第五章 電感式傳感器

1、第第5 5章章 電感式傳感器電感式傳感器 5.1 5.1 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器 5.2 5.2 差動(dòng)變壓器式傳感器差動(dòng)變壓器式傳感器5.3 5.3 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 電感傳感器（inductance sensor）： 利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換成線圈自感系數(shù)l或互感系數(shù)m的變化，進(jìn)而由測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量。被測(cè)量被測(cè)量 自感自感l(wèi)(l(互感互感m) um) u（i i） 可用來(lái)測(cè)量位移、壓力、流量、振動(dòng)等非電量信號(hào)。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(cè)厚傳感器電 感 粗 糙 度 儀接近式傳感器電感式浮球傳感器 5.1 變磁阻式傳感器5.1.

2、1 結(jié)構(gòu)與工作原理 變磁阻式傳感器的結(jié)構(gòu)如圖 5.1.1 所示。它由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。圖5.1.1 變磁阻式傳感器 s1l1l1w23l21線 圈 ；2鐵 芯 (定 鐵 芯 )；3銜 鐵 (動(dòng) 鐵 芯 )s2 根據(jù)電感定義, 線圈中電感量可由下式確定:5.1 變磁阻式傳感器iwl式中式中: i: i通過(guò)線圈的電流通過(guò)線圈的電流; ; w w線圈的匝數(shù)線圈的匝數(shù); ; 穿過(guò)線圈的磁通。穿過(guò)線圈的磁通。 由磁路歐姆定律, 得mriw式中：式中： r rm m為磁路總磁阻。為磁路總磁阻。 兩式聯(lián)立得兩式聯(lián)立得: :(5-1)5.1 變磁阻式傳感器 對(duì)于空氣間隙很小的時(shí)候可以認(rèn)為氣隙中的磁場(chǎng)

3、是均勻的。若忽略磁路磁損, 則磁路總磁阻為(5-2)002221112sslslrm式中式中: : 1 1鐵芯材料的磁導(dǎo)率鐵芯材料的磁導(dǎo)率; 2; 2銜鐵材料的磁導(dǎo)率銜鐵材料的磁導(dǎo)率; ; 0 0空氣的磁導(dǎo)率空氣的磁導(dǎo)率; l1; l1磁通通過(guò)鐵芯的長(zhǎng)度磁通通過(guò)鐵芯的長(zhǎng)度; ; l2 l2磁通通過(guò)銜鐵的長(zhǎng)度磁通通過(guò)銜鐵的長(zhǎng)度; s0; s0氣隙的截面積氣隙的截面積; ; s1 s1鐵芯的截面積鐵芯的截面積; s2; s2銜鐵的截面積銜鐵的截面積; ; 氣隙的厚度。氣隙的厚度。 5.1 變磁阻式傳感器通常氣隙磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻, 即222001110022slssls則式(5-2)可近似

4、為002srm綜上，則(5-1)變?yōu)?.1 變磁阻式傳感器上式表明: 當(dāng)線圈匝數(shù)為常數(shù)時(shí), 電感l(wèi)僅僅是磁路中磁阻rm的函數(shù), 只要改變，或s0均可導(dǎo)致電感變化。 因此變磁阻式傳感器又可分為變氣隙厚度，變磁導(dǎo)率和變氣隙面積s0的傳感器。變氣隙厚度5.1 變磁阻式傳感器5.1 變磁阻式傳感器變氣隙面積式5.1 變磁阻式傳感器測(cè)量原理：測(cè)量原理： 鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料如硅鋼片或坡莫合金制成；在鐵芯和銜鐵之間有氣隙,氣隙厚度為,傳感器的運(yùn)動(dòng)部分與銜鐵相連。當(dāng)銜鐵移動(dòng)時(shí), 氣隙厚度發(fā)生改變, 引起磁路中磁阻變化, 從而導(dǎo)致電感線圈的電感值變化, 因此只要能測(cè)出這種電感量的變化, 就能確定銜鐵位移量的大

