动时，当衔铁向另一边移动时，Z1=Z+Z，Z2=Z-Z，则，则:3.1.4.2 3.1.4.2 交流电桥的平衡交流电桥的平衡 交流电桥要完全平衡，必须同时满足两个条件，即输出交流电桥要完全平衡，必须同时满足两个条件，即输出电压的实部和虚部均为零电压的实部和虚部均为零 几种常用的电阻几种常用的电阻电容调平衡的桥路形式电容调平衡的桥路形式 由图可见，调节电位器由图可见，调节电位器RW的触点或可调电容的触点或可调电容C1和和C2，将，将改变相应的桥臂阻

16、抗，从而达到电桥电路的实部和虚部完改变相应的桥臂阻抗，从而达到电桥电路的实部和虚部完全平衡的目的。以图全平衡的目的。以图(a)为例，移动电位器为例，移动电位器RW的触点，就改的触点，就改变了桥臂上变了桥臂上R1和和R2的并联容抗值，使它与的并联容抗值，使它与L1和和L2相平衡。相平衡。平衡调节范围与平衡调节范围与C0有关，有关，C0越大，平衡调节范围越大。越大，平衡调节范围越大。电感式传感器的设计原则电感式传感器的设计原则 电感式传感器设计时应考虑给定的技术指标，如电感式传感器设计时应考虑给定的技术指标，如量量量量程、准确度、灵敏度程、准确度、灵敏度程、准确度、灵敏度程、准确度、灵敏度和和和和

17、使用环境使用环境使用环境使用环境等。传感器的灵敏度等。传感器的灵敏度实际上常用单位位移所引起的输出电压变化来衡量，实际上常用单位位移所引起的输出电压变化来衡量，是传感器和测量电路的综合灵敏度，在确定设计方案是传感器和测量电路的综合灵敏度，在确定设计方案时必须综合考虑传感器和测量电路。时必须综合考虑传感器和测量电路。传感器的量程是指其输出信号与位移量之间成线性传感器的量程是指其输出信号与位移量之间成线性关系关系(允许有一定误差允许有一定误差)的位移范围。它是确定传感器的位移范围。它是确定传感器结构形式的重要依据。结构形式的重要依据。电感式传感器的设计原则电感式传感器的设计原则 单线圈螺管式用于特

18、大量程，一般常用差动螺管式。单线圈螺管式用于特大量程，一般常用差动螺管式。差动螺管式传感器的结构简图差动螺管式传感器的结构简图 为了满足当铁芯移动时线圈内部磁通变化的均匀性，保持为了满足当铁芯移动时线圈内部磁通变化的均匀性，保持输出电压与铁芯位移量之间的线性关系，传感器必须满足三输出电压与铁芯位移量之间的线性关系，传感器必须满足三个要求：铁芯的加工精度；线圈架的加工精度；线圈绕制的个要求：铁芯的加工精度；线圈架的加工精度；线圈绕制的均匀性。均匀性。改变铁芯长度传感器的输出特性改变铁芯长度传感器的输出特性 改变线圈匝数传感器的输出特性改变线圈匝数传感器的输出特性电感式传感器误差因素分析电感式传感

19、器误差因素分析影响传感器精度的影响传感器精度的因素因素主要分为两个方面：主要分为两个方面：一是外界工作环境条件的影响，如温度变化、电源一是外界工作环境条件的影响，如温度变化、电源电压和频率的波动等；电压和频率的波动等；二是传感器本身特性所固有的影响，如线圈电感与二是传感器本身特性所固有的影响，如线圈电感与衔铁位移之间的非线性、交流零位信号的存在等。衔铁位移之间的非线性、交流零位信号的存在等。主要误差主要误差：1 1激励电源电压和频率的影响激励电源电压和频率的影响2 2温度变化的影响温度变化的影响3 3非线性特性的影响非线性特性的影响4 4输出电压与电源电压之间的相位差输出电压与电源电压之间的相

20、位差5 5零位误差零位误差电桥的残余不平衡电压电桥的残余不平衡电压若金属导体为非磁性材料，磁路的有效磁导率不会随距离而变，因此L1不变。传感器接成差动形式，可以提高灵敏度和改善线性度。输出电压还可统一写成：L1与增加相同所引起的电感变(a)电路原理；单线圈变气隙电感传感器特性如图，可以看出：电涡流传感器实质是一个线圈-导4差动变压器测速感器）或纯电抗（电感式传感器或电容式传感器）时，电桥的输出最大差动式电感传感器的线性失真小。工作原理：在转轴(或飞轮)上开一键槽，靠近轴表面安装电涡流传感器，轴转动时便能检出传感器与轴表面的间隙变化，从而得到相对于键槽的脉冲信号，经放大、整形后，获得相对于键槽的

