傳感器原理及檢測技術(shù)PPT電子課件教案-第三章 電感式傳感器.ppt

1,第三章 電感式傳感器,電感式傳感器,壓磁式傳感器,2,定義：是一種利用線圈自感和互感的變化實(shí)現(xiàn)非 電量電測的裝置。 感測量：位移、振動、壓力、應(yīng)變、流量、比重 等。 種類：根據(jù)轉(zhuǎn)換原理，分自感式、互感式、電渦 流式三種； 根據(jù)結(jié)構(gòu)型式，分氣隙型、面積型和螺管 型。,3,優(yōu)點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡單、可靠，測量力小 分辨力高 機(jī)械位移0.1m，甚至更??；角位移0.1角秒。 輸出信號強(qiáng)，電壓靈敏度可達(dá)數(shù)百mv/mm 。 重復(fù)性好，線性度優(yōu)良 在幾十m到數(shù)百mm的位移范圍內(nèi)，輸出特性的線性度較好，且比較穩(wěn)定。 能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸、記錄、顯示和控制。 不足：存在交流零位信號，不宜高頻動態(tài)測量。,4,3.1 自感式傳感器,3.1.1 自感式傳感器的工作原理,總磁阻,線圈匝數(shù),兩式聯(lián)立得:,圖3-1 電感式傳感器,i 為線圈中所通交流電的有效值。,5,空氣導(dǎo)磁率,而,其中,如果a保持不變，則l為的單值函數(shù)，構(gòu)成變氣隙式自感傳感器,若保持不變，使a隨被測量（如位移）變化，則構(gòu)成變截面式自感傳感器，,6,圖3-1 電感式傳感器,7,8,圖3-2 變截面式傳感器,9,圖3-3 電感傳感器特性,10,銜鐵下移,3.1.2 變氣隙式自感傳感器的輸出特性,11,忽略高次項(xiàng)：,12,銜鐵上移,忽略高次項(xiàng)：,13,3.1.3 差動式自感傳感器,在實(shí)際使用中，常采用兩個(gè)相同的傳感線圈共用一個(gè)銜鐵，構(gòu)成差動式自感傳感器，兩個(gè)線圈的電氣參數(shù)和幾何尺寸要求完全相同。這種結(jié)構(gòu)除了可以改善線性、提高靈敏度外，對溫度變化、電源頻率變化等的影響也可以進(jìn)行補(bǔ)償，從而減少了外界影響造成的誤差。,14,差動氣隙式電感傳感器由兩個(gè)相同的電感線圈、和磁路組成, 測量時(shí), 銜鐵通過導(dǎo)桿與被測位移量相連, 當(dāng)被測體上下移動時(shí), 導(dǎo)桿帶動銜鐵也以相同的位移上下移動, 使兩個(gè)磁回路中磁阻發(fā)生大小相等, 方向相反的變化, 導(dǎo)致一個(gè)線圈的電感量增加, 另一個(gè)線圈的電感量減小, 形成差動形式。,15,圖3-4是變氣隙型、變面積型及螺管型三種類型的差動式自感傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。當(dāng)銜鐵3移動時(shí)，一個(gè)線圈的電感量增加，另一個(gè)線圈的電感量減少，形成差動形式。,圖3-4 差動式自感傳感器 1-線圈 2-鐵芯 3-銜鐵 4-導(dǎo)桿,（a） 變氣隙型,（b） 變面積型,（c） 螺管型,16,變氣隙型差動式自感傳感器,銜鐵下移：,17,忽略高次項(xiàng)：,提高一倍,上式中不存在偶次項(xiàng)，顯然差動式自感傳感器的非線性誤差在工作范圍內(nèi)要比單個(gè)自感傳感器的小得多。,18,差動式與單線圈電感式傳感器相比，具有下列優(yōu)點(diǎn)： 線性好； 靈敏度提高一倍，即銜鐵位移相同時(shí)，輸出信號大一倍； 溫度變化、電源波動、外界干擾等對傳感器精度的影響，由于能互相抵消而減?。?