傳感器_04電感式傳感器

1、傳感器原理及應(yīng)用 2014年4月29日 Principles and Applications of Transducer 機(jī)械與汽車工程學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院 主主 講：黃海鴻講：黃海鴻 電電 郵：郵： 地地 址：機(jī)械樓址：機(jī)械樓417室室 1 第四章 電感式傳感器 n原理：應(yīng)用電磁感應(yīng)原理，將被測非電量（如：位 移、壓力、應(yīng)變、流量等）轉(zhuǎn)換成電感量的變化， 包括自感和互感的變化，然后通過測量電路轉(zhuǎn)換成 電壓或電流形式輸出，實(shí)現(xiàn)非電量測量的一種裝置。 n電感：在通過一定數(shù)量變化電流的情況下，線圈產(chǎn) 生自感電動(dòng)勢的能力，稱為線圈的電感量，即電感。 n自感：當(dāng)線圈中有電流通過時(shí)，線圈的周圍就會(huì)產(chǎn)

2、生磁 場。當(dāng)線圈中電流發(fā)生變化時(shí)，其周圍的磁場也產(chǎn)生相 應(yīng)的變化，此變化的磁場可使線圈自身產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。 n互感：兩個(gè)電感線圈相互靠近時(shí)，一個(gè)電感線圈的磁場 變化將影響另一個(gè)電感線圈，稱為互感，其大小取決于 電感線圈的自感與兩個(gè)電感線圈耦合的程度。 2 電磁感應(yīng) n1820年，奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng) n法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)原理(1831年) n變化的磁場可以使線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流 n一個(gè)線圈電流變化，可以使另一個(gè)線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流。 導(dǎo)電線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢與穿過線圈的磁通量的變化率 成正比：e = d / d t 磁棒 3 電感式傳感器的類型 n按工作原理分類 n自感應(yīng)原理：自感式電感傳感器 n互感

3、應(yīng)原理：互感式電感傳感器 n按結(jié)構(gòu)分類 n閉合磁路結(jié)構(gòu) 整個(gè)閉合磁路都由磁性材料組成， 環(huán)形磁芯就是典型的閉磁路 n開磁路結(jié)構(gòu) 磁路中有明顯的空氣間隙，簡稱氣隙， 如U型永磁體 4 本章主要內(nèi)容 n第一節(jié) 自感式傳感器 n第二節(jié) 差動(dòng)變壓器 n第三節(jié) 電渦流式傳感器 n第四節(jié) 電感式傳感器應(yīng)用 n第五節(jié) 電渦流式傳感器應(yīng)用 5 4.1 自感式傳感器 n基本原理 n由線圈、鐵心和銜鐵等組成。當(dāng)銜鐵隨被測量變化而上、 下移動(dòng)時(shí)，鐵心氣隙、磁路磁阻隨之變化，引起線圈電 感量的變化，然后通過測量電路轉(zhuǎn)換成與位移成比例的 電量，實(shí)現(xiàn)了非電量到電量的變換 n線圈電感： L = N2 / Rm 式中，N線圈

4、匝數(shù)； Rm磁路總磁阻 特點(diǎn)：是一個(gè)具有可變氣隙的鐵心線圈！ 磁阻：磁路中的一個(gè)與電路 中的電阻相對(duì)應(yīng)的物理量 6 4.1 自感式傳感器 n基本原理 n磁路總磁阻Rm的組成 Rm = R1 + R2 + R n當(dāng)氣隙較小（一般空氣隙總長l為0.11mm）時(shí)， 可以認(rèn)為氣隙磁場呈均勻分布，用空氣隙磁阻R 代替總磁阻Rm，則線圈電感： L N2 / R = N20S / l 式中，0真空磁導(dǎo)率；S氣隙磁通截面積；N線圈匝數(shù)。 R1 R2 7 4.1 自感式傳感器 n氣隙型電感傳感器原理 n特性曲線 電感：L = f(S, l) 式中，l空氣隙總長， S氣隙磁通截面積。 0 0 0 0 2 0 1