21、脉冲方波信号，然后可由频率计计数并指示频率值即转速(其脉冲信号频率与轴的转速成正比)。传感器线圈等效电感的变化使并联谐振又使加速度计灵敏度受到影响，因此系统固有频率不可能很Z=f(x)(b)测量涡轮叶片振幅；调幅式测量原理 谐振曲线电感式传感器的应用电感式传感器的应用 电感式传感器电感式传感器般用于接触测量，可用于静态和动态测般用于接触测量，可用于静态和动态测量。测量的量。测量的基本量基本量是是位移位移，也可以用于振动、压力、荷重、，也可以用于振动、压力、荷重、流量、液位等参数测量。流量、液位等参数测量。电感测微仪典型框图电感测微仪典型框图 除螺管式电感传感器外，还包括测量电桥、交流放大器、除

22、螺管式电感传感器外，还包括测量电桥、交流放大器、相敏检波器、振荡器、稳压电源及显示器等，它主要用于精相敏检波器、振荡器、稳压电源及显示器等，它主要用于精密微小位移测量。图密微小位移测量。图(b)为变气隙差动式电感压力传感器结构为变气隙差动式电感压力传感器结构图。图。电感式传感器的应用电感式传感器的应用 传感器传感器3与精密主轴与精密主轴2一起回转，主轴一起回转，主轴2精度很高，在理想精度很高，在理想情况下可认为它回转运动的轨迹是情况下可认为它回转运动的轨迹是“真圆真圆”。当被测件。当被测件1有圆有圆度误差时，必定相对于度误差时，必定相对于“真圆真圆”产生径向偏差，该偏差值被产生径向偏差，该偏差

23、值被传传感器感受并转换成电信号。载有被测件半径偏差信息的电信感器感受并转换成电信号。载有被测件半径偏差信息的电信号，经放大、相敏检波、滤波、号，经放大、相敏检波、滤波、AD转换后送入计算机处转换后送入计算机处理，最后数字显示出圆度误差；或用记录仪器记录下被测件理，最后数字显示出圆度误差；或用记录仪器记录下被测件的轮廓图形的轮廓图形(径向偏差径向偏差)。电感式圆度仪原理图电感式圆度仪原理图1-被测工件；被测工件；2-精密主轴：精密主轴：3-传感器；传感器；4-工作台工作台差动变压器差动变压器321 结构和工作原理结构和工作原理 差动变压器式传感器的差动变压器式传感器的结构结构主要为螺管型（如图所

24、示）主要为螺管型（如图所示）线圈由线圈由初级线圈初级线圈(激励线圈相当于变压器原边激励线圈相当于变压器原边)P和和次级线次级线圈圈(相当于变压器的副边相当于变压器的副边)S1、S2组成；线圈中心插入圆柱形铁组成；线圈中心插入圆柱形铁芯芯(衔铁衔铁)b。其中，图。其中，图(a)为三段式差动变压器，为三段式差动变压器，(b)为两段式差为两段式差动变压器。动变压器。基本特性基本特性3.2.2.1 等效电路等效电路 在理想情况下在理想情况下(忽略线圈寄生电容及铁芯损耗忽略线圈寄生电容及铁芯损耗)，差动变压，差动变压器等效电路如图所示。器等效电路如图所示。由等效电路图可以得到：由等效电路图可以得到：式中

25、，式中，LP、RP初级线圈的电感与有效电阻；初级线圈的电感与有效电阻；M1、M2初初级线圈与两个次级线圈间互感；级线圈与两个次级线圈间互感；EP、IP初级线圈激励电初级线圈激励电压与电流；压与电流；ES1、ES2两个次级线圈感应电压；两个次级线圈感应电压；初级初级线圈激励电压的频率。线圈激励电压的频率。基本特性基本特性讨论：讨论：(1)铁芯处于中心平衡位置时，互感铁芯处于中心平衡位置时，互感M1M2M，则，则ES0；(2)铁芯上升时，铁芯上升时，M1M M，M2MM，则，则 ，与，与 同相；同相；(3)铁芯下降时，铁芯下降时，M1MM，M2M M，则，则 与与 同相。同相。输出电压还可统一写成

