電感式傳感器

1、1 q 電感式傳感器是一種機電轉換裝置電感式傳感器是一種機電轉換裝置,特別是在自動控制特別是在自動控制 設備中廣泛應用。設備中廣泛應用。 q電感式傳感器利用電磁感應定律將被測非電量（如位電感式傳感器利用電磁感應定律將被測非電量（如位 移、壓力、流量、振動）轉換為電感或互感的變化。移、壓力、流量、振動）轉換為電感或互感的變化。 q 按傳感器結構可分為按傳感器結構可分為: v自感式、互感式、電渦流式。自感式、互感式、電渦流式。 2 各種電感式傳感器各種電感式傳感器 非接觸式位移傳感器 測厚傳感器 電 感 粗 糙 度 儀 接近式傳感器 3 4 q 結構結構 由線圈、鐵芯、銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵之

2、間有氣隙由線圈、鐵芯、銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵之間有氣隙,氣隙厚氣隙厚 度為度為 ; 傳感器運動部分與銜鐵相連傳感器運動部分與銜鐵相連,銜鐵移動時發(fā)生變化，引起銜鐵移動時發(fā)生變化，引起 磁路的磁阻磁路的磁阻Rm變化，使電芯線圈的電感值變化，使電芯線圈的電感值L變化變化; q 只要改變氣隙厚度或氣隙截面積就可以改變電感。只要改變氣隙厚度或氣隙截面積就可以改變電感。 S1 l1 L 1 W 2 3 l2 1、線圈 2、定鐵芯 3、銜鐵 S2 5 線圈自感可按下式計算線圈自感可按下式計算: 式中式中: : N N 線圈匝數(shù)線圈匝數(shù) ; ; R Rm m 磁路總磁組；磁路總磁組； S S0 0 氣隙

3、的截面積；氣隙的截面積； 氣隙厚度；氣隙厚度； 0 0 導磁率（真空、空氣）導磁率（真空、空氣） 2 00 22 SN R N L m 6 銜鐵位移銜鐵位移引起的電感變化為引起的電感變化為: : 初始氣隙初始氣隙0 0處的初始電感量為處的初始電感量為L L0 0 0 00 2 0 2 0 2 SN R N L m )1 ()1 ( 2 )(2 0 0 0 0 00 2 0 00 2 0 L SN SN LLL L +0-0 o L0 L0+L L0-L 7 當當/0 011時時, ,用泰勒級數(shù)展開用泰勒級數(shù)展開 銜鐵銜鐵下移時下移時 銜鐵銜鐵上移時上移時 1 1 2 0000 3 0 2 00

4、 00 L L LLLL 3 0 2 00 2 0000 0 1 L L LLL 3 0 2 00 2 0000 0 1 L L LLL 8 對上式作線性處理忽略高次項時對上式作線性處理忽略高次項時 討論討論: : 傳感器測量范圍與靈敏度和線性度相矛盾傳感器測量范圍與靈敏度和線性度相矛盾; ; 變間隙式電感傳感器用于小位移比較精確；一般變間隙式電感傳感器用于小位移比較精確；一般 /0 0= 0.1-0.2= 0.1-0.2； 為減小非線性誤差為減小非線性誤差, ,實際測量中多采用差動式。實際測量中多采用差動式。 定義靈敏度定義靈敏度 00 L L 0 0 0 1 L L K 9 差動變隙式由兩

5、個相同差動變隙式由兩個相同 的線圈和磁路組成。當?shù)木€圈和磁路組成。當 被測量通過導桿使銜鐵被測量通過導桿使銜鐵 左右位移時左右位移時, ,兩個回路兩個回路 中磁阻發(fā)生大小相等、中磁阻發(fā)生大小相等、 方向相反的變化方向相反的變化, ,形成形成 差動形式。差動形式。 10 對上式進行線性處理并忽略高次項對上式進行線性處理并忽略高次項: : 則差動式靈敏度為則差動式靈敏度為: : 電感的變化為電感的變化為: : 0 0 0 2 L L K 00 2 L L 1 2 4 0 2 00 021 LLLL 11 討論討論: : 比較單線圈比較單線圈, ,差動式的靈敏度提高了一倍差動式的靈敏度提高了一倍;

