淺論電感式傳感器論文

1、輪機(jī)工程測試技術(shù)作業(yè)_大學(xué)_結(jié)課論文淺論電感式傳感器年級：_學(xué)號：_姓名：_專業(yè)：_指導(dǎo)老師：_9二零一五年五月摘要利用電磁感應(yīng)原理將被測非電量如位移、壓力、流量、振動等轉(zhuǎn)換成線圈自感量L或互感量M的 變化,再由測量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出,這種裝置稱為電感式傳感器。電感式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單,工作可靠,測量精度高,零點(diǎn)穩(wěn)定,輸出功率較大等一系列優(yōu)點(diǎn),其主要缺點(diǎn)是靈敏度、線性度和測量范圍相互制約,傳感器自身頻率響應(yīng)低,不適用于快速動態(tài)測量。這種傳感器能實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸、記錄、顯示和控制,在工業(yè)自 動控制系統(tǒng)中被廣泛采用。電感式傳感器種類很多,本章主要介紹自感式、互感式和電渦流式三種傳

2、感器。關(guān)鍵詞 原理； 特點(diǎn)； 應(yīng)用； 種類Abstract: The principle of electromagnetic induction will be measured non power such as displacement, pressure, flow and vibration conversion into the change of loop self inductance L or mutual inductance m, again by the measuring circuit conversion for changes in output voltage

3、 or current. The device called for inductive sensors. Inductive sensor has simple structure, reliable work, high measurement precision, zero point stability and larger output power and a series of advantages, its main disadvantage is mutual restriction of sensitivity, linearity and range of measurem

4、ent, sensor and its frequency response at low, does not apply to the rapid and dynamic measurement. This kind of sensor can realize the long-distance transmission of information, record, display and control, is widely used in industrial automatic control system. Many kinds of inductive sensors, this

5、 chapter mainly introduces the self inductance, mutual inductance and eddy current sensor the three kind .Key words: Principle; characteristics; application； types;一、傳感器分類及原理：1、變磁阻式傳感器（自感式）工作原理：變磁阻式傳感器由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料制成。在鐵芯和銜鐵之間有氣隙，傳感器的運(yùn)動部分與銜鐵相連。當(dāng)銜鐵移動時(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

6、能測出這種電感量的變化，就能確定銜鐵位移量的大小和方向。線圈中電感量為：傳感器的L-特性曲線：2、差動變壓器式傳感器 （互感式）a變隙式差動變壓器工作原理初級繞組W1a=W1b=W1，次級繞組和W2a=W2b=W2。兩個(gè)初級繞組的同名端順向串聯(lián)，兩個(gè)次級繞組的同名端則反相串聯(lián)。當(dāng)沒有位移時(shí)，銜鐵C處于初始平衡位置，它與兩個(gè)鐵芯的間隙有a0=b0=0，則繞組W1a和W2a間的互感Ma與繞組W1b和W2b的互感Mb相等，致使兩個(gè)次級繞組的互感電勢相等，即e2a=e2b。由于次級繞組反相串聯(lián)，因此，差動變壓器輸出電壓Uo=e2a-e2b=0。 當(dāng)被測體有位移時(shí)，與被測體相連的銜鐵的位置將發(fā)生相應(yīng)的變

7、化，使ab，互感MaMb，兩次級繞組的互感電勢e2ae2b，輸出電壓Uo=e2a-e2b0，即差動變壓器有電壓輸出， 此電壓的大小與極性反映被測體位移的大小和方向。 b螺線管式差動變壓器工作原理 兩個(gè)次級線圈反相串聯(lián)，并且在忽略鐵損、導(dǎo)磁體磁阻和線圈分布電容的理想條件下, 其等效電路。 當(dāng)初級繞組加以激勵(lì)電壓U時(shí), 根據(jù)變壓器的工作原理,在兩個(gè)次級繞組W2a和W2b中便會產(chǎn)生感應(yīng)電勢E2a和E2b。 如果工藝上保證變壓器結(jié)構(gòu)完全對稱,則當(dāng)活動銜鐵處于初始平衡位置時(shí), 必然會使兩互感系數(shù)M1=M2。根據(jù)電磁感應(yīng)原理, 將有E2a=E2b。由于變壓器兩次級繞組反相串聯(lián), 因而Uo=E2a-E2b=