26、：输出电压还可统一写成：差动变压器输出电压差动变压器输出电压ES与铁芯位移的关系与铁芯位移的关系差动变压器的应用差动变压器的应用1位移测量位移测量 差动变压器测量的基本量仍然是位移。它可以作为精密测量差动变压器测量的基本量仍然是位移。它可以作为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、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；用分选大、小钢球、圆柱

27、、圆锥等；用于测量各种零件膨胀、伸长、应变等。于测量各种零件膨胀、伸长、应变等。图为图为测量液位的原理图测量液位的原理图测量液位的原理图测量液位的原理图。当某一设定。当某一设定液位使铁芯处于中心位置时，差动变液位使铁芯处于中心位置时，差动变压器输出信号压器输出信号Uo=0；当液位上升或下；当液位上升或下降时，降时，Uo 0，通过相应的测量电路便，通过相应的测量电路便能确定液位的高低能确定液位的高低。差动变压器的应用差动变压器的应用2振动和加速度测量振动和加速度测量 利用差动变压器加上悬臂梁弹性支承可构成加速度计。为利用差动变压器加上悬臂梁弹性支承可构成加速度计。为了满足测量精度，加速度计的固有

28、频率应比被测频率上限大了满足测量精度，加速度计的固有频率应比被测频率上限大35倍。由于运动系统质量倍。由于运动系统质量m不可能太小，而增加弹性片刚度不可能太小，而增加弹性片刚度k又使加速度计灵敏度受到影响，因此系统固有频率不可能很又使加速度计灵敏度受到影响，因此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。以下。高频时加速度测量用压电式传感器。差动变压器加速度计结构及其测量电路框图差动变压器加速度计结构及其测量电路框图(a)结构；结构；(b)测量电路框图测量电路框图1-弹性支承

29、；弹性支承；2-差动变压器差动变压器差动变压器的应用差动变压器的应用3压力测量压力测量 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。器。由于差动变压器输出是标准信号，常称为变送器。(a)微压变送器；微压变送器；(b)测量电路框图测量电路框图 1-接头；接头；2-膜盒；膜盒；3-底座；底座；4-线路板；线路板；5-差曲变压器线圈；差曲变压器线圈；6-衔铁；衔铁；7-罩光；罩光；8-插头；插头；9-通孔通孔 这种微压力变送器，经分档可测这种微压力变送器，经分档可测(4+6)104N/m2的压的压

30、力，输出信号电压为力，输出信号电压为050mV，精度级、级。，精度级、级。差动变压器的应用差动变压器的应用4差动变压器测速差动变压器测速 差动变压器测速装置原理框图差动变压器测速装置原理框图3.3 3.3 电涡流式传感器电涡流式传感器 成块的金属导体置于变化着的磁场中时，金属导体内就成块的金属导体置于变化着的磁场中时，金属导体内就要产生感应电流，这种电流的流线在金属导体内自动闭合，要产生感应电流，这种电流的流线在金属导体内自动闭合，通常称为通常称为电涡流电涡流。电涡流式传感器。电涡流式传感器(线圈线圈-金属导体系统金属导体系统)就是就是一种基于电涡流效应原理的传感器。电涡流的大小与金属导一种基

31、于电涡流效应原理的传感器。电涡流的大小与金属导体的电阻率体的电阻率、导磁率、导磁率 厚度厚度t以及线圈与金属之间的距离以及线圈与金属之间的距离x、线圈的激磁电流角频率线圈的激磁电流角频率 等参数有关。若保持其中若干参数等参数有关。若保持其中若干参数恒定，就能按电涡流大小对线圈的作用的差异来测量另外某恒定，就能按电涡流大小对线圈的作用的差异来测量另外某一参数。一参数。特点特点：结构简单、频率响应宽、灵敏度高、抗干扰能力强、：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、非接触测量。可以测量位移、振动、厚度、测量线性范围大、非接触测量。可以测量位移、振动、厚度、转速、温度等参数。转