5、)(2 LAN LLL 8 4.1 自感式傳感器 n變隙式氣隙型電感傳感器 n當(dāng)空氣間隙l在正反兩個(gè)方向變化不同的間隙 l時(shí)，電感的變化量L具有不對(duì)稱性 n變間隙式電感傳感器的測量范圍與靈敏度及線 性度相矛盾，只適用于微小位移量的檢測： l/2 = 0.10.5mm， l = (0.10.2) l/2 l l l ll l 9 4.1 自感式傳感器 n變隙式氣隙型電感傳感器 n靈敏度系數(shù)：KL = L0 / l n相對(duì)非線性誤差：L = | l / l | n提高傳感器特性（靈敏度、非線性）的方法： 采用差動(dòng)式 l/2 = 2mm左右， l = (0.10.2) l/2 s U L 1 L 2

6、 R o R o o U 12 2 1 3 1鐵 芯 ； 2線 圈 ； 3銜 鐵 1.鐵心; 2.線圈; 3.銜鐵。 10 4.1 自感式傳感器 n變面積式氣隙型電感傳感器 n氣隙長度l保持不變，令磁通截面積S隨被測量 變化而變化。 n線性度較好，但靈敏度仍然較低。 n由于受到工藝和結(jié)構(gòu)的限制，欲增大測量范圍， 可采用螺管型電感傳感器。 L N2 / R = N20S / l 線圈線圈 鐵芯鐵芯 銜鐵銜鐵 銜鐵移動(dòng)方向銜鐵移動(dòng)方向 11 n變面積式氣隙型電感傳感器輸出特性 4.1 自感式傳感器 12 4.1 自感式傳感器 n螺管型電感傳感器 n由螺管線圈、圓柱形鐵心和磁性套筒等組成。 n隨著鐵

7、心插入深度的不同，將引起線圈泄漏路徑中磁阻 變化，從而使螺管線圈的電感發(fā)生變化。當(dāng)用恒流源激 勵(lì)時(shí)，線圈的輸出電壓與鐵心的位移量有關(guān)。 鐵心 13 4.1 自感式傳感器 n單螺管線圈型電感傳感器 n螺管線圈內(nèi)磁場強(qiáng)度： n由于螺管長度l有限，軸向磁場分布是 不均勻的。如果l r，在x = l/2附近： n當(dāng)鐵心長度lc 1 MHz) 激勵(lì)電流，產(chǎn)生的高頻磁場作用于金屬 板的表面，在金屬板表面將形成渦電流。該渦流產(chǎn)生的 交變磁場又反作用于線圈，引起線圈自感 L 或阻抗 Z 的變化，其變化與距離 、金屬板的電阻率、磁導(dǎo)率、 激勵(lì)電流 I ，及角頻率等有關(guān)。 若只改變距離而保持其 他系數(shù)不變，則可將

8、位 移的變化轉(zhuǎn)換為線圈自 感的變化。高頻反射式 渦流傳感器多用于位移 測量。 24 4.3 電渦流式傳感器 n低頻透射式電渦流傳感器 n主要由發(fā)射線圈、接收線圈組成， 并分別位于被測材料上、下方。 由振蕩器產(chǎn)生的低頻電壓u1加到 發(fā)射線圈L1兩端，于是在接收線 圈L2兩端將產(chǎn)生感應(yīng)電壓u2，它 的大小與u1的幅值、頻率以及兩 個(gè)線圈的匝數(shù)、結(jié)構(gòu)和兩者的相 對(duì)位置有關(guān)。 n采用低頻激勵(lì)，因而有較大的貫 穿深度，適合于測量金屬材料的 厚度。 25 4.3 電渦流式傳感器 n低頻透射式電渦流傳感器 n在兩個(gè)線圈之間設(shè)置一金屬板，由于在金屬板內(nèi)產(chǎn)生電渦 流，該電渦流消耗了部分能量，使到達(dá)線圈L2的磁力