電磁吸力對測力變化的影響也由于能相互抵消而減小。,19,三種類型比較： 氣隙型自感傳感器靈敏度高，它的主要缺點(diǎn)是非線性嚴(yán)重，為了限制線性誤差，示值范圍只能較??；它的自由行程小，因?yàn)殂曡F在運(yùn)動方向上受鐵心限制，制造裝配困難。 截面型自感傳感器靈敏度較低，截面型的優(yōu)點(diǎn)是具有較好的線性，因而測量范圍可取大些。 螺管型自感傳感器的靈敏度比截面型的更低，但示值范圍大，線性也較好，得到廣泛應(yīng)用。,20,螺管式自感傳感器,它由平均半徑為r的螺管線圈、銜鐵和磁性套筒等組成。隨著銜鐵插入深度的不同引起線圈泄漏路徑中磁阻變化，從而使線圈的電感發(fā)生變化。,21,螺管式自感傳感器,特點(diǎn)：測量范圍大，數(shù)百毫米，靈敏度低，大量程直線位移。,差動螺管式自感傳感器,測量范圍 1 200mm 線性度 0.1% 1% 分辨率 0.01um,22,3.1.4 自感式傳感器的等效電路,實(shí)際傳感器中，線圈不可能是純電感，它包括線圈的銅損電阻rc ；鐵芯的渦流損耗電阻re ；由于線圈和測量設(shè)備電纜的接入，存在線圈固有電容和電纜的分布電容，用集中參數(shù)c表示。,圖3-6 等效電路,23,3.1.5 自感式傳感器的測量電路,1. 電阻平衡臂交流電橋,圖3-7 交流電橋,差動的兩個(gè)傳感器線圈接成電橋的兩個(gè)工作臂（z1、z2為兩個(gè)差動傳感器線圈的復(fù)阻抗），另兩個(gè)橋臂用平衡電阻r1、r2代替。,設(shè)初始時(shí) z1= z2= z = rs+jl；r1 = r2 = r； l1= l2= l0 。,24,對差動變氣隙式自感傳感器：,可見，電橋輸出電壓與有關(guān)，相位與銜鐵移動方向有關(guān)。由于是交流信號，還要經(jīng)過適當(dāng)電路（如相敏檢波電路）處理才能判別銜鐵位移的大小及方向。,25,75,50,25,0,50,75,100,l/mh,l/mm,100,25,ld,4,3,2,1,1,2,3,4,- l, l,1、2為兩線圈的電感特性，3為兩線圈差接時(shí)的電感特性，圖線4為差接后電橋輸出電壓與位移間的特性曲線。說明：電橋輸出電壓的大小與銜鐵的位移量有關(guān)，相位與銜鐵的移動方向有關(guān)。若設(shè)銜鐵向上移動為負(fù)，則u0為負(fù)；銜鐵向下移動為正，則u0為正，相位差180。,26,2、變壓器式交流電橋,27,圖3-8 變壓器交流電橋,電橋a點(diǎn)的電位為：,c點(diǎn)為正,d點(diǎn)為正,b點(diǎn)電位為,電橋兩臂z1、z2為傳感器線圈阻抗,28,初始位置,銜鐵下移,或,29,銜鐵上移,若線圈的q值很高，損耗電阻可忽略，則,由（3-18）式可知，當(dāng)銜鐵向上、向下移動相同的距離時(shí)，產(chǎn)生的輸出電壓大小相等，但極性相反。由于是交流信號，要判斷銜鐵位移的大小及方向同樣需要經(jīng)過相敏檢波電路的處理。,30,與電阻平衡臂電橋相比，具有元件少，輸出阻抗小，橋路開路時(shí)電路呈線性的優(yōu)點(diǎn)，但因?yàn)樽儔浩鞲边叢唤拥兀滓饋碜栽叺撵o電感應(yīng)電壓，使高增益放大器不能工作。,31,3. 緊耦合電感臂交流電橋,圖3-9 緊耦合電感臂電橋,緊耦合電感臂交流電橋以差動電感傳感器的兩個(gè)線圈作電橋工作臂，而緊耦合的兩個(gè)電感作為固定臂組成電橋電路。采用這種測量電路可以消除與電感臂并聯(lián)的分布電容對輸出信號的影響，使電橋平衡穩(wěn)定，另外簡化了接地和屏蔽的問題。