32、速、温度等参数。主要有两种类型：主要有两种类型：高频反射式高频反射式（应用广泛）和（应用广泛）和低频透射式低频透射式于测量各种零件膨胀、伸长、应变等。在较小的温度范围内金属导体的电阻率与温度t的关系可以用下式表示：式中，r导磁材料的相对磁导率；圈(相当于变压器的副边)S1、S2组成；影响传感器精度的因素主要分为两个方面：敏度，用已知电容C与传感器线圈并联(一般在传感内)组成工作原理：在转轴(或飞轮)上开一键槽，靠近轴表面安装电涡流传感器，轴转动时便能检出传感器与轴表面的间隙变化，从而得到相对于键槽的脉冲信号，经放大、整形后，获得相对于键槽的脉冲方波信号，然后可由频率计计数并指示频率值即转速(其

33、脉冲信号频率与轴的转速成正比)。1 气隙型电感式传感器从式中看出，如能使L/L=RS/RS，或Q值比较大，均能达此目的。得出线圈的等效电阻和等效电感分别为:金属试件热膨胀系数(c)电感线圈的等效电路（如图）输出电压与铁芯位移量之间的线性关系，传感器必须满足三结构传感器接成差动交流电桥电路如图所示：几种常用的电阻电容调平衡的桥路形式材料确定后，可使，t，r，I及和调频式两类，以及交流电桥测量电路。3.3 3.3 电涡流式传感器电涡流式传感器3.3.1.1 基本原理基本原理 如图：当线圈通交变电流如图：当线圈通交变电流i1 交变磁场交变磁场H1 金属板中将产生感应金属板中将产生感应电动势电动势 电

34、涡流电涡流i2 磁场磁场H2 H2对线圈的反作用对线圈的反作用(减弱线圈原磁场减弱线圈原磁场),从而导致线圈的电感量从而导致线圈的电感量L、阻抗、阻抗Z或品质因数或品质因数Q发生变化。发生变化。线圈的阻抗线圈的阻抗Z可以用一个可以用一个函数表达式来描述：函数表达式来描述：电涡流传感器实质是一个电涡流传感器实质是一个线圈线圈-导导体系统体系统。若激励线圈和金属导体。若激励线圈和金属导体材料确定后，可使材料确定后，可使，t，r，I及及 等参数不变，则此时线圈的阻抗等参数不变，则此时线圈的阻抗Z就就成为距离成为距离x的单值函数，即：的单值函数，即：Z=f(x)等效电路分析等效电路分析 由线圈由线圈金

35、属导体系统构成的电涡流传感器可以用右图所金属导体系统构成的电涡流传感器可以用右图所示的等效电路来分析。示的等效电路来分析。根据基尔霍夫定律，可根据基尔霍夫定律，可以列出电路方程组为以列出电路方程组为:联立解得：联立解得：等效电路分析等效电路分析 由此可得传感器线圈由于受金属导体中电涡流效应影响由此可得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的复阻抗为:得出线圈的等效电阻和等效电感分别为得出线圈的等效电阻和等效电感分别为:等效电路分析等效电路分析讨论讨论讨论讨论：(1)线线圈圈等等效效电电阻阻RS=R1+R 2 无无论论金金属属导导体体为为何何种种材材料料，只只要要有有电电涡涡流流产产

36、生生就就有有R 2，同同时时随随着着导导体体与与线线圈圈之之间间距距离离的减小的减小(M增大增大)，R 2会增大，因此会增大，因此RSR1；(2)线线圈圈的的等等效效电电感感LS=L1 L 2 第第一一项项L1与与静静磁磁学学效效应应有有关关，由由于于线线圈圈与与金金属属导导体体构构成成一一个个磁磁路路，线线圈圈自自身身的的电电感感L1要要受受该该磁磁路路“有有效效磁磁导导率率”的的影影响响，若若金金属属导导体体为为磁磁性性材材料料时时，磁磁路路的的有有效效磁磁导导率率随随距距离离的的减减小小而而增增大大，L1也也就就增增大大；若若金金属属导导体体为为非非磁磁性性材材料料，磁磁路路的的有有效效

37、磁磁导导率率不不会会随随距距离离而而变变，因因此此L1不不变变。第第二二项项与与电电涡涡流流效效应应有有关关，电电涡涡流流产产生生一一与与原原磁磁场场方方向向相相反反的的磁磁场场并并由由此此减减小小线线圈圈电电感感，线线圈圈与与导导体体间间距距离离越越小小(M越越大大)，越越大大，电电感感量量的的减减小小程程度度越越大，故从总的结果来看大，故从总的结果来看LSL1；(3)线线圈圈原原有有的的品品质质因因数数Q0 L1 R1，当当产产生生电电涡涡流流效效应应后后，线圈的线圈的品质因数品质因数Q LS RS，显然，显然QQ0。电涡流式传感器的基本结构电涡流式传感器的基本结构 线圈线圈1绕制在用聚四

