07 電感式傳感器

1、現(xiàn)代檢測技術現(xiàn)代檢測技術 電感式傳感器電感式傳感器 精勤求學 敦篤勵志 果毅力行 忠恕任事 Xian Jiaotong University 電感式傳感器電感式傳感器 電感式傳感器是基于電感式傳感器是基于電磁感應原理電磁感應原理，將輸入量轉換成線，將輸入量轉換成線 圈圈自感和互感自感和互感變化量的一種裝置。常配以不同的敏感元件用變化量的一種裝置。常配以不同的敏感元件用 來來測量測量位移和可以轉換成位移變化的機械量位移和可以轉換成位移變化的機械量（如力、張力、（如力、張力、 壓力、壓差、加速度、振動、應變、流量、厚度、液位、比壓力、壓差、加速度、振動、應變、流量、厚度、液位、比 重、轉矩等）。重

2、、轉矩等）。 Xian Jiaotong University 自感自感L與氣隙與氣隙成反比，而與氣隙導磁截面積成反比，而與氣隙導磁截面積A成正比。成正比。 W線圈匝數，線圈匝數，0空氣磁導率?？諝獯艑?。 變磁阻式自感傳感器變磁阻式自感傳感器 Xian Jiaotong University 變氣隙式自感傳感器變氣隙式自感傳感器 Xian Jiaotong University 變面積式自感傳感器變面積式自感傳感器 Xian Jiaotong University 也可認為是也可認為是有效線圈匝數有效線圈匝數 變化變化引起自感變化。引起自感變化。 螺管式自感傳感器螺管式自感傳感器 Xian

3、Jiaotong University 螺管式自感傳感器螺管式自感傳感器 v 特點：特點： 線圈中段靈敏度最高，線性度最好；線圈中段靈敏度最高，線性度最好； 由于空氣間隙大，磁路磁阻高，靈敏度低，但線性范圍大；由于空氣間隙大，磁路磁阻高，靈敏度低，但線性范圍大； 測量范圍：測量范圍：550mm，非線性誤差在，非線性誤差在5%左右；左右； 易受外部磁場干擾；易受外部磁場干擾； 線圈分布電容大；線圈分布電容大； 線圈框架尺寸和形狀穩(wěn)定性要求高。線圈框架尺寸和形狀穩(wěn)定性要求高。 Xian Jiaotong University 兩個結構完全相同的自感線圈組合在一起形成差動結構，兩個結構完全相同的自感

4、線圈組合在一起形成差動結構， 可提高靈敏度，改善輸出特性的非線性，實際中常用?？商岣哽`敏度，改善輸出特性的非線性，實際中常用。 差動測量系統(tǒng)差動測量系統(tǒng) Xian Jiaotong University 差動測量系統(tǒng)差動測量系統(tǒng) 差動式電感傳感器工作原理及輸出特性差動式電感傳感器工作原理及輸出特性 * 變壓器電橋電路變壓器電橋電路 Xian Jiaotong University 差動測量系統(tǒng)差動測量系統(tǒng) Xian Jiaotong University 差動測量系統(tǒng)差動測量系統(tǒng) ，間隙改變量與，間隙改變量與 呈理想線性關系呈理想線性關系 12 12 LL LL 12 12 LL LL Xia

5、n Jiaotong University 差動測量系統(tǒng)差動測量系統(tǒng) Xian Jiaotong University 差動式自感傳感器的線圈可差動式自感傳感器的線圈可 以用復阻抗以用復阻抗Z等效，常采用等效，常采用交流電交流電 橋、諧振電路橋、諧振電路等測量。等測量。 交流電橋交流電橋 交流電橋平衡條件為：交流電橋平衡條件為： 若阻抗寫成復指數形式時，平若阻抗寫成復指數形式時，平 衡條件為衡條件為: 1324 Z ZZ Z Z Z1 1Z Z2 2 Z Z4 4 Z Z3 3 b b a a c c d d e ex x e eo o I I1 1 I I2 2 自感傳感器測量電路自感傳感器