,32,3.2.1 互感式傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理 分氣隙型和螺管型兩種。目前多采用螺管型差動變壓器。,3.2 互感式傳感器-差動變壓器,1 初級線圈;2.3次級線圈;4銜鐵,33,(e)、(f) 變面積式差動變壓器,(a)、(b) 變隙式差動變壓器,(c)、(d) 螺線管式差動變壓器,34,工作原理類似于變壓器。主要包括有銜鐵、初級繞組、次級繞組和線圈框架等。初、次級繞組的耦合能隨銜鐵的移動而變化，即繞組間的互感隨被測位移的改變而變化。,初級線圈作為差動變壓器激勵用，相當(dāng)于變壓器的原邊，而次級線圈由結(jié)構(gòu)尺寸和參數(shù)相同的兩個(gè)線圈反相串接而成，且以差動方式輸出，相當(dāng)于變壓器(區(qū)別)的副邊。所以又把這種傳感器稱為差動變壓器式電感傳感器，通常簡稱為差動變壓器。,35,螺管型差動變壓器根據(jù)初、次級排列不同有二節(jié)式、三節(jié)式、四節(jié)式和五節(jié)式等形式。,圖3-10 差動變壓器線圈各種排列形式 1 初級線圈；2 次級線圈；3 銜鐵,(a) 二節(jié)式 (b) 三節(jié)式 (c) 四節(jié)式 (d) 五節(jié)式,三節(jié)式的零點(diǎn)電位較小，二節(jié)式比三節(jié)式靈敏度高、線性范圍大，四節(jié)式和五節(jié)式改善了傳感器線性度。,36,差動變壓器的等效電路,差動變壓器工作在理想情況下（忽略渦流損耗、磁滯損耗和分布電容等影響）時(shí)的等效電路：,m1、m2初級繞組與兩個(gè)次級繞組間的互感； lp、rp初級繞組的電感和有效電阻； ls1、ls2兩個(gè)次級繞組的電感； rs1、rs2兩個(gè)次級繞組的有效電阻；,37,當(dāng)銜鐵移向次級繞組ls1一邊，互感m1增大，m2減小，因而次級繞組ls1內(nèi)的感應(yīng)電動勢大于次級繞組ls2內(nèi)的感應(yīng)電動勢，這時(shí)差動變壓器輸出電動勢不為零。在傳感器的量程內(nèi)，銜鐵位移越大，差動輸出電動勢就越大。 當(dāng)銜鐵移向次級繞組ls2一邊，差動輸出電動勢仍不為零，但由于移動方向改變，所以輸出電動勢反相。 因此通過差動變壓器輸出電動勢的大小和相位可以知道銜鐵位移量的大小和方向。,38,當(dāng)次級開路時(shí)，初級繞組的交流電流為：,次級繞組的感應(yīng)電動勢為：,由于次級繞組反向串接，故差動變壓器輸出電壓為,39,其有效值為, 鐵芯處于中間位置時(shí)，m1 = m2 = m，u0 = 0 鐵芯上升時(shí)，m1= m +m，m2= m -m, 鐵芯下降時(shí)，m1 = m -m，m2 = m +m,與u1同極性,與u2同極性,40,e21,e22,差動變壓器輸出電勢與銜鐵位移x的關(guān)系。其中x表示銜鐵偏離中心位置的距離。,圖3-12 差動變壓器輸出特性,41,1、激勵電壓幅值與頻率的影響 激勵電源電壓幅值的波動，會使線圈激勵磁場的磁通發(fā)生變化，直接影響輸出電勢。而頻率的波動，影響傳感器原邊阻抗，也影響輸出。,3.2.2 差動變壓器的輸出特性,42,2、溫度變化的影響 周圍環(huán)境溫度的變化，引起線圈及導(dǎo)磁體磁導(dǎo)率的變化，從而使線圈磁場發(fā)生變化產(chǎn)生溫度漂移。當(dāng)線圈品質(zhì)因數(shù)較低時(shí)，影響更為嚴(yán)重，因此，采用恒流源激勵比恒壓源激勵有利。適當(dāng)提高線圈品質(zhì)因數(shù)并采用差動電橋可以減少溫度的影響。,43,3、零點(diǎn)殘余電壓 當(dāng)差動變壓器的銜鐵處于中間位置時(shí)，理想條件下其輸出電壓為零。