5、小和方向。 使用最廣泛的是變氣隙厚度變氣隙厚度式電感傳感器式電感傳感器。 5.1 變磁阻式傳感器5.1.2 輸出特性分析由式20022swrwlm可知l與之間是非線性關(guān)系，特性曲線如圖5.1.2所示。圖5.1.2 變隙式電壓傳感器的l-特性5.1 變磁阻式傳感器 設(shè)電感傳感器初始?xì)庀稙?，初始電感量為l0，銜鐵位移引起的氣隙變化量為。當(dāng)銜鐵處于初始位置時(shí)，初始電感量為：020002wsl 當(dāng)銜鐵上移時(shí)，傳感器氣隙減小，即=0-， 則此時(shí)輸出電感為l=l0+l，代入上式5.1 變磁阻式傳感器整理得00000201)(2lswlll當(dāng)/01時(shí)，可將上式用taylor級(jí)數(shù)展開成如下的級(jí)數(shù)形式： 30

6、200001llll5.1 變磁阻式傳感器 由上式可求得電感增量l和相對(duì)增量l/l0的表達(dá)式，即：(5-3) 200002000011llll5.1 變磁阻式傳感器 同理，當(dāng)銜鐵隨被測(cè)體的初始位置向下移動(dòng)時(shí)，有(5-4)3020000302000011llll5.1 變磁阻式傳感器 對(duì)式(5-3)、(5-4)作線性處理，即忽略高次項(xiàng)后，得： 00ll 可得靈敏度為 000llk 若只考慮二次項(xiàng)誤差，則其線性度為%10005.1 變磁阻式傳感器 由此可見, 變間隙式電感傳感器的測(cè)量范圍與靈敏度及線性度相矛盾, 所以變隙式電感傳感器用于時(shí)是比較精確的。 為了減小非線性誤差, 實(shí)際測(cè)量中廣泛采用差動(dòng)

7、變隙式電感傳感器。5.1 變磁阻式傳感器圖 5.1.3 所示為差動(dòng)變隙式電感傳感器的原理結(jié)構(gòu)圖。圖5.1.3 差動(dòng)變隙式電感傳感器1鐵芯2線圈3銜鐵5.1 變磁阻式傳感器 由圖可知, 差動(dòng)變隙式電感傳感器由兩個(gè)相同的電感線圈l1、l2和磁路組成。 測(cè)量時(shí), 銜鐵通過(guò)導(dǎo)桿與被測(cè)位移量相連, 當(dāng)被測(cè)體上下移動(dòng)時(shí), 導(dǎo)桿帶動(dòng)銜鐵也以相同的位移上下移動(dòng), 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(dòng)形式。5.1 變磁阻式傳感器 當(dāng)銜鐵往上移動(dòng)時(shí), 兩個(gè)線圈的電感變化量l1、l2分別由式（5-3）及式（5-4）表示, 當(dāng)差動(dòng)使用時(shí), 兩

8、個(gè)電感線圈接成交流電橋的相鄰橋臂, 另兩個(gè)橋臂由電阻組成, 電橋輸出電壓與l有關(guān), 其具體表達(dá)式為 21lll.)()(1 2402000l 比較單線圈和差動(dòng)兩種變間隙式電感傳感器的特性, 可以得到如下結(jié)論: 5.1 變磁阻式傳感器對(duì)上式進(jìn)行線性處理，忽略高次項(xiàng)得002ll靈敏度k0為 0002llk%10020線性度為 5.1 變磁阻式傳感器 差動(dòng)式比單線圈式的靈敏度高一倍。 差動(dòng)式的非線性項(xiàng)等于單線圈非線性項(xiàng)乘以（/0）因子, 因?yàn)椋?0） 1, 所以, 差動(dòng)式的線性度得到明顯改善。 為了使輸出特性能得到有效改善, 構(gòu)成差動(dòng)的兩個(gè)變隙式電感傳感器在結(jié)構(gòu)尺寸、材料、電氣參數(shù)等方面均應(yīng)完全一致

9、。 5.1 變磁阻式傳感器電感式傳感器的測(cè)量電路有交流電橋式、交流變壓器式以及諧振式等幾種形式。5.1.3 信號(hào)調(diào)節(jié)電路1. 1.電感式傳感器的等效電路電感式傳感器的等效電路 從電路角度看，電感式傳感器的線圈并非是純電感，該電感由有功分量和無(wú)功分量?jī)刹糠纸M成。5.1 變磁阻式傳感器 有功分量包括：線圈線繞電阻、渦流損耗電阻及磁滯損耗電阻，這些都可折合成為有功電阻r； 無(wú)功分量包含：線圈自感l(wèi), 繞線間分布電容c。 綜上可得其等效電路如圖5.1.4所示。圖5.1.4 電感式傳感器的等效電路rclz圖5.1.4中，l為線圈的自感，r為折合有功電阻的總電阻，c為并聯(lián)寄生電容。 上圖的等效線圈阻抗為

