傳感器原理及檢測技術_第3章_電感式傳感器B部分

1、1 第第3 3章章 電感式傳感器（電感式傳感器（B B部分）部分）23.1.3 自感式傳感器應用 自感式電感傳感器可以用于多種物理量的測量；自感式電感傳感器可以用于多種物理量的測量； 諸如測量振動、應變、厚度、壓力、流量、液位等非電量。諸如測量振動、應變、厚度、壓力、流量、液位等非電量。 2021-10-153例1自感式測厚儀 采用差動結構，其測量電路采用差動結構，其測量電路為帶相敏整流的交流電橋。為帶相敏整流的交流電橋。當被測物體的厚度發(fā)生變化當被測物體的厚度發(fā)生變化時，引起測桿上下移動，帶時，引起測桿上下移動，帶動可動鐵芯產(chǎn)生位移，從而動可動鐵芯產(chǎn)生位移，從而改變了氣隙的厚度，使線圈改變了

2、氣隙的厚度，使線圈的電感量發(fā)生相應的變化。的電感量發(fā)生相應的變化。此電感變化量經(jīng)過帶相敏整此電感變化量經(jīng)過帶相敏整流的交流電橋測量后，送測流的交流電橋測量后，送測量儀表顯示，其大小與被測量儀表顯示，其大小與被測物的厚度成正比。物的厚度成正比。 1可動鐵芯 2測桿 3被測物體4例2位移測量 測量時測頭的測端與被測量時測頭的測端與被測件接觸，被測件的微測件接觸，被測件的微小位移使銜鐵在差動線小位移使銜鐵在差動線圈中移動，線圈的電感圈中移動，線圈的電感值將產(chǎn)生變化，這一變值將產(chǎn)生變化，這一變化量通過引線接到交流化量通過引線接到交流電橋，電橋的輸出電壓電橋，電橋的輸出電壓就反映被測件的位移變就反映被測

3、件的位移變化量。化量。 1引線 2線圈 3銜鐵 4測力彈簧 5導桿 6密封罩 7測頭5例3. 一種滾珠直徑分選裝置（工作原理分析）63.2 差動變壓器式傳感器 把被測的非電量變化轉換為線圈互感變化的傳感器稱為把被測的非電量變化轉換為線圈互感變化的傳感器稱為互互感式傳感器感式傳感器。因這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成。因這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且其二次繞組都用差動形式連接，所以又叫差動變的，并且其二次繞組都用差動形式連接，所以又叫差動變壓器式傳感器，簡稱壓器式傳感器，簡稱差動變壓器差動變壓器。 差動變壓器有變氣隙式、變面積式和螺線管式等差動變壓器有變氣隙式、變面積式和螺線管

4、式等 在非電量測量中，應用最多的是螺線管式的差動變壓器，在非電量測量中，應用最多的是螺線管式的差動變壓器，它可以測量它可以測量1 1100mm100mm范圍內(nèi)的機械位移，并具有測量精度范圍內(nèi)的機械位移，并具有測量精度高、靈敏度高、結構簡單、性能可靠等優(yōu)點。高、靈敏度高、結構簡單、性能可靠等優(yōu)點。 2021-10-1573.2.1 差動變壓器結構與基本工作原理 變氣隙式差動變壓器原理圖螺線管式差動變壓器原理圖2021-10-1583.2.1 差動變壓器結構與基本工作原理 P66: 式3-9，式3-10，次級線圈感應電動勢表達式；P67:圖3-10，差動變壓器等效電路；P68：式3-11，差動電壓

5、表達式；9差動變壓器傳感器的輸出特性 當鐵芯位于中心位置，輸出當鐵芯位于中心位置，輸出電壓電壓U U2 2并不等于零，這個電并不等于零，這個電壓稱為零點壓稱為零點殘余電壓殘余電壓 。它的。它的存在使傳感器的輸出特性曲存在使傳感器的輸出特性曲線不經(jīng)過零點，造成實際特線不經(jīng)過零點，造成實際特性和理論特性不完全一致。性和理論特性不完全一致。零點殘余電壓使得傳感器的零點殘余電壓使得傳感器的輸出特性在零點附近不靈敏，輸出特性在零點附近不靈敏，給測量帶來誤差，它的大小給測量帶來誤差，它的大小是衡量差動變壓器性能好壞是衡量差動變壓器性能好壞的重要指標。的重要指標。圖圖3-11輸出特性曲線輸出特性曲線2021