38、氟乙烯做成的线圈骨架绕制在用聚四氟乙烯做成的线圈骨架2内，线圈用内，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将整个传感器安装在支架4上，上，5、6是电缆和插头。是电缆和插头。电涡流传感器结构电涡流传感器结构 测量电路测量电路 根据电涡流传感器的原理，被测参量可以由传感器转换根据电涡流传感器的原理，被测参量可以由传感器转换为传感器线圈的阻抗为传感器线圈的阻抗Z、电感、电感L或品质因数或品质因数Q等三个电参数。等三个电参数。究竟利用哪个参数并将其最后变换为电压或电流信号输出，究竟利用哪个参数并将其最后变换

39、为电压或电流信号输出，这要由测量电路决定。电涡流传感器作测量时，为了提高灵这要由测量电路决定。电涡流传感器作测量时，为了提高灵敏度，用已知电容敏度，用已知电容C与传感器线圈并联与传感器线圈并联(一般在传感内一般在传感内)组成组成LC并联谐振回路并联谐振回路。传感器线圈等效电感的变化使并联谐振。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。并联谐振回路的谐振频率为号输出。并联谐振回路的谐振频率为:目前，电涡流传感器所配用的谐振式测量电路有目前，电涡流传感器所配用的谐振式测量电路有调幅式调幅式调幅式

40、调幅式和调频式和调频式和调频式和调频式两类，以及交流电桥测量电路。两类，以及交流电桥测量电路。测量电路测量电路1调幅式测量电路调幅式测量电路 调幅式测量电路稳频稳幅正弦波振荡器的输出信号由电阻调幅式测量电路稳频稳幅正弦波振荡器的输出信号由电阻R加到传感器上。先使传感器远离被测物，则加到传感器上。先使传感器远离被测物，则LL(即即x趋趋于于 时的电感值时的电感值)，调振荡器的频率到，调振荡器的频率到 ，得出最，得出最大输出电压大输出电压u，然后保持振荡器的频率，然后保持振荡器的频率fo和幅值不变，当和幅值不变，当被测物与传感器线圈接近时，由于电涡流效应，使线圈的被测物与传感器线圈接近时，由于电涡

41、流效应，使线圈的电感量电感量L变化，并使回路失谐，从而使输出电压变化，并使回路失谐，从而使输出电压u降低，由降低，由u的下降程度判断距离的下降程度判断距离x的大小。的大小。调幅式测量原理调幅式测量原理 谐振曲线谐振曲线 (a)电路原理；电路原理；(b)输出特性输出特性 测量电路测量电路 2 2调频式测量电路调频式测量电路 利用调频谐振电路的特点，线圈电感量的变化可以直接使利用调频谐振电路的特点，线圈电感量的变化可以直接使振荡器的振荡频率发生变化，从而实现频率调制。然后通过振荡器的振荡频率发生变化，从而实现频率调制。然后通过鉴频器及附加电路将频率的变化再变成电压输出。鉴频器及附加电路将频率的变化

42、再变成电压输出。(a)(a)原理图原理图 (b)(b)测量电路测量电路测量电路测量电路3电桥测量电路电桥测量电路 Z1、Z2为差动式传感器的两个线圈，或者一个是传感器为差动式传感器的两个线圈，或者一个是传感器线圈，一个是固定平衡线圈。桥路输出电压幅值随传感器线线圈，一个是固定平衡线圈。桥路输出电压幅值随传感器线圈阻抗变化而变化。圈阻抗变化而变化。电涡流式传感器测量电桥电涡流式传感器测量电桥低频透射式电涡流传感器低频透射式电涡流传感器 原理原理原理原理：发射线圈发射线圈Ll和接收线圈和接收线圈L2分别处于被测金属材料分别处于被测金属材料M的两边。由的两边。由振荡器产生的音频电压振荡器产生的音频电