但實(shí)際上，當(dāng)使用橋式電路時(shí)，在零點(diǎn)仍有一個(gè)微小的電壓值(從零點(diǎn)幾mv到數(shù)十mv)存在，稱為零點(diǎn)殘余電壓。如圖是擴(kuò)大了的零點(diǎn)殘余電壓的輸出特性。零點(diǎn)殘余電壓的存在造成零點(diǎn)附近的不靈敏區(qū)；零點(diǎn)殘余電壓輸入放大器內(nèi)會使放大器末級趨向飽和，影響電路正常工作等。,44,1 基波正交分量,(a)殘余電壓的波形,(b)波形分析,ui,uz,圖中i為差動變壓器初級的激勵電壓，uz包含基波同相成分、基波正交成分，二次及三次諧波和幅值較小的電磁干擾等。,2 基波同相分量,3 二次諧波,4 三次諧波,5 電磁干擾,45,零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生原因： 基波分量 由于差動變壓器兩個(gè)次級繞組不可能完全一致，因此它的等效電路參數(shù)（互感m、自感l(wèi)及損耗電阻r）不可能相同，從而使兩個(gè)次級繞組的感應(yīng)電動勢數(shù)值不等。又因初級線圈中銅損電阻及導(dǎo)磁材料的鐵損和材質(zhì)的不均勻，線圈匝間電容的存在等因素，使激勵電流與所產(chǎn)生的磁通相位不同。,46,高次諧波 高次諧波分量主要由導(dǎo)磁材料磁化曲線的非線性引起。由于磁滯損耗和鐵磁飽和的影響，使得激勵電流與磁通波形不一致產(chǎn)生了非正弦(主要是三次諧波)磁通，從而在次級繞組感應(yīng)出非正弦電勢。另外，激勵電流波形失真，因其內(nèi)含高次諧波分量，這樣也將導(dǎo)致零點(diǎn)殘余電壓中有高次諧波成分。,47,1從設(shè)計(jì)和工藝上保證結(jié)構(gòu)對稱性 為保證線圈和磁路的對稱性，首先，要求提高加工精度，線圈選配成對，采用磁路可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。其次，應(yīng)選高磁導(dǎo)率、低矯頑力、低剩磁感應(yīng)的導(dǎo)磁材料。并應(yīng)經(jīng)過熱處理，消除殘余應(yīng)力，以提高磁性能的均勻性和穩(wěn)定性。由高次諧波產(chǎn)生的因素可知，磁路工作點(diǎn)應(yīng)選在磁化曲線的線性段。,消除零點(diǎn)殘余電壓方法：,48,采用相敏檢波電路不僅可鑒別銜鐵移動方向，而且把銜鐵在中間位置時(shí)，因高次諧波引起的零點(diǎn)殘余電壓消除掉。如圖，采用相敏檢波后銜鐵反行程時(shí)的特性曲線由1變到2，從而消除了零點(diǎn)殘余電壓。,相敏檢波后的輸出特性,2選用合適的測量線路,49,3采用補(bǔ)償線路,在差動變壓器次級繞組側(cè)串、并聯(lián)適當(dāng)數(shù)值的電阻、電容元件，當(dāng)調(diào)整這些元件時(shí)，可使零點(diǎn)殘存電壓減小。,在次級繞組側(cè)并聯(lián)電容。由于兩個(gè)次級線圈感應(yīng)電壓相位不同，并聯(lián)電容可改變繞組的相位，并聯(lián)電阻r是為了利用r的分流作用，使流入傳感器線圈的電流發(fā)生變化，從而改變磁化曲線的工作點(diǎn)，減小高次諧波所產(chǎn)生的殘余電壓。,50,串聯(lián)電阻r可以調(diào)整次級線圈的電阻分量。,51,在次級繞組側(cè)并聯(lián)電位器w用于電氣調(diào)零，改變兩個(gè)次級線圈輸出電壓的相位。電容c可防止調(diào)整電位器時(shí)使零點(diǎn)移動。