6、測量電路 Xian Jiaotong University R R1 1 R R2 2 R R4 4 R R3 3 b b a a c c d d e ex x e eo o L L4 4 L L1 1 113442 Rj L RRj LR令實部、虛部分別相等。令實部、虛部分別相等。 電感式電橋電感式電橋 當電橋不平衡時，試寫出輸出電壓當電橋不平衡時，試寫出輸出電壓eo的表達式。的表達式。 Xian Jiaotong University 輸出電壓，以輸出電壓，以d為參考點為參考點 221 1212 22 oac ZZZuu uuuu ZZZZ 當感抗遠大于直流電阻時：當感抗遠大于直流電阻時：

7、 10 200 2 o LLL uL u LLLL 變壓器電橋變壓器電橋 變壓器電橋變壓器電橋與與電阻平衡電橋電阻平衡電橋相比：相比： 優(yōu)點：優(yōu)點：元件少，輸出阻抗?。辉?，輸出阻抗??； 缺點：缺點：變壓器副邊不接地，容易產生來自緣原邊的靜電感應電壓，使高增益放變壓器副邊不接地，容易產生來自緣原邊的靜電感應電壓，使高增益放 大器不能正常工作。大器不能正常工作。 Xian Jiaotong University 自感傳感器測量電路自感傳感器測量電路 L1和和L2是差動電感傳感器相鄰兩個橋臂，輸出電壓是差動電感傳感器相鄰兩個橋臂，輸出電壓 的大小和極性反映了被測量的性質（如位移的大小及方的大小和

8、極性反映了被測量的性質（如位移的大小及方 向）。由于輸出是交流電壓，向）。由于輸出是交流電壓，需要專門的電路來鑒別輸需要專門的電路來鑒別輸 出電壓的極性，以確定銜鐵的位移方向。出電壓的極性，以確定銜鐵的位移方向。 m xt t Xian Jiaotong University 交流電橋的調制與解調交流電橋的調制與解調 Xian Jiaotong University 交流電橋的調制與解調交流電橋的調制與解調 Xian Jiaotong University 交流電橋的調制與解調交流電橋的調制與解調 Xian Jiaotong University 交流電橋的調制與解調交流電橋的調制與解調 已調

9、制波的頻譜相當于將調制波的頻譜移至載波已調制波的頻譜相當于將調制波的頻譜移至載波 頻率頻率 f0 處，幅值下降一半。處，幅值下降一半。 max max X 1 0max 0max X 1/2 0 0 Xian Jiaotong University 交流電橋的調制與解調交流電橋的調制與解調 1 12 2 Xian Jiaotong University 交流電橋的調制與解調交流電橋的調制與解調 0max 0max X 1/2 0 0 Xian Jiaotong University 同步解調法同步解調法：將調幅波經一乘法器與原載波信號相乘。：將調幅波經一乘法器與原載波信號相乘。 000 1 c

10、os2cos21 cos4 2 r tx tf tf tx tf t 00 00 1 2 11 22 24 mm R fXffXff XfXffXff 幅值調制的解調幅值調制的解調 Xian Jiaotong University 幅值調制的解調幅值調制的解調 理想低通濾波器的截止頻率理想低通濾波器的截止頻率 f 滿足：滿足： max0max 2ffff 同步解調法必須采用頻率合成技術保證載波頻率與解同步解調法必須采用頻率合成技術保證載波頻率與解 調時頻率嚴格一致，采用鎖相器保證相位變化完全同步，調時頻率嚴格一致，采用鎖相器保證相位變化完全同步， 故成本較高。故成本較高。 Xian Jiaot

11、ong University 整流檢波法整流檢波法：在調制信號上加一個直流分量：在調制信號上加一個直流分量A，使偏置后，使偏置后 的信號具有正電壓值。的信號具有正電壓值。 該方法得到的已調制波的包絡線具有原信號形狀，可以該方法得到的已調制波的包絡線具有原信號形狀，可以 經過整流和濾波恢復出原調制信號。經過整流和濾波恢復出原調制信號。 x t A t m xt A t m xt x t R R C C 該方法解調簡單，但要求調幅該方法解調簡單，但要求調幅 發(fā)射機有較大的功率容量。發(fā)射機有較大的功率容量。 幅值調制的解調幅值調制的解調 Xian Jiaotong University 相敏解調法相