10、cjljrcjljrz )(將上式有理化并應(yīng)用品質(zhì)因數(shù)q=l/r，可得 22222222222)1 (1)1 (qlclcqlclcljqlclcrz5.1 變磁阻式傳感器表示線圈損耗，q越高，損耗越小，效率越高則 令 ljrz 從以上分析可以看出，并聯(lián)電容的存在，使有效串聯(lián)損耗電阻及有效電感增加，而有效q值減小。 見書p113的式(6-19)，傳感器的有效靈敏度卻提高了5.1 變磁阻式傳感器當(dāng)品質(zhì)因數(shù)q較高且2lc u68 ，則u20；而當(dāng)銜鐵在零位以下時(shí)，則有u24u68，則u20時(shí), u2與us同頻同相, 當(dāng)位移x0時(shí),u2與us為同頻同相,當(dāng)u2與us均為正半周時(shí),見圖5.2.7(a)

11、, 環(huán)形電橋中二極管vd1、d4截止, vd2、vd3導(dǎo)通, 則可得圖5.2.7(b)的等效電路。 5.2 差動(dòng)變壓器式傳感器 根據(jù)變壓器的工作原理，考慮到o、m分別為變壓器t1、t2的中心抽頭，則 12222122122nuuunuuusss式中，n1 , n2分別為變壓器t1、t2的變壓比。5.2 差動(dòng)變壓器式傳感器x0： u2與us同頻同相，二者均為正半周時(shí)，由圖5.2.7（b），利用電路分析中的疊加定理，可得： )2(12llorrnuru u2與us均為負(fù)半周時(shí)，由圖5.2.7（c）可得 結(jié)論：只要位移x0，不論u2與us是正半周還是負(fù)半周，負(fù)載電阻rl兩端得到的電壓uo始終為正。5

12、.2 差動(dòng)變壓器式傳感器 x0： u2與us為同頻反相。采用上述相同的分析方法不難得到當(dāng)x0時(shí)，不論u2與us是正半周還是負(fù)半周，負(fù)載電阻rl兩端得到的輸出電壓uo表達(dá)式總是為)2(12llorrnuru 所以上述相敏檢波電路輸出電壓uo的變化規(guī)律充分反映了被測(cè)位移量的變化規(guī)律, 即uo的值反映位移x的大小, 而u0的極性則反映了位移x的方向。5.2 差動(dòng)變壓器式傳感器下圖是用于小位移測(cè)量的差動(dòng)相敏檢波電路工作原理。5.2 差動(dòng)變壓器式傳感器5.2.4. 差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用 差動(dòng)變壓器式傳感器可以直接用于位移測(cè)量，也可以測(cè)量與位移有關(guān)的任何機(jī)械量，如振動(dòng)、加速度、應(yīng)變、比重、張力和厚度等

13、。5.2 差動(dòng)變壓器式傳感器 它可以作為精密測(cè)量?jī)x的主要部件，對(duì)零件進(jìn)行多種精密測(cè)量工作，如內(nèi)徑、外徑、不平行度、粗糙度、不垂直度、振擺、偏心和橢圓度等；作為軸承滾動(dòng)自動(dòng)分選機(jī)的主要測(cè)量部件，可以分選大、小鋼球、圓柱、圓錐等；用于測(cè)量各種零件膨脹、伸長(zhǎng)、應(yīng)變等。 圖為。 當(dāng)某一設(shè)定液位使鐵芯處于中心位置時(shí)，差動(dòng)變壓器輸出信號(hào)uo=0；當(dāng)液位上升或下降時(shí)，uo0，通過(guò)相應(yīng)的測(cè)量電路便能確定液位的高低。1 1位移測(cè)量位移測(cè)量5.2 差動(dòng)變壓器式傳感器5.2 差動(dòng)變壓器式傳感器2 2振動(dòng)和加速度測(cè)量振動(dòng)和加速度測(cè)量 測(cè)量時(shí)，將懸臂梁底座及差動(dòng)變壓器的線圈骨架固定，而將銜鐵的a端與被測(cè)振動(dòng)體相連。 此