6、-10-1510如何消除零點電勢（殘余電壓） 零點殘余電動勢使得傳感器在零點附近的輸出特性不靈敏，零點殘余電動勢使得傳感器在零點附近的輸出特性不靈敏，為測量帶來誤差。為了減小零點殘余電動勢，可采用以下為測量帶來誤差。為了減小零點殘余電動勢，可采用以下方法。方法。 （1 1）盡可能保證傳感器尺寸、線圈電氣參數(shù)和磁路對稱。）盡可能保證傳感器尺寸、線圈電氣參數(shù)和磁路對稱。 （2 2）選用合適的測量電路。）選用合適的測量電路。 （3 3）采用補償線路減小零點殘余電動勢。）采用補償線路減小零點殘余電動勢。 參考圖參考圖3-163-16的具體電路舉例。的具體電路舉例。2021-10-1511差動變壓器的測

7、量電路 差動變壓器輸出的是交流電壓，若用交流電壓表測量，只差動變壓器輸出的是交流電壓，若用交流電壓表測量，只能反映銜鐵位移的大小，而不能反映移動方向；能反映銜鐵位移的大小，而不能反映移動方向； 另外，其測量值中將包含零點殘余電壓；另外，其測量值中將包含零點殘余電壓； 為了達到能辨別移動方向及消除零點殘余電動勢目的，實為了達到能辨別移動方向及消除零點殘余電動勢目的，實際測量時，常常采用際測量時，常常采用差動整流電路差動整流電路和和相敏檢波電路相敏檢波電路。 2021-10-15123.2.2 差動整流電路 把差動變壓器的兩個次級輸出電壓分別整流，然后將整流把差動變壓器的兩個次級輸出電壓分別整流，

8、然后將整流的電壓或電流的差值作為輸出，這樣二次電壓的相位和零的電壓或電流的差值作為輸出，這樣二次電壓的相位和零點殘余電壓都不必考慮。點殘余電壓都不必考慮。 差動整流電路同樣具有相敏檢波作用，圖中的兩組（或兩差動整流電路同樣具有相敏檢波作用，圖中的兩組（或兩個）整流二極管分別將二次線圈中的交流電壓轉換為直流個）整流二極管分別將二次線圈中的交流電壓轉換為直流電，然后相加。由于這種測量電路結構簡單，不需要考慮電，然后相加。由于這種測量電路結構簡單，不需要考慮相位調(diào)整和零點殘余電壓的影響，且具有分布電容小和便相位調(diào)整和零點殘余電壓的影響，且具有分布電容小和便于遠距離傳輸?shù)葍?yōu)點，因而獲得廣泛的應用。但是

9、，二極于遠距離傳輸?shù)葍?yōu)點，因而獲得廣泛的應用。但是，二極管的非線性影響比較嚴重，而且二極管的正向飽和壓降和管的非線性影響比較嚴重，而且二極管的正向飽和壓降和反向漏電流對性能也會產(chǎn)生不利影響，只能在要求不高的反向漏電流對性能也會產(chǎn)生不利影響，只能在要求不高的場合下使用。場合下使用。 一般經(jīng)相敏檢波和差動整流后的輸出信號還必須經(jīng)過低通一般經(jīng)相敏檢波和差動整流后的輸出信號還必須經(jīng)過低通濾波器，把調(diào)制的高頻信號衰減掉，只允許銜鐵運動產(chǎn)生濾波器，把調(diào)制的高頻信號衰減掉，只允許銜鐵運動產(chǎn)生的有用信號通過。的有用信號通過。13典型差動整流電路構型差動整流電路 14相敏檢波電路原理與波形2021-10-151

10、53.2.3 差動變壓器式傳感器的應用 差動變壓器不僅可以直接用于位移測量，而且還可以測量差動變壓器不僅可以直接用于位移測量，而且還可以測量與位移有關的任何機械量，如振動、加速度、應變、壓力、與位移有關的任何機械量，如振動、加速度、應變、壓力、張力、比重和厚度等。張力、比重和厚度等。16差動變壓器式傳感器的應用加速度傳感器差動變壓器式加速差動變壓器式加速度傳感器是由懸臂度傳感器是由懸臂梁和差動變壓器構梁和差動變壓器構成，其結構如圖所成，其結構如圖所示。示。 加速度（振動）傳感器及其測量電路1彈性支撐 2差動變壓器17差動變壓器式傳感器的應用差壓計 力平衡式差壓計力平衡式差壓計18差動變壓器式傳