12、敏解調法：通過檢測調制信號的相位，使已調制信號的：通過檢測調制信號的相位，使已調制信號的 幅值和相位均同原調制信號一致。（參見二極管相敏檢波電幅值和相位均同原調制信號一致。（參見二極管相敏檢波電 路）路） m xt t m xt t 調幅波調幅波 相敏檢波后的波形相敏檢波后的波形 該方法能同時恢復被測該方法能同時恢復被測 信號的幅值和相位，因信號的幅值和相位，因 此得到廣泛應用，尤其此得到廣泛應用，尤其 是對具有極性和方向性是對具有極性和方向性 的被測量。的被測量。 幅值調制的解調幅值調制的解調 Xian Jiaotong University 幅值調制的解調幅值調制的解調 Xian Jiao

13、tong University 幅值調制的解調幅值調制的解調 Xian Jiaotong University 二極管相敏檢波電路及波形二極管相敏檢波電路及波形 VD1VD2 VD4 VD3 M u1 u1 u1 u2 u2 u2 T1T2 i4(i1)i3(i2) VD1VD2 VD4 VD3 M u1 u1 u1 u2 u2 u2 T1T2 (a) u1= 0 (b) u1 0 O O O O O O O (c) u1、u2同相時的波形 u1 u2 i1 i2 i3 i4 iM t t t t t t t + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - i3

14、(i2)i4(i1)iM=i1+i4-i2-i3 Xian Jiaotong University 二極管相敏檢波電路及波形二極管相敏檢波電路及波形 u1為輸入信號為輸入信號交流電橋輸出的調幅信號，交流電橋輸出的調幅信號，u2為基準信號，為基準信號， 二者頻率相同，幅值上二者頻率相同，幅值上u2u1； 當當u1=0時，在時，在u2作用下，在正半周時，作用下，在正半周時，VD3、VD4導通；在導通；在 負半周時，負半周時，VD1、VD2導通，電流表輸出始終為零；導通，電流表輸出始終為零； 當當u10時，若時，若u1和和u2相位相同，相位相同，iM = ( i1 + i4 ) - ( i2 + i

15、3 ) , 輸出輸出 電流始終為正值；電流始終為正值； 當當u10時，若時，若u1和和u2相位相反，相位相反，iM = (i1 + i4) - (i2 + i3) , 此時輸此時輸 出電流始終為負值；出電流始終為負值； Xian Jiaotong University 互感型傳感器的工作原理是利用電磁感應中的互感現(xiàn)互感型傳感器的工作原理是利用電磁感應中的互感現(xiàn) 象，將被測量象，將被測量( (位移位移) )轉換成感應電勢的變化。由于常采用轉換成感應電勢的變化。由于常采用 兩個次級線圈組成差動式，故又稱差動變壓器式傳感器。兩個次級線圈組成差動式，故又稱差動變壓器式傳感器。 實際中多采用螺管線圈型差

16、動變壓器。實際中多采用螺管線圈型差動變壓器。 傳感器輸出電壓傳感器輸出電壓( (調幅波調幅波) )反映了位移的大小及方向，反映了位移的大小及方向， 但因為交流信號，只有接入相應電路（相敏檢波、差動整但因為交流信號，只有接入相應電路（相敏檢波、差動整 流等），才能提取出這兩種信息。流等），才能提取出這兩種信息。 M1 M2 i di eM dt 感應電勢感應電勢 互感傳感器互感傳感器 Xian Jiaotong University 判斷鐵芯移動大小和方向，判斷鐵芯移動大小和方向， 消除零點殘余電壓消除零點殘余電壓 1 2 3 4 1 2 3 4 Xian Jiaotong University