,接入補(bǔ)償線圈l以避免負(fù)載不是純電阻而引起較大的零點(diǎn)殘存電壓。,52,3.2.3 差動變壓器的測量電路,1. 差動整流電路,圖3-14 全波差動整流電路,無論次級線圈的輸出瞬時(shí)電壓極性如何，整流電路的輸出電壓u0始終等于r1、r2兩個(gè)電阻上的電壓差。,53,根據(jù)半導(dǎo)體二級管單向?qū)ㄔ怼?若傳感器的一個(gè)次級線圈的輸出瞬時(shí)電壓極性在e點(diǎn)為“”，f點(diǎn)為“”，則電流路徑是eacdbf。反之，如e點(diǎn)為“”，f點(diǎn)為“”，則電流路徑是fbcdae?？梢姡瑹o論次級線圈的輸出瞬時(shí)電壓極性如何，通過電阻r1上的電流總是從c到d 。同理，分析另一個(gè)次級線圈的輸出情況可知：通過電阻r2上的電流總是從g到h 。 輸出電壓u0始終等于r1、r2兩個(gè)電阻上的電壓差。,54,鐵芯在零位以上,鐵芯在零位,鐵芯在零位以下,圖3-14 全波差動整流電路,結(jié)論： 鐵芯在零位以上或零位以下時(shí)，輸出電壓的極性相反，零點(diǎn)殘存電壓自動抵消。,55,容易做到輸出平衡，便于阻抗匹配。圖中比較電壓和同頻，經(jīng)過移相器使和保持同相或反相，且滿足 。,2 二級管相敏檢波電路,56,當(dāng)銜鐵在中間位置時(shí)，位移x（t）= 0，傳感器輸出電壓=0,只有起作用。,57,正半周時(shí),因?yàn)槭菑闹行某轭^，所以u1= u ，故i= i。流經(jīng)rl的電流為 i= i4-i =,58,負(fù)半周時(shí),同理可知 i= i，所以流經(jīng)rl的電流為 i= i i =,59,正半周時(shí),故i i，流經(jīng)rl的電流為 i= i4 - i ,當(dāng)銜鐵在零位以上時(shí)，位移x（t） 0，與同頻同相。,60,d2,負(fù)半周時(shí),故i i，流經(jīng)rl的電流為 i= i i ,i1,u1,u2,+,r,-,rl,r,d3,d1,d4,r,r,t1,t2,i2,-,+,e1,e2,+,-,+,-,61,正半周負(fù)半周,故i i。流經(jīng)rl的電流為 i= i4-i ,當(dāng)銜鐵在零位以下時(shí)，位移x（t） 0，與同頻反相。,62,同理:在負(fù)半周正半周時(shí)：,i i。流經(jīng)rl的電流為 i= i i 表示i0的方向也與規(guī)定的正方向相反。,63,結(jié)論： 銜鐵在中間位置時(shí)，無論參考電壓是正半周還是負(fù)半周，在負(fù)載rl上的輸出電壓始終為0 銜鐵在零位以上移動時(shí)，無論參考電壓是正半周還是負(fù)半周，在負(fù)載rl上得到的輸出電壓始終為正。 銜鐵在零位以下移動時(shí)，無論參考電壓是正半周還是負(fù)半周，在負(fù)載rl上得到的輸出電壓始終為負(fù)。 由此可見，該電路能判別鐵芯移動的方向。,64,二級管相敏檢波在u1、u2同相位時(shí)的波形,65,圖3-17 相敏檢波前后的輸出特性曲線,（a）,經(jīng)過相敏檢波電路后，正位移輸出正電壓， 負(fù)位移輸出負(fù)電壓。差動變壓器的輸出經(jīng)過相敏檢波以后，特性曲線由圖3-17的（a）變成（b），殘存電壓也得到消除。,（b）,66,電感式傳感器的應(yīng)用,1.差動變壓器位移傳感器,67,板的厚度測量,68,張力測量,69,力和壓力的測量,70,振動和加速度的測量,71,液位測量,72,位移測量,73,3.3電渦流式傳感器,電渦流式傳感器是利用電渦流效應(yīng)進(jìn)行工作的。