11、感器的應用力傳感器 力傳感器力傳感器 差動變壓器式力傳感器差動變壓器式力傳感器原理結構圖如圖所示。原理結構圖如圖所示。它是利用力作用下引起它是利用力作用下引起彈性元件形變，然后彈彈性元件形變，然后彈性元件的形變帶動差動性元件的形變帶動差動變壓器的銜鐵運動，從變壓器的銜鐵運動，從而產(chǎn)生相應地電流或電而產(chǎn)生相應地電流或電壓輸出的原理制成的。壓輸出的原理制成的。19差動變壓器式傳感器的應用測微儀 差動變壓器式電感測微儀差動變壓器式電感測微儀203.4 電渦流傳感器 根據(jù)法拉第電磁感應原理，塊狀金屬導體置于變化的磁場根據(jù)法拉第電磁感應原理，塊狀金屬導體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運動時，導體

12、內(nèi)將產(chǎn)生呈旋渦中或在磁場中作切割磁力線運動時，導體內(nèi)將產(chǎn)生呈旋渦狀的感應電流，此電流叫電渦流，這種現(xiàn)象稱為電渦流效狀的感應電流，此電流叫電渦流，這種現(xiàn)象稱為電渦流效應；應； 根據(jù)電渦流效應制成的傳感器稱為電渦流式傳感器。按照根據(jù)電渦流效應制成的傳感器稱為電渦流式傳感器。按照電渦流在導體內(nèi)的貫穿情況，電渦流在導體內(nèi)的貫穿情況， 此傳感器可分為高頻反射式此傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩類，但從基本工作原理上來說仍是相似的。和低頻透射式兩類，但從基本工作原理上來說仍是相似的。電渦流式傳感器最大的特點是能對位移、厚度、表面溫度、電渦流式傳感器最大的特點是能對位移、厚度、表面溫度、速度、應力、材料

13、損傷等進行非接觸式連續(xù)測量，另外還速度、應力、材料損傷等進行非接觸式連續(xù)測量，另外還具有體積小、靈敏度高、頻率響應寬等特點，應用極其廣具有體積小、靈敏度高、頻率響應寬等特點，應用極其廣泛。泛。 213.4.1 電渦流傳感器的工作原理 高頻反射式傳感器采用高頻信號源，其原理及等效電高頻反射式傳感器采用高頻信號源，其原理及等效電路分別如圖所示。線圈置于金屬導體附近，線圈中通路分別如圖所示。線圈置于金屬導體附近，線圈中通以高頻信號以高頻信號 ，則會產(chǎn)生正弦交變磁場，則會產(chǎn)生正弦交變磁場 ，產(chǎn)生的交變磁，產(chǎn)生的交變磁場作用于下方的金屬塊內(nèi)就會產(chǎn)生渦流場作用于下方的金屬塊內(nèi)就會產(chǎn)生渦流 ，變化的渦流，變

14、化的渦流產(chǎn)生磁場產(chǎn)生磁場 ，又反作用于線圈，改變了線圈的電感。電，又反作用于線圈，改變了線圈的電感。電感變化程度取于線圈的外形尺寸，線圈至金屬板之間感變化程度取于線圈的外形尺寸，線圈至金屬板之間的距離，金屬板材料的電阻率和磁導率以及電源頻率的距離，金屬板材料的電阻率和磁導率以及電源頻率等等。 22 為了充分有效地利用電渦流效應，對于平板型的被測體則為了充分有效地利用電渦流效應，對于平板型的被測體則要求被測體的半徑應大于線圈半徑的要求被測體的半徑應大于線圈半徑的1.81.8倍，否則就要降低倍，否則就要降低靈敏度。當被測物體是圓柱體時，被測導體直徑必須為線靈敏度。當被測物體是圓柱體時，被測導體直徑

15、必須為線圈直徑的圈直徑的3.53.5倍以上，靈敏度才不受影響。一般來說，被測倍以上，靈敏度才不受影響。一般來說，被測體的磁導率越高，電阻率越低，則傳感器的靈敏度越高。體的磁導率越高，電阻率越低，則傳感器的靈敏度越高。233.4.2 測量電路 1 1電橋電路電橋電路 在進行測量時，由于傳感器線圈的阻抗發(fā)生變化，使在進行測量時，由于傳感器線圈的阻抗發(fā)生變化，使電橋失去平衡，而電橋不平衡造成的輸出信號被放大并檢電橋失去平衡，而電橋不平衡造成的輸出信號被放大并檢波，就可得到與被測量成正比的輸出。其電路原理圖所示。波，就可得到與被測量成正比的輸出。其電路原理圖所示。243.4.2 測量電路 L1L1和和