14、時(shí)傳感器作為加速度測(cè)量中的慣性元件，它的位移與被測(cè)加位移與被測(cè)加速度成正比速度成正比，使加速度測(cè)加速度測(cè)量轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰频臏y(cè)量量轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰频臏y(cè)量。11b2ax(t)1懸 臂 梁 ；2差 動(dòng) 變 壓 器1-懸臂梁；2-差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器加速度計(jì)結(jié)構(gòu)5.2 差動(dòng)變壓器式傳感器3 3壓力測(cè)量壓力測(cè)量 差動(dòng)變壓器和彈性敏感元件組合，可以組成開環(huán)壓力傳感器。由于差動(dòng)變壓器輸出是標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，常稱為變送器。 這種微壓力變送器，經(jīng)分檔可測(cè)(4+6)104n/m2的壓力，輸出信號(hào)電壓為050mv，精度1.0級(jí)、1.5級(jí)。外力作用下，變形使差動(dòng)變壓器的鐵芯微位移，變壓器次極產(chǎn)生相應(yīng)電信號(hào)。5.2 差動(dòng)變壓器式傳感器

15、4. 4.電感式滾珠直徑分選裝置電感式滾珠直徑分選裝置5.2 差動(dòng)變壓器式傳感器1.差動(dòng)螺線管式電感傳感器主要由兩個(gè) 的螺線管連接， 初始狀態(tài)處于對(duì)稱位置組成，因而兩個(gè)螺線管的初始 相等。2. 通常用差動(dòng)螺線管式傳感器測(cè)量（ ） a、電壓 b、磁場(chǎng)強(qiáng)度 c、位移 d、壓力3. 差動(dòng)螺線管式電感傳感器的配用測(cè)量電路有（ ） a、直流電橋 b、變壓器式交流電橋 c、帶相敏整流的交流電橋 d、運(yùn)算放大器電路 4. 螺線管式差動(dòng)變壓器傳感器主要由 、 和 組成。差動(dòng)連接鐵芯電感cc活動(dòng)銜鐵導(dǎo)磁外殼骨架5. 把被測(cè)非電量的變化轉(zhuǎn)換成線圈互感變化的互感式傳感器是根據(jù) 的基本原理制成的，其二次繞組都用 形式

16、連接，所以又叫差動(dòng)變壓器式傳感器。6. 螺線管式差動(dòng)變壓器傳感器在活動(dòng)銜鐵位于 位置時(shí)，輸出電壓應(yīng)該為零，實(shí)際不為零，稱它為 。7. 減少螺線管式差動(dòng)變壓器傳感器零點(diǎn)殘余電壓最有效的辦法是盡可能保證傳感器 、 和 相互對(duì)稱。 變壓器差動(dòng)中心零點(diǎn)殘余電壓采用適當(dāng)?shù)臏y(cè)量電路采用補(bǔ)償線路次級(jí)繞組結(jié)構(gòu)的5.3 電渦流式傳感器 由法拉第電磁感應(yīng)原理可知： 一個(gè)塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中作用切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一圈圈閉和的電流，這種電流叫電渦流，這種現(xiàn)象叫做電電渦流效應(yīng)渦流效應(yīng)。 電渦流傳感器能夠?qū)Ρ粶y(cè)量進(jìn)行非接觸測(cè)量；具有體積小, 靈敏度高, 頻率響應(yīng)寬等特點(diǎn), 應(yīng)用極其廣泛。

17、根據(jù)電渦流效應(yīng)制成的傳感器稱為電渦流式傳感器。5.3 電渦流式傳感器5.3.1 工作原理 圖 5.3.1 為電渦流式傳感器的原理圖, 該圖由傳感器線圈和被測(cè)導(dǎo)體組成線圈導(dǎo)體系統(tǒng)。 根據(jù)法拉第定律，當(dāng)傳感器線圈通以正弦交變電流i1時(shí)，線圈周圍空間必然產(chǎn)生正弦交變磁場(chǎng)h1，使置于此磁場(chǎng)中的金屬導(dǎo)體中感應(yīng)電渦流i2，i2又產(chǎn)生新的交變磁場(chǎng)h2。根據(jù)楞次定律，h2的作用將反作用于原磁場(chǎng)h1，由于磁場(chǎng)h2的作用，渦流要消耗一部分能量，導(dǎo)致傳感器線圈的等效阻抗發(fā)生變化。5.3 電渦流式傳感器圖5.3.1 電渦流式傳感器的原理圖5.3 電渦流式傳感器實(shí)驗(yàn)證明，電渦流效應(yīng)的影響因子：（1）被測(cè)體：電阻率、磁導(dǎo)