由于結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、頻響范圍寬、不受油污等介質(zhì)的影響，并能進(jìn)行非接觸測量，適用范圍廣，它一問世就受到各國的重視。目前，這種傳感器已廣泛用來測量位移、振動、厚度、轉(zhuǎn)速、溫度、硬度等參數(shù)，以及用于無損探傷領(lǐng)域。,74,一.工作原理,圖3.25 電渦流式傳感器的基本原理,75,如圖3.25所示，有一通以交變電流的傳感器線圈。由于電流的存在，線圈周圍就產(chǎn)生一個(gè)交變磁場h1。若被測導(dǎo)體置于該磁場范圍內(nèi)，導(dǎo)體內(nèi)便產(chǎn)生電渦流，也將產(chǎn)生一個(gè)新磁場h2，h2與h1方向相反，力圖削弱原磁場h1,從而導(dǎo)致線圈的電感、阻抗和品質(zhì)因數(shù)發(fā)生變化。這些參數(shù)變化與導(dǎo)體的幾何形狀、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、線圈的幾何參數(shù)、電流的頻率以及線圈到被測導(dǎo)體間的距離有關(guān)。如果控制上述參數(shù)中一個(gè)參數(shù)改變，余者皆不變，就能構(gòu)成測量該參數(shù)的傳感器。,76,圖3.26 等效電路,為分析方便，我們將被測導(dǎo)體上形成的電渦流等效為一個(gè)短路環(huán)中的電流。這樣，線圈與被測導(dǎo)體便等效為相互耦合的兩個(gè)線圈，如圖3.26所示。設(shè)線圈的電阻為r1，電感為l1，阻抗為z1=r1+jl1；短路環(huán)的電阻為r2，電感為l2；線圈與短路環(huán)之間的互感系數(shù)為m。,77,m隨它們之間的距離x減小而增大。加在線圈兩端的激勵電壓為u1。根據(jù)基爾霍夫定律，可列出電壓平衡方程組,解之得,78,由此可求得線圈受金屬導(dǎo)體渦流影響后的等效阻抗為,線圈的等效電感為,79,由式(3-39)可見，由于渦流的影響，線圈阻抗的實(shí)數(shù)部分增大，虛數(shù)部分減小，因此線圈的品質(zhì)因數(shù)q下降。阻抗由z1變?yōu)閦，常稱其變化部分為“反射阻抗”。由式(3-39)可得,式中 無渦流影響時(shí)線圈的q值； 短路環(huán)的阻抗。,80,q值的下降是由于渦流損耗所引起，并與金屬材料的導(dǎo)電性和距離x直接有關(guān)。當(dāng)金屬導(dǎo)體是磁性材料時(shí)，影響q值的還有磁滯損耗與磁性材料對等效電感的作用。在這種情況下，線圈與磁性材料所構(gòu)成磁路的等效磁導(dǎo)率e的變化將影響l。當(dāng)距離x減小時(shí)，由于e增大而使l1變大。,81,由前面討論可知，線圈-金屬導(dǎo)體系統(tǒng)的阻抗、電感和品質(zhì)因數(shù)都是該系統(tǒng)互感系數(shù)平方的函數(shù)。而互感系數(shù)又是距離x的非線性函數(shù)，因此當(dāng)構(gòu)成電渦流式位移傳感器時(shí)，z=f1(x)、l=f2(x)、q=f3(x)都是非線性函數(shù)。但在一定范圍內(nèi)，可以將這些函數(shù)近似地用一線性函數(shù)來表示，于是在該范圍內(nèi)通過測量z、l或q的變化就可以線性地獲得位移的變化。,82,傳感器的結(jié)構(gòu),線圈 2.框架 3框架襯套4 支架 5電纜 6插頭,83,二. 測量電路 根據(jù)電渦流式傳感器的工作原理，其測量電路有三種：諧振電路、電橋電路與q值測試電路。這里主要介紹諧振電路。目前電渦流式傳感器所用的諧振電路有三種類型：定頻調(diào)幅式、變頻調(diào)幅式與調(diào)頻式。 1.