16、L2L2為傳感器兩線圈，分別與為傳感器兩線圈，分別與選頻電容選頻電容C1C1和和C2C2并聯(lián)組成兩橋臂，并聯(lián)組成兩橋臂，電阻電阻R1R1和和R2R2組成另外兩橋臂。靜組成另外兩橋臂。靜態(tài)時，電橋平衡，橋路輸出電壓態(tài)時，電橋平衡，橋路輸出電壓為為0 0。工作時，傳感器接近被測。工作時，傳感器接近被測體，由于電渦流效應引起傳感器體，由于電渦流效應引起傳感器線圈電感變化，電橋失去平衡，線圈電感變化，電橋失去平衡，有電壓輸出。經(jīng)放大后送至檢波有電壓輸出。經(jīng)放大后送至檢波器檢波，輸出直流電壓器檢波，輸出直流電壓U0U0，U0U0的大小正比于傳感器的移動量，的大小正比于傳感器的移動量，以實現(xiàn)對位移量的測量

17、。以實現(xiàn)對位移量的測量。253.4.2 測量電路 把傳感器線圈與電容并聯(lián)組成把傳感器線圈與電容并聯(lián)組成LCLC并聯(lián)諧振電路。當傳感器接近被測金屬并聯(lián)諧振電路。當傳感器接近被測金屬導體時，線圈電感發(fā)生變化，導體時，線圈電感發(fā)生變化，LCLC回路的阻抗和諧振頻率將隨著回路的阻抗和諧振頻率將隨著L L的變化而的變化而變化，因此可以利用測量回路阻抗或諧振頻率的方法間接反映出傳感器的變化，因此可以利用測量回路阻抗或諧振頻率的方法間接反映出傳感器的被測量，相對應的就是被測量，相對應的就是調(diào)幅法調(diào)幅法和和調(diào)頻法調(diào)頻法。調(diào)幅式電路調(diào)幅式電路調(diào)頻式電路調(diào)頻式電路26調(diào)幅式 石英振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)頻、穩(wěn)幅高頻振蕩電壓（

18、石英振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)頻、穩(wěn)幅高頻振蕩電壓（100kHz100kHz1MHz1MHz）用于）用于激勵電渦流線圈。金屬材料在高頻磁場中產(chǎn)生電渦流，引起電渦激勵電渦流線圈。金屬材料在高頻磁場中產(chǎn)生電渦流，引起電渦流線圈端電壓的衰減，再經(jīng)高放、檢波、低放電路，最終輸出的流線圈端電壓的衰減，再經(jīng)高放、檢波、低放電路，最終輸出的直流電壓直流電壓U Uo o反映了金屬體對電渦流線圈的影響）。反映了金屬體對電渦流線圈的影響）。輸出輸出P73：式：式3-23273調(diào)頻（FM）式電路（100kHz1MHz） 當電渦流線圈與被測體的距離當電渦流線圈與被測體的距離x x 改變時，電渦流線圈的電感改變時，電渦流線圈的電感量

19、量L L也隨之改變，引起也隨之改變，引起LCLC振蕩器的輸出頻率變化，此頻率振蕩器的輸出頻率變化，此頻率可直接用計算機測量。如果要用模擬儀表進行顯示或記錄可直接用計算機測量。如果要用模擬儀表進行顯示或記錄時，必須使用鑒頻器，將時，必須使用鑒頻器，將 f f轉換為電壓轉換為電壓 U Uo o。 284.3.3 電渦流傳感器的應用 電渦流傳感器是以電渦流效應為原理的非接觸式位移、振電渦流傳感器是以電渦流效應為原理的非接觸式位移、振動傳感器；動傳感器； 可對進入其測量范圍內(nèi)的金屬物體的運動參數(shù)進行精密非可對進入其測量范圍內(nèi)的金屬物體的運動參數(shù)進行精密非接觸測量；接觸測量； 可用于機械中的振動和位移、

20、轉子與機殼的熱膨脹量的長可用于機械中的振動和位移、轉子與機殼的熱膨脹量的長期監(jiān)測；期監(jiān)測； 生產(chǎn)線的在線自動監(jiān)測和自動控制；生產(chǎn)線的在線自動監(jiān)測和自動控制； 科研中的多種微小距離和微小運動的測量等?？傊?，電渦科研中的多種微小距離和微小運動的測量等?？傊?，電渦流傳感器目前已被廣泛應用于能源、化工、醫(yī)學、汽車、流傳感器目前已被廣泛應用于能源、化工、醫(yī)學、汽車、冶金、冶金、 機器制造、軍工、科研教學等諸多領域，并且還在機器制造、軍工、科研教學等諸多領域，并且還在不斷的擴展。不斷的擴展。29例1電渦流式轉速傳感器 電渦流式轉速傳感器工作原理如圖所示。在軟磁材料制成的輸電渦流式轉速傳感器工作原理如圖所示。在軟磁材料制成的輸入