17、 互感傳感器互感傳感器 Xian Jiaotong University H2 被測導體被測導體 H1 傳感器激勵電流傳感器激勵電流 電渦流傳感器原理圖電渦流傳感器原理圖 I1 I2 ( , , , , )ZFr f x 其中：其中： 金屬電導率，金屬電導率， 金屬磁導率，金屬磁導率， r 線圈與被測物體的尺寸因子，線圈與被測物體的尺寸因子， f 激磁電流頻率，激磁電流頻率， x 線圈與導體間的距離線圈與導體間的距離 基于法拉第電磁感應原理，當傳基于法拉第電磁感應原理，當傳 感器線圈通以正弦交變電流感器線圈通以正弦交變電流 I1 時，線時，線 圈周圍空間將產生正弦交變磁場圈周圍空間將產生正弦交

18、變磁場 H1， 被測導體內產生呈渦旋狀的交變感應被測導體內產生呈渦旋狀的交變感應 電流電流I2 ，稱電渦流效應。電渦流產生稱電渦流效應。電渦流產生 的交變磁場的交變磁場H2與與H1方向相反，它使傳方向相反，它使傳 感器線圈等效阻抗發(fā)生變化。感器線圈等效阻抗發(fā)生變化。 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 Xian Jiaotong University 應用：應用：x位移、厚度、振幅；位移、厚度、振幅； 表面溫度、電解質濃度、材質判別等；表面溫度、電解質濃度、材質判別等； ，無損探傷等。無損探傷等。 特點：非接觸連續(xù)測量，靈敏度高、頻響寬、分辨率高特點：非接觸連續(xù)測量，靈敏度高、頻響寬、分辨率高 渦流

19、分布在導體表面渦流分布在導體表面 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 Xian Jiaotong University 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 X R Xian Jiaotong University 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 Xian Jiaotong University 高頻反射式電渦流式傳感器：高頻反射式電渦流式傳感器： 高頻高頻(lMHz)激勵電流激勵電流 高頻反射式渦流傳感器多高頻反射式渦流傳感器多 用于位移及與位移相關的用于位移及與位移相關的 厚度、振動等測量。厚度、振動等測量。 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 Xian Jiaotong University 低頻透射式電渦流

20、式傳低頻透射式電渦流式傳 感器：感器： 音頻音頻(20kHz)激勵電流激勵電流 低頻透射式渦流傳感器低頻透射式渦流傳感器 多用于測定材料厚度。多用于測定材料厚度。 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 Xian Jiaotong University w 測量電路測量電路交流電橋、諧振電路交流電橋、諧振電路 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 Xian Jiaotong University 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 LC并聯(lián)阻抗并聯(lián)阻抗 Xian Jiaotong University 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 LC回路是振蕩器的一部分回路是振蕩器的一部分 Xian Jiaotong Univer

21、sity 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 v 電渦流式傳感器的特點：電渦流式傳感器的特點： 非接觸測量，不易受油液介質影響；非接觸測量，不易受油液介質影響； 結構簡單，使用方便，靈敏度高，最高分辨率達結構簡單，使用方便，靈敏度高，最高分辨率達 0.05微米；微米； 頻率響應范圍寬，適合動態(tài)測量。頻率響應范圍寬，適合動態(tài)測量。 Xian Jiaotong University 電感式傳感器的應用電感式傳感器的應用 測轉速測轉速 測厚度測厚度 計數計數 測裂紋測裂紋 Xian Jiaotong University 電感式傳感器的應用電感式傳感器的應用 Xian Jiaotong University 無損探傷無損探傷 電感式傳感器的應用電感式傳感器的應用 Xian Jiaotong University 電感式傳感器的應用電感式傳感器的應用 圖爾克公司生產的各種外形的標準型電感式接近開圖爾克公司生產的各種外形的標準型電感式接近開 關，包括環(huán)形傳感器、窄縫型傳感器、模擬量輸出型傳關，包括環(huán)形傳感器、窄縫型傳感器、模擬量輸出型傳 感器、耐高溫傳感器、耐高壓傳感器、