6、; 差動式非線性項比單線圈多乘了差動式非線性項比單線圈多乘了(/(/0 0) )因子；因子； 不存在偶次項不存在偶次項, ,因因/0 01E2b ,U00 v若銜鐵下移若銜鐵下移: E2aE2b ，U00 q 可見可見: v輸出電壓大小和符號反映了鐵心位移的大小和方向。輸出電壓大小和符號反映了鐵心位移的大小和方向。 21 0 22 11 () () iab UMM U RL q當次級開路時當次級開路時,有有 根據電磁感應定律根據電磁感應定律,次級感應電動勢分別為次級感應電動勢分別為: E2ajMaI1，E2bjMbI1 由此得到輸出電壓有效值為由此得到輸出電壓有效值為: 可見輸出電壓與互感的差

7、值有關可見輸出電壓與互感的差值有關 11 1 Ljr U I i 22 鐵芯向右移鐵芯向右移, 輸出與輸出與E2a同極性同極性; 鐵芯向左移鐵芯向左移, 輸出與輸出與E2b同極性；同極性； u輸出電壓的幅值取決于線圈輸出電壓的幅值取決于線圈 互感即銜鐵在線圈中移動的互感即銜鐵在線圈中移動的 距離距離X X。UoUo與與Ui的相位由銜的相位由銜 鐵的移動方向決定。鐵的移動方向決定。 23 差動變壓器輸出電壓和位移的關系差動變壓器輸出電壓和位移的關系 24 差動變壓器結構形式差動變壓器結構形式 25 差動變壓器傳感器的應用差動變壓器傳感器的應用 26 v 由于兩個次級線圈繞組電由于兩個次級線圈繞組

8、電 氣系數(shù)氣系數(shù) （M M互感互感 L L電感電感 R R內內 阻）不同，幾何尺寸工藝上阻）不同，幾何尺寸工藝上 很難保證完全相同。實際的很難保證完全相同。實際的 特性曲線，在零點上總有一特性曲線，在零點上總有一 個最小的輸出電壓，這個鐵個最小的輸出電壓，這個鐵 芯處于中間位置時最小不為芯處于中間位置時最小不為 零的電壓稱為零點殘余電壓。零的電壓稱為零點殘余電壓。 27 為減小零點殘余電壓的影響為減小零點殘余電壓的影響, ,一般要用電路進行補一般要用電路進行補 償償, ,電路補償?shù)姆椒ㄝ^多電路補償?shù)姆椒ㄝ^多, ,可采用以下方法?？刹捎靡韵路椒?。 串聯(lián)電阻串聯(lián)電阻: :消除兩次級繞組基波分量幅值

9、上的差異消除兩次級繞組基波分量幅值上的差異; ; 并聯(lián)電阻電容并聯(lián)電阻電容: :消除基波分量相差消除基波分量相差, ,減小諧波分量；減小諧波分量； 加反饋支路加反饋支路: :初次級間反饋，減小諧波分量；初次級間反饋，減小諧波分量； 相敏檢波對零點殘余誤差有很好的抑制作用。相敏檢波對零點殘余誤差有很好的抑制作用。 串串 聯(lián)聯(lián) 電電 阻阻 并并 聯(lián)聯(lián) 電電 阻阻 28 29 差動變壓器輸出交流信號。為正確反映銜鐵位移差動變壓器輸出交流信號。為正確反映銜鐵位移 大小和方向大小和方向, ,常采用差動整流電路和相敏檢波電路。常采用差動整流電路和相敏檢波電路。 （1 1）差動整流電路）差動整流電路 , ,

10、輸入一交流信號時輸入一交流信號時 30 （2 2）集成相敏檢波電路）集成相敏檢波電路 31 v 輸出正負電壓的結果由相敏檢波后反行程旋轉輸出正負電壓的結果由相敏檢波后反行程旋轉 由由，工作曲線為過零點的直線。，工作曲線為過零點的直線。 相敏檢波前后輸出特性相敏檢波前后輸出特性 32 （1）壓差計）壓差計 當壓差變化時，腔內當壓差變化時，腔內 膜片位移使差動變壓器次膜片位移使差動變壓器次 級電壓發(fā)生變化，輸出與級電壓發(fā)生變化，輸出與 位移成正比，與壓差成正位移成正比，與壓差成正 比。比。 q 差動變壓器式傳感器可直接用于位移測量差動變壓器式傳感器可直接用于位移測量,也可以用也可以用 來測量與位移