9、線減 小，從而引起u2的下降。金屬板厚度越大，電渦流損耗越 大，u2就越小?？梢妘2的大小間接反映了金屬板的厚度。 進(jìn)行厚度測量時(shí)，激勵(lì)頻率應(yīng)選得進(jìn)行厚度測量時(shí)，激勵(lì)頻率應(yīng)選得 低點(diǎn)。頻率太高，貫穿深度小于被低點(diǎn)。頻率太高，貫穿深度小于被 測厚度，不利進(jìn)行厚度測量，通常測厚度，不利進(jìn)行厚度測量，通常 選選1kHz左右。一般地說，測薄金左右。一般地說，測薄金 屬板時(shí)，頻率應(yīng)略高些；測厚金屬屬板時(shí)，頻率應(yīng)略高些；測厚金屬 板時(shí)，頻率應(yīng)低些。板時(shí)，頻率應(yīng)低些。 26 n利用電渦流法測板材厚度，已知激勵(lì)電源頻率利用電渦流法測板材厚度，已知激勵(lì)電源頻率f = 1 MHz，被測材料相對(duì)磁導(dǎo)率，被測材料相對(duì)

10、磁導(dǎo)率r = 1，電阻率，電阻率= 2.9 * 10-6 cm，被測板厚為（，被測板厚為（10.2）mm。要求。要求: (1) 計(jì)算采用高頻反射法測量時(shí)，渦流穿透深度計(jì)算采用高頻反射法測量時(shí)，渦流穿透深度h = ？ (2) 能否用低頻透射法測板厚？需要采取什么措施？能否用低頻透射法測板厚？需要采取什么措施？ - cm f Hz h - cm 27 4.4 電感式傳感器應(yīng)用 n主要用于測量微位移，凡是能轉(zhuǎn)換成位移量 變化的參數(shù)，如力、壓力、壓差、加速度、 振動(dòng)、應(yīng)變、流量、厚度、液位等，都可以 用電感式傳感器來進(jìn)行測量 n測位移：測頭的測端與被測件接觸，被測件的 微小位移使銜鐵在差動(dòng)線圈中移動(dòng)，

11、線圈的電 感值將產(chǎn)生變化，這一變化量通過引線接到交 流電橋，電橋的輸出電壓就反映被測件的位移 變化量。 28 u電感式傳感器的優(yōu)點(diǎn)電感式傳感器的優(yōu)點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡單、可靠結(jié)構(gòu)簡單、可靠 分辨率高分辨率高 機(jī)械位移機(jī)械位移0.1m0.1m，甚至更?。唤俏灰?，甚至更小；角位移0.10.1角秒。角秒。 輸出信號(hào)強(qiáng)，電壓靈敏度可達(dá)數(shù)百輸出信號(hào)強(qiáng)，電壓靈敏度可達(dá)數(shù)百mV/mm mV/mm 。 重復(fù)性好，線性度優(yōu)良重復(fù)性好，線性度優(yōu)良 在幾十在幾十mm到數(shù)百到數(shù)百mmmm的位移范圍內(nèi)，輸出特性的線性度較好，的位移范圍內(nèi)，輸出特性的線性度較好， 且比較穩(wěn)定。且比較穩(wěn)定。 能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸、記錄、顯示和控制能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)