18、率以及幾何形狀；（2）線圈：激磁電流頻率f；（3）線圈與導(dǎo)體間的距離x。因此，傳感器線圈受電渦流影響時(shí)的等效阻抗z的函數(shù)關(guān)系式為：z=f(,r, f , x) 尺寸因子5.3 電渦流式傳感器5.3.2 基本特性 電渦流傳感器簡(jiǎn)化模型如圖5.3.2。圖5.3.2 電渦流式傳感器簡(jiǎn)化模型 模型中把在被測(cè)金屬導(dǎo)體上形成的電渦流等效成一個(gè)短路環(huán)5.3 電渦流式傳感器 電渦流傳感器簡(jiǎn)化模型的等效電路如圖5.3.3所示。1ul1l212r1r2m2i1i1傳感器線圈；2電渦流短路環(huán)圖中r2為電渦流短路環(huán)等效電阻, 其表達(dá)式為 iarrhrln22圖5.3.3 電渦流式傳感器等效電路圖 5.3 電渦流式傳感

19、器根據(jù)基爾霍夫定律, 可列出如下方程：022221121111iljirimjuimjiljir由上述方程組可解得等效阻抗等效阻抗z z的表達(dá)式為的表達(dá)式為eqeqljrllrmljrlrmriuz222222221222222221115.3 電渦流式傳感器式中：req線圈受電渦流影響后的等效電阻等效電阻 leq線圈受電渦流影響后的等效電感等效電感 線圈的等效品質(zhì)因數(shù)q值為： 222222221rlrmrreq222222221llrmlleqeqeqrlq5.3 電渦流式傳感器5.3.3 電渦流形成范圍 電渦流密度既是線圈與導(dǎo)體間距離距離x x的函數(shù)，又是沿線圈半徑方向半徑方向r r的函數(shù)

20、，即，即j=j(x,r)j=j(x,r)。 當(dāng)x一定時(shí)，電渦流密度j與半徑r的關(guān)系曲線如圖5.3.4所示。 圖中j0為金屬導(dǎo)體表面電渦流密度最大值。jr為半徑r處的金屬導(dǎo)體表面電渦流密度。1.電渦流的徑向形成范圍電渦流的徑向形成范圍5.3 電渦流式傳感器圖5.3.4 電渦流密度j與半徑r的關(guān)系曲線 2 等效短路環(huán)1 電渦流線圈3 電渦流密度分布5.3 電渦流式傳感器由圖可知： 電渦流徑向形成的范圍大約在傳感器線圈外徑ras的0.51.5 倍范圍內(nèi), 且分布不均勻。 電渦流密度在短路環(huán)半徑r=0處為零。 電渦流的最大值在r=ras附近的一個(gè)狹窄區(qū)域內(nèi)。 可以用一個(gè)平均半徑為ras（ras=（ri

21、+ra）/2）的短路環(huán)來(lái)集中表示分散的電渦流（圖中陰影部分）。5.3 電渦流式傳感器2. 2. 電渦流強(qiáng)度與距離的關(guān)系電渦流強(qiáng)度與距離的關(guān)系 根據(jù)線圈導(dǎo)體系統(tǒng)的電磁作用, 可以得到金屬導(dǎo)體表面的電渦流強(qiáng)度為（用等效電流i2表示）與線圈-金屬塊間距x的關(guān)系如下：22121asrxxii線圈到金屬導(dǎo)體表面距離線圈激勵(lì)電流線圈外徑電渦流強(qiáng)度5.3 電渦流式傳感器上式可用歸一化曲線圖5.3.5表示。圖5.3.5 電渦流強(qiáng)度與距離歸一化曲線 電渦流強(qiáng)度與距離x呈非線性關(guān)系，且隨著x/ras的增加而迅速減小。 當(dāng)利用電渦流式傳感器測(cè)量位移時(shí)，只有在x/ras1(一般取0.050.15)的條件下才能得到較好