11、有關的任何機械量來測量與位移有關的任何機械量,如振動，加速度，應如振動，加速度，應 變等等。變等等。 33 沉筒式液位計將水位變化轉換成沉筒式液位計將水位變化轉換成 位移變化位移變化, ,再轉換為電感的變化再轉換為電感的變化, , 差動變壓器的輸出反映液位高低。差動變壓器的輸出反映液位高低。 34 q（3）電感測厚儀）電感測厚儀 vL1、L2是電感器傳感器的兩個線圈作為兩個橋臂是電感器傳感器的兩個線圈作為兩個橋臂;四只二極管四只二極管 D1-D4組成相敏整流器；組成相敏整流器；RP1調零電位器調零電位器,RP2調電流表調電流表M滿度；滿度； v 被測厚度正常時被測厚度正常時,電橋平衡無電流，電

12、橋平衡無電流， v 被測厚度變化時，電流被測厚度變化時，電流M表方向偏轉表方向偏轉 v 根據電流方向確定銜鐵移動方向。根據電流方向確定銜鐵移動方向。 35 （4） 36 q由法拉第電磁感應原理可知由法拉第電磁感應原理可知:一個塊狀金屬導體置于變一個塊狀金屬導體置于變 化的磁場中或在磁場中作用切割磁力線運動時化的磁場中或在磁場中作用切割磁力線運動時,導體內導體內 部會產生一圈圈閉和的電流部會產生一圈圈閉和的電流,這種電流叫電渦流，這種這種電流叫電渦流，這種 現(xiàn)象叫做電渦流效應?，F(xiàn)象叫做電渦流效應。 q根據電渦流效應制作的傳感器稱電渦流傳感器根據電渦流效應制作的傳感器稱電渦流傳感器; q電渦流傳感

13、器能夠對被測量進行非接觸測量電渦流傳感器能夠對被測量進行非接觸測量; q形成電渦流必須具備兩個條件形成電渦流必須具備兩個條件: v 存在交變磁場存在交變磁場 v 導電體處于交變磁場中導電體處于交變磁場中 37 38 10 110 121 R Ij L Ij MIU 12222 0j MIR Ij L I 39 22 2 110 22 22 () ML LL RL 2222 122 11010 2222 12222 ()() UM RM L ZRjL IRLRL 22 2 110 22 22 () MR RR RL 40 41 (,)Zfd 42 金屬金屬 扁平線圈扁平線圈 渦流區(qū)渦流區(qū) r/r

14、o s 1 h ros j 43 44 / 0 z h z jj e Jz Jo/e h z Jo 0 j 45 21 22 1 os x II xr I I2 2只有在只有在x/r1x/r1才能有較好線性和靈敏度。才能有較好線性和靈敏度。 X/ros I2/I1 1.0 1 2 3 4 46 47 48 49 50 51 52 53 電渦流金屬板、帶材厚度測量 54 渦流非導電材料厚度測量 渦流軸心軌跡測量 55 渦流轉速測量 渦流振動測量 56 57 q 變磁阻式傳感器（自感式）工作原理、測變磁阻式傳感器（自感式）工作原理、測 量電路（轉換電路）量電路（轉換電路）; q 差動變壓器式傳感器（互感式）工作原理、差動變壓器式傳感器（互感式）工作原理、 等效電路及測量電等效電路及測量電 路；路； 零點殘余電壓的影響和補償；零點殘余電壓的影響和補償； q 電渦流傳感器的工作原理及應用電渦流傳感器的工作原理及應用. q差動變壓器做位移測量可得到比例于機械位移的交流電壓；差動變壓器做位移測量可得到比例于機械位移的交流電壓； q關于磁場、磁通、磁