43、压u1加到加到L1的两端后，线圈中即流过一个同频率的两端后，线圈中即流过一个同频率的交流电流，并在其周围产生一交变磁场。如果两线圈间不存在被测的交流电流，并在其周围产生一交变磁场。如果两线圈间不存在被测材料材料M，L1的磁场就能直接贯穿的磁场就能直接贯穿L2，于是，于是L2的两端会产生一交变感应的两端会产生一交变感应电动势电动势u2。当。当Ll与与L2之间放置一金属板之间放置一金属板M后，后，L1产生的交变磁场在产生的交变磁场在M中会产生涡流中会产生涡流i，这个涡流损耗了，这个涡流损耗了Ll的部分磁场能量，使其贯穿的部分磁场能量，使其贯穿M后耦后耦合到合到L2的磁通量减少，从而引起感应电势的磁

44、通量减少，从而引起感应电势u2的下降。当激励频率的下降。当激励频率f、L1和和L2的结构、线圈匝数以及它们之间的相对位置一定时，线圈的结构、线圈匝数以及它们之间的相对位置一定时，线圈L2中中的感应电动势的感应电动势u2的大小就与被测材料的厚度的大小就与被测材料的厚度t成反比，如图成反比，如图(b)所示。所示。(a)原理图原理图；(b)接收线圈感应电势与厚度关系曲线接收线圈感应电势与厚度关系曲线电涡流式传感器的应用电涡流式传感器的应用1位移测量位移测量凡是可变换成位移量的参数，都可以用电涡流式传感器来测量凡是可变换成位移量的参数，都可以用电涡流式传感器来测量 电涡流位移计电涡流位移计轴向位移轴向

45、位移(a)；磨床换向阀、先导阀的位移；磨床换向阀、先导阀的位移(b)；金属试件热膨胀系数；金属试件热膨胀系数(c)1-被测试件被测试件 2-电涡流传感器电涡流传感器电涡流式传感器的应用电涡流式传感器的应用.振幅测量振幅测量电涡流振幅测量电涡流振幅测量(a)(a)监控径向振动；监控径向振动；(b)(b)测量涡轮叶片振幅测量涡轮叶片振幅 ；(c)(c)多个传感器并排在轴附近多个传感器并排在轴附近 1-1-被测试件；被测试件；2-2-电涡流传感器电涡流传感器电涡流式传感器的应用电涡流式传感器的应用3 3电涡流转速计电涡流转速计工作原理：在转轴工作原理：在转轴(或飞轮或飞轮)上开一键槽，靠近轴表面安装

46、电上开一键槽，靠近轴表面安装电涡流传感器，轴转动时便能检出传感器与轴表面的间隙变化，涡流传感器，轴转动时便能检出传感器与轴表面的间隙变化，从而得到相对于键槽的脉冲信号，经放大、整形后，获得相从而得到相对于键槽的脉冲信号，经放大、整形后，获得相对于键槽的脉冲方波信号，然后可由频率计计数并指示频率对于键槽的脉冲方波信号，然后可由频率计计数并指示频率值即转速值即转速(其脉冲信号频率与轴的转速成正比其脉冲信号频率与轴的转速成正比)。电涡流式转速计电涡流式转速计 电涡流式零件计数器电涡流式零件计数器电涡流式传感器的应用电涡流式传感器的应用4 4尺寸测量尺寸测量 几何尺寸测量电涡流传感器几何尺寸测量电涡流

47、传感器 电涡流式传感器的应用电涡流式传感器的应用5电涡流温度测量电涡流温度测量在较小的温度范围内金属导体的电阻率在较小的温度范围内金属导体的电阻率 与温度与温度t的关系可的关系可以用下式表示：以用下式表示：(a)表面温度测量；表面温度测量；(b)介质温度测量介质温度测量1-补偿线圈；补偿线圈；2-骨架；骨架；3-测量线圈；测量线圈；4-绝缘衬套；绝缘衬套；5-测试敏感元件测试敏感元件电涡流式传感器的应用电涡流式传感器的应用6 6涡流探伤仪涡流探伤仪涡流探伤仪是一种无损检测装置，用于探测金属导涡流探伤仪是一种无损检测装置，用于探测金属导体材料表面或近表面裂纹、热处理裂纹以及焊缝体材料表面或近表面裂纹、热处理裂纹以及焊缝裂纹等缺陷。测试时，传感器与被测物体距离保裂纹等缺陷。测试时，传感器与被测物体距离保持不变，遇有裂纹时，金属的电阻率，磁导率发持不变，遇有裂纹时，金属的电阻率，磁导率发生变化，裂缝处也有位移量的改变，结果使传感生变化，裂缝处也有位移量的改变，结果使传感器的输出信号也发生变化。器的输出信号也发生变化。