22、的線性和較高的靈敏度。 貫穿深度：電渦流強(qiáng)度減小到表面處1/e時(shí)的厚度。 金屬導(dǎo)體有趨膚效應(yīng)，電磁場(chǎng)不能穿過(guò)導(dǎo)體的無(wú)限厚度，僅作用于表面薄層和一定的徑向范圍內(nèi)，且渦流強(qiáng)度隨導(dǎo)體厚度的增加按指數(shù)規(guī)律下降。 電流密度按指數(shù)衰減的分布規(guī)律可表示如下： 5.3 電渦流式傳感器3. 3. 電渦流的軸向貫穿深度電渦流的軸向貫穿深度hddejj/05.3 電渦流式傳感器 模型中假設(shè)電渦流僅分布在環(huán)體之內(nèi), 模型中電渦流的貫穿深度h由以下公式求得fhr0其中其中0真空磁導(dǎo)率，真空磁導(dǎo)率， r相對(duì)磁導(dǎo)率相對(duì)磁導(dǎo)率電阻率，電阻率，f線圈激磁電流的頻率線圈激磁電流的頻率圖5.3.6 電渦流密度軸向分布曲線 jdj0

23、 / eohdj05.3 電渦流式傳感器 由h表達(dá)式知，傳感器線圈激磁電流頻率和電渦流貫穿深度h成反比。因此渦流式傳感器主要有兩種類型：高頻反射式（應(yīng)用廣泛）和低頻透射式。故透射式電渦流傳感器一般都采用低頻激勵(lì)，而反射式電渦流傳感器采用高頻激勵(lì)。 5.3 電渦流式傳感器5.3.4 電渦流傳感器測(cè)量電路 用于電渦流傳感器的測(cè)量電路主要有調(diào)頻式、調(diào)幅式電路兩種。1. 1. 調(diào)頻式電路調(diào)頻式電路 傳感器線圈接入lc振蕩回路，當(dāng)傳感器與被測(cè)導(dǎo)體距離x改變時(shí)，在渦流影響下，傳感器的(阻抗)電感變化，將導(dǎo)致振蕩頻率的變化，該變化的頻率是距離x的函數(shù)f=l(x)，該頻率可由數(shù)字頻率計(jì)直接測(cè)量，或者通過(guò)f-v

24、變換，用數(shù)字電壓表測(cè)量對(duì)應(yīng)的電壓。lcf 21 5.3 電渦流式傳感器頻 率 計(jì)f-v電 壓 表振蕩器clx(a)r1r2c1r3r4c2c3c4r5c6r6c5cl(x)vcc(b)l1v1v2f圖5.3.7 調(diào)頻式測(cè)量電路 (a) 測(cè)量電路框圖； (b) 振蕩電路 5.3 電渦流式傳感器 2. 2. 調(diào)幅式電路調(diào)幅式電路石英晶體振蕩電路如圖5.3.8所示。放大檢波指示riolcuo圖5.3.8 調(diào)幅式測(cè)量電路示意圖 注：這是一個(gè)并聯(lián)諧注：這是一個(gè)并聯(lián)諧振電路，諧振時(shí)呈現(xiàn)振電路，諧振時(shí)呈現(xiàn)的是高阻抗特性。的是高阻抗特性。5.3 電渦流式傳感器 石英晶體振蕩器起恒流源的作用，給諧振回路提供一個(gè)

25、頻率（f0）穩(wěn)定的激勵(lì)電流i0，lc回路輸出電壓式中, z為lc回路的阻抗。 fouzrzu5.3 電渦流式傳感器 當(dāng)金屬導(dǎo)體遠(yuǎn)離或被去掉時(shí)，lc并聯(lián)諧振回路諧振頻率即為石英振蕩頻率f0，回路呈現(xiàn)的阻抗最大，諧振回路上的輸出電壓也最大；當(dāng)金屬導(dǎo)體靠近傳感器線圈時(shí)，由于電渦流效應(yīng)，線圈的等效電感l(wèi)發(fā)生變化，導(dǎo)致回路失諧，從而使輸出電壓降低，因此， l的數(shù)值隨距離x的變化而變化；輸出電壓也隨x而變化。輸出電壓經(jīng)過(guò)放大、檢波后，由指示儀表直接顯示出x的大小。檢測(cè)深度：由于電渦流只能檢測(cè)導(dǎo)體表面的各種物理參數(shù)。改變f，可控制檢測(cè)深度。激勵(lì)源頻率設(shè)定在100khz1mhz。頻率越低，檢測(cè)深度越深。間距x