12、距離傳輸、記錄、顯示和控制 u電感式傳感器的不足電感式傳感器的不足 存在交流零位信號(hào)，不宜高頻動(dòng)態(tài)測量。存在交流零位信號(hào)，不宜高頻動(dòng)態(tài)測量。 4.4 電感式傳感器應(yīng)用 29 4.4 電感式傳感器應(yīng)用 n電感式位移傳感器 induNCDT系列位移傳感器：主要用于位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速測量。傳感器的 前置放大器被集成安裝在傳感器殼體里，其輸出信號(hào)與測量位移成正比。 在傳感器測量量程內(nèi)線性精度優(yōu)于2。 30 4.4 電感式傳感器應(yīng)用 n電感式位移傳感器 主要技術(shù)指標(biāo)： 測量范圍：10.0mm； 響應(yīng)時(shí)間：3ms； 精度等級(jí)：1.0%； 工作溫度：-2575； 工作電源：220V AC 31 4.4 電感式

13、傳感器應(yīng)用 n測量液位 沉筒式液位計(jì)由于液位的變化，沉筒所受浮力也將產(chǎn)生 變化，這一變化轉(zhuǎn)變成銜鐵的位移，從而改變差動(dòng)變壓器的 輸出電壓，輸出值反映了液位的變化值。 32 4.4 電感式傳感器應(yīng)用 n測量厚度 33 4.4 電感式傳感器應(yīng)用 n變隙型電感式壓力傳感器 n當(dāng)壓力進(jìn)入膜盒時(shí)，膜盒的頂端在壓力當(dāng)壓力進(jìn)入膜盒時(shí)，膜盒的頂端在壓力P P的作用下，產(chǎn)生與壓力的作用下，產(chǎn)生與壓力P P大小成正大小成正 比的位移，于是銜鐵也發(fā)生移動(dòng)，從而使氣隙發(fā)生變化，流過線圈的電流比的位移，于是銜鐵也發(fā)生移動(dòng)，從而使氣隙發(fā)生變化，流過線圈的電流 也發(fā)生相應(yīng)的變化，電流表也發(fā)生相應(yīng)的變化，電流表A A的指示值

14、就反映了被測壓力的大小。的指示值就反映了被測壓力的大小。 P A 34 4.4 電感式傳感器應(yīng)用 n變隙型差動(dòng)電感式壓力傳感器 n當(dāng)被測壓力P進(jìn)入C形彈簧管時(shí)，彈簧管產(chǎn)生變形，自由 端發(fā)生位移，帶動(dòng)與其相連接的銜鐵運(yùn)動(dòng)，使線圈1、2 中的電感發(fā)生大小相等、符號(hào)相反的變化，即一個(gè)電感 量增大，另一個(gè)電感量減小。電感的變化通過電橋電路 轉(zhuǎn)換成電壓輸出，輸出電壓與被測壓力之間成比例關(guān)系。 線 圈 1 C形 彈 簧 管 調(diào) 機(jī) 械 零 點(diǎn) 螺 釘 線 圈 2銜 鐵 輸 出 P 35 將差動(dòng)變壓器和彈性敏感元件（膜片、膜盒和彈簧管等）相結(jié)合，將差動(dòng)變壓器和彈性敏感元件（膜片、膜盒和彈簧管等）相結(jié)合， 可

15、以組成各種形式的壓力傳感器?？梢越M成各種形式的壓力傳感器。 220V V 振蕩器穩(wěn)壓電源 差動(dòng)變壓器相敏檢波電路 這種變送器可分檔測量(51056105)N/m2壓力，輸出信號(hào)電 壓為(050)mV，精度為1.5級(jí)。 36 4.4 電感式傳感器應(yīng)用 n測量振動(dòng)、加速度 差動(dòng)變壓器式加速度傳感器，用于測定振動(dòng)物體的頻率和振幅。 激磁頻率必須是振動(dòng)頻率的十倍以上，才能得到精確的測量結(jié) 果?？蓽y量的振幅為(0.15)mm，振動(dòng)頻率為(0150)Hz。 1 彈性支撐； 2 差動(dòng)變壓器 37 4.5 電渦流式傳感器應(yīng)用 n可以測量各種形狀金屬零件的動(dòng)態(tài)位移，測量范圍可以為 015m，分辨率為0.05m；