定頻調(diào)幅電路 圖3.27為這種電路的原理框圖。,84,圖中l(wèi)為傳感器線圈電感，與電容c組成并聯(lián)諧振回路，晶體振蕩器提供高頻激勵信號。在無被測導(dǎo)體時(shí)，lc并聯(lián)諧振回路調(diào)諧在與晶體振蕩器頻率一致的諧振狀態(tài)，這時(shí)回路阻抗最大，回路壓降最大(圖3.28中之u0)。,圖3.27 定頻調(diào)幅電路框圖,85,當(dāng)傳感器接近被測導(dǎo)體時(shí)，損耗功率增大，回路失諧，輸出電壓相應(yīng)變小。這樣，在一定范圍內(nèi)，輸出電壓幅值與間隙(位移)成近似線性關(guān)系。由于輸出電壓的頻率f0始終恒定，因此稱定頻調(diào)幅式。,86,2.變頻調(diào)幅電路,定頻調(diào)幅電路雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，并獲得廣泛應(yīng)用，但線路較復(fù)雜，裝調(diào)較困難，線性范圍也不夠?qū)?。因此，人們又研究了一種變頻調(diào)幅電路，這種電路的基本原理是將傳感器線圈直接接入電容三點(diǎn)式振蕩回路。當(dāng)導(dǎo)體接近傳感器線圈時(shí)，由于渦流效應(yīng)的作用，振蕩器輸出電壓的幅度和頻率都發(fā)生變化，利用振蕩幅度的變化來檢測線圈與導(dǎo)體間的位移變化，而對頻率變化不予理會。,87,變頻調(diào)幅電路的諧振曲線如圖3.29所示。,圖3.29 變頻調(diào)幅諧振曲線,88,無被測導(dǎo)體時(shí)，振蕩回路的q值最高，振蕩電壓幅值最大，振蕩頻率為f0。當(dāng)有金屬導(dǎo)體接近線圈時(shí)，渦流效應(yīng)使回路q值降低，諧振曲線變鈍，振蕩幅度降低，振蕩頻率也發(fā)生變化。當(dāng)被測導(dǎo)體為軟磁材料時(shí)，由于磁效應(yīng)的作用，諧振頻率降低，曲線左移；被測導(dǎo)體為非軟磁材料時(shí)，諧振頻率升高，曲線右移。所不同的是，振蕩器輸出電壓不是各諧振曲線與f0的交點(diǎn)，而是各諧振曲線峰點(diǎn)的連線。,89,這種電路除結(jié)構(gòu)簡單、成本較低外，還具有靈敏度高、線性范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，因此監(jiān)控等場合常采用它。必須指出，該電路用于被測導(dǎo)體為軟磁材料時(shí)，雖由于磁效應(yīng)的作用使靈敏度有所下降，但磁效應(yīng)時(shí)對渦流效應(yīng)的作用相當(dāng)于在振蕩器中加入負(fù)反饋，因而能獲得很寬的線性范圍。所以如果配用渦流板進(jìn)行測量，應(yīng)選用軟磁材料。,90,3.調(diào)頻電路 調(diào)頻電路與變頻調(diào)幅電路一樣，將傳感器線圈接入電容三點(diǎn)式振蕩回路，所不同的是，以振蕩頻率的變化作為輸出信號。如欲以電壓作為輸出信號，則應(yīng)后接鑒頻器。 這種電路的關(guān)鍵是提高振蕩器的頻率穩(wěn)定度。通?？梢詮沫h(huán)境溫度變化、電纜電容變化及負(fù)載影響三方面考慮。 提高諧振回路元件本身的穩(wěn)定性也是提高頻率穩(wěn)定度的一個(gè)措施。為此，傳感器線圈l可采用熱繞工藝?yán)@制在低膨脹系數(shù)材料的骨架上，并配以高穩(wěn)定的云母電容或具有適當(dāng)負(fù)溫度系數(shù)的電容(進(jìn)行溫度補(bǔ)償)作為諧振電容c。此外，提高傳感器探頭的靈敏度也能提高儀器的相對穩(wěn)定性。