26、的測(cè)量：如果控制阻抗z表達(dá)式中的其它參量不變，電渦流線圈的阻抗z就成為間距x的單值函數(shù)，這樣就成為非接觸測(cè)量位移的傳感器。其它用途：如果控制f，x不變，就可以用來(lái)檢測(cè)與表面電導(dǎo)率有關(guān)的表面溫度，表面裂紋等參數(shù)，或者用來(lái)檢測(cè)與材料磁導(dǎo)率有關(guān)的材料型號(hào)、表面硬度等參數(shù)。5.3 電渦流式傳感器5.3.5 渦流式傳感器的應(yīng)用5.3 電渦流式傳感器1. 1.低頻透射式渦流厚度傳感器低頻透射式渦流厚度傳感器圖5.3.9為透射式渦流厚度傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。 當(dāng)在l1上加低頻電壓us時(shí)，l1上產(chǎn)生交變磁通1。若兩線圈間無(wú)金屬板，則交變磁通直接耦合至l2中，l2產(chǎn)生感應(yīng)電壓u0。5.3 電渦流式傳感器圖5.3.

27、9 透射式渦流厚度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖 如果將被測(cè)金屬板放入兩線圈之間，則l1線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)將導(dǎo)致在金屬板中產(chǎn)生電渦流，并將貫穿金屬板。此時(shí)磁場(chǎng)能量受到損耗，使到達(dá)l2的磁通將減弱為1，從而使l2產(chǎn)生的感應(yīng)電壓u0下降。發(fā)射傳感器線圈被測(cè)金屬板接收傳感器線圈 金屬板越厚，渦流損失就越大，電壓u0就越小。因此，可根據(jù)u0電壓的大小得知被測(cè)金屬板的厚度。 透射式渦流厚度傳感器的檢測(cè)范圍可達(dá)1100 mm， 分辨率為0.1m，線性度為1%。5.3 電渦流式傳感器2. 2. 高頻反射式渦流厚度傳感器高頻反射式渦流厚度傳感器 圖5.3.10 高頻反射式渦流測(cè)厚儀測(cè)試系統(tǒng)圖 厚度給定系統(tǒng)s1檢波比較電壓檢波s

28、2加法器指示儀表帶材xx1x25.3 電渦流式傳感器原理 在帶材的上、下兩側(cè)對(duì)稱設(shè)置兩個(gè)特性完全相同的渦流傳感器s1和s2。s1和s2與被測(cè)帶材表面之間的距離分別為x1和x2。 分析s1： 高頻信號(hào)施加于電感線圈s1上，線圈產(chǎn)生的高頻電磁場(chǎng)作用于金屬板的上表面。由于趨膚效應(yīng)，高頻電磁場(chǎng)不能透過(guò)具有一定厚度的金屬板，而僅作用于上表面的薄層內(nèi)。5.3 電渦流式傳感器 金屬板上表面感應(yīng)的渦流所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)反作用于線圈，使其電感量發(fā)生變化，而該電感量與距離x1有關(guān)。測(cè)出電感即可得距離x1。 同理可得下面的線圈s2與被側(cè)件下表面的距離x2。 若帶材厚度不變，則被測(cè)帶材上、下表面之間的距離總有x1+x2=

29、常數(shù)的關(guān)系存在，兩傳感器的輸出電壓之和為2uo，數(shù)值不變。 如果被測(cè)帶材厚度改變量為，則兩傳感器與帶材之間的距離也改變一個(gè)，兩傳感器輸出電壓此時(shí)為2uou。 u經(jīng)放大器放大后，通過(guò)指示儀表即可指示出帶材的厚度變化值。帶材厚度給定值與偏差指示值的代數(shù)和就是被測(cè)帶材的厚度。 5.3 電渦流式傳感器5.3 電渦流式傳感器 3. 3. 電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器圖5.3.11所示為電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器工作原理圖。 在軟磁材料制成的輸入軸上加工一鍵槽，在距輸入表面d0處設(shè)置電渦流傳感器， 輸入軸與被測(cè)旋轉(zhuǎn)軸相連。 轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)到鍵槽時(shí)： 傳感器與輸入軸的距離變?yōu)閐0+d，傳感器線圈阻抗隨之變化，從而使振蕩器的振蕩頻率發(fā)生變化。該頻率將反映轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速。5.3 電渦流式傳感器振蕩器高頻放大器檢波器整形電路d輸 入 軸d0傳 感 器fn圖5.3.1