16、或是0500mm，分辨率可達(dá) 0.1%?？捎糜跍y量汽輪機(jī)主軸的軸向竄動(dòng)、金屬件的熱膨 脹系數(shù)、鋼水液位、紗線張力、流體壓力等。 n可無接觸地測量各種振動(dòng)的幅值，如用來監(jiān)控汽輪機(jī)主軸 的徑向振動(dòng)。在研究軸的振動(dòng)時(shí)可以用多個(gè)傳感器測量出 軸的振動(dòng)形狀。 38 4.5 電渦流式傳感器應(yīng)用 n高頻反射型、低頻透射型電渦流傳感器均可用于 測量厚度 39 4.5 電渦流式傳感器應(yīng)用 n金屬零件計(jì)數(shù)器 40 4.5 電渦流式傳感器應(yīng)用 n安檢門 n內(nèi)部有若干個(gè)發(fā)射線圈和若干個(gè)接收線圈，均用環(huán)氧樹 脂澆灌、密封在門框內(nèi)。計(jì)算機(jī)根據(jù)感應(yīng)電壓的大小、 相位來判定金屬物體的大小，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 “軟x光”掃描儀

17、41 4.5 電渦流式傳感器應(yīng)用 n接近開關(guān) n屬于開關(guān)量輸出的位置傳感器，由LC高頻振蕩器和放大處理 電路組成，利用金屬物體在接近這個(gè)能產(chǎn)生電磁場的振蕩感 應(yīng)頭時(shí)，使物體內(nèi)部產(chǎn)生渦流。這個(gè)渦流反作用于接近開關(guān)， 使接近開關(guān)振蕩能力衰減，內(nèi)部電路的參數(shù)發(fā)生變化，由此 識(shí)別出有無金屬物體接近，進(jìn)而控制開關(guān)的通斷。接近開關(guān) 所能檢測的物體必須是金屬物體。自動(dòng)線上常用接近開關(guān)來 感知工件是否到位，從而控制生產(chǎn)。 42 載有交變電流的線圈產(chǎn)載有交變電流的線圈產(chǎn) 生交變磁場生交變磁場Hp，金屬物平，金屬物平 面感應(yīng)出電渦流，產(chǎn)生交面感應(yīng)出電渦流，產(chǎn)生交 變渦流磁場變渦流磁場Hs ，均在檢，均在檢 測線圈

18、（反向差動(dòng)線圈）測線圈（反向差動(dòng)線圈） 中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。 無損金屬材料探傷無損金屬材料探傷 金屬物 交流電流 激勵(lì)線圈 檢測線圈 pH交變磁通 sH 被測金屬物上無缺陷被測金屬物上無缺陷 穿過檢測線圈的兩個(gè)線穿過檢測線圈的兩個(gè)線 圈的磁通量相等，感應(yīng)電圈的磁通量相等，感應(yīng)電 勢相互抵消，輸出為零。勢相互抵消，輸出為零。 4.5 電渦流式傳感器應(yīng)用 43 被測金屬物上有缺陷被測金屬物上有缺陷 穿過兩個(gè)檢測線圈的磁穿過兩個(gè)檢測線圈的磁 通量不相等，檢測線圈輸通量不相等，檢測線圈輸 出感應(yīng)電勢不為零。出感應(yīng)電勢不為零。 金屬物 交流電流 激勵(lì)線圈 檢測線圈 pH交變磁通 sH 裂紋 裂紋信號(hào) 干擾信號(hào) 幅值甄別電路信號(hào)幅值甄別電路信號(hào) 裂紋信號(hào) 處理后幅值甄別電路信號(hào)處理后幅值甄別電路信號(hào) 4.5 電渦流式傳感器應(yīng)用 無損金屬材料探傷無損金屬材料探傷 44 附：R、C、L傳感器比較 類別原理特點(diǎn)用途 電阻式 傳感器 （R）