,91,低頻透射式渦流傳感器,透射式渦流傳感器原理 線圈感應(yīng)電勢與厚度關(guān)系曲線,測厚的依據(jù): e的大小間接反映了m的厚度t,92,當(dāng)選用不同的測試頻率時(shí)，滲透深度q滲的值是不同的， 從而使et曲線的形狀發(fā)生變化。,在t較小的情況下，q小曲線的斜率大于q大曲線的斜率 而在t較大的情況下，q大曲線的斜率大于q小曲線的斜率。 測量薄板時(shí)應(yīng)選較高的頻率，測量厚材時(shí)應(yīng)選較低的頻率。,93,渦流式傳感器的應(yīng)用,94,1位移測量,(a) 汽輪機(jī)主軸的軸向位移測量示意圖 (b) 磨床換向閥、先導(dǎo)閥的位移測量示意圖 (c) 金屬試件的熱膨脹系數(shù)測量示意圖,95,2 振幅測量,(a)汽輪機(jī)和空氣壓縮機(jī)用監(jiān)控主軸的徑向振動的示意圖 (b)測量發(fā)動機(jī)渦輪葉片的振幅的示意圖 (c) 通常使用數(shù)個(gè)傳感器探頭并排地安置在軸附近,96,97,3厚度測量,電渦流式厚度計(jì)的測量原理圖,98,4轉(zhuǎn)速測量,f頻率值(hz)； n旋轉(zhuǎn)體的槽(齒)數(shù)； n被測軸的轉(zhuǎn)速(rmin)。,99,100,5. 渦流探傷,可以用來檢查金屬的表面裂紋、熱處理裂紋以及用于焊接部位的探傷等。 綜合參數(shù)(x, , )的變化將引起傳感器參數(shù)的變化，通過測量傳感器參數(shù)的變化即可達(dá)到探傷的目的。 在探傷時(shí)導(dǎo)體與線圈之間是有著相對運(yùn)動速度的，在測量線圈上就會產(chǎn)生調(diào)制頻率信號,101,a)比較淺的裂縫信號 b)經(jīng)過幅值甄別后的信號,在探傷時(shí)，重要的是缺陷信號和干擾信號比。 為了獲得需要的頻率而采用濾波器，使某一頻率的信號通過，而將干擾頻率信號衰減。,用渦流探傷時(shí)的測量信號,102,電渦流傳感器測溫度，由于測量范圍寬、反應(yīng)速度快、可實(shí)現(xiàn)非接觸測量，常用于在線檢測。,圖3.32 測溫用渦流式傳感器,1-補(bǔ)償線圈；2-管架；3-測量線圈；4-隔熱襯墊；5-溫度敏感元件,103,6.溫度測量, 在較小的溫度范圍內(nèi)，導(dǎo)體的電阻率與溫度的關(guān)系為 式中 1、0分別為溫度t1與t0時(shí)的電阻率； a在給定溫度范圍內(nèi)的電阻溫度系數(shù)。 若保持電渦流式傳感器的機(jī)、電、磁各參數(shù)不變，使傳感器的輸出只隨被測導(dǎo)體電阻率而變，就可測得溫度的變化。上述原理可用來測量液體、氣體介質(zhì)溫度或金屬材料的表面溫度，適合于低溫到常溫的測量。,104,優(yōu)點(diǎn)是： (1)不受金屬表面涂料、油、水等介質(zhì)的影響； (2)可實(shí)現(xiàn)非接觸測量； (3)反應(yīng)快。 目前已制成熱慣性時(shí)間常數(shù)僅1ms的電渦流溫度計(jì)。 除上述應(yīng)用外，電渦流式傳感器還可利用磁導(dǎo)率與硬度有關(guān)的特性實(shí)現(xiàn)非接觸式硬度連續(xù)測量等。,105,一、壓磁效應(yīng) 鐵磁材料在磁場中磁化時(shí)，在磁場方向會伸長或縮短，這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮效應(yīng)。材料隨磁場強(qiáng)度的增加而伸長或縮短不是無限制的，最終會達(dá)到飽和。 各種材料的飽和伸縮比是定值，稱為磁致伸縮系數(shù)，用s表示，即,壓磁式傳感器,(3-43),式中 伸縮比。,106,在一定的磁場范圍內(nèi)，一