8、0, 即差動變壓器輸出電壓為零。 3、電渦流式傳感器（互感式） 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H1，使置于此磁場中的金屬導(dǎo)體中感應(yīng)電渦流I2，I2又產(chǎn)生新的交變磁場H2。根據(jù)愣次定律， H2的作用將反抗原磁場H1，由于磁場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。 線圈阻抗的變化完全取決于被測金屬導(dǎo)體的電渦流效應(yīng)。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) 二、傳感器特點(diǎn)由鐵心和線圈構(gòu)成的將直線或角位移的變化轉(zhuǎn)換為線圈電感量變化的傳感器，又稱電感式位移傳感器。這種傳感器的線圈匝數(shù)和材料

9、導(dǎo)磁系數(shù)都是一定的，其電感量的變化是由于位移輸入量導(dǎo)致線圈磁路的幾何尺寸變化而引起的。當(dāng)把線圈接入測量電路并接通激勵(lì)電源時(shí)，就可獲得正比于位移輸入量的電壓或電流輸出。電感式傳感器的特點(diǎn)是：無活動觸點(diǎn)、可靠度高、壽命長；分辨率高；靈敏度高；線性度高、重復(fù)性好；測量范圍寬（測量范圍大時(shí)分辨率低）；無輸入時(shí)有零位輸出電壓，引起測量誤差；對激勵(lì)電源的頻率和幅值穩(wěn)定性要求較高；不適用于高頻動態(tài)測量。電感式傳感器主要用于位移測量和可以轉(zhuǎn)換成位移變化的機(jī)械量（如力、張力、壓力、壓差、加速度、振動、應(yīng)變、流量、厚度、液位、比重、轉(zhuǎn)矩等）的測量。常用電感式傳感器有變間隙型、變面積型和螺管插鐵型。在實(shí)際應(yīng)用中，這

10、三種傳感器多制成差動式，以便提高線性度和減小電磁吸力所造成的附加誤差。三、電感式傳感器的種類電感式傳感器種類很多，有利用自感原理的自感式傳感器，有利用互感原理的差動變壓器式傳感器。此外，還有利用渦流原理的渦流式傳感器，利用壓磁原理的壓磁式傳感器和利用互感原理的感應(yīng)同步等。1、自感式電感傳感自感式電感傳感器屬于電感式傳感器的一種。它是利用線圈自感量的變化來實(shí)現(xiàn)測量的，它由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。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，傳感器的運(yùn)動部分與銜鐵相連。當(dāng)被測量變化時(shí)，使銜鐵產(chǎn)生位移，引起磁路中磁阻變化，從而導(dǎo)致電感線圈的電感量變化，因此只要能測出這種電感

11、量的變化，就能確定銜鐵位移量的大小和方向。自感式電感傳感器在測量位移和尺寸領(lǐng)域的應(yīng)用，具有代表性的便是電感測厚儀。通過將測微螺稈4調(diào)節(jié)到給定厚度值，該厚度值可由度盤讀出。被測帶2在上下測量滾輪之間通過，通過杠桿使鐵芯上下移動，從而改變線圈電感的變化則由相應(yīng)的電橋電路測出，測出帶材厚度的偏差值。此外變氣隙型電感式尺寸傳感器、螺管型軸向式電感傳感器都可以實(shí)現(xiàn)位移和尺寸的測量。變氣隙型電感式尺寸傳感器殼體內(nèi)兩個(gè)平彈簧上懸掛著導(dǎo)磁體，導(dǎo)磁體可以通過微調(diào)螺釘1相對于傳感器殼體移動。螺管型軸向式電感傳感器，可換測頭通過螺桿擰在測桿上，測桿可在滾珠導(dǎo)軌上作軸向移動，滾珠有四排，每排物，尺寸和形狀誤差都小于0

12、.6um。一般這類型傳感器被用做精密量儀的部件，如高精度的電感比較儀等?？梢宰鳛檩S承滾動體自動分選機(jī)的主要測量部件，用來測量各種滾動體的尺寸和形狀，零件的膨脹、伸長和應(yīng)變等。2、變壓器式傳感器。變壓器式傳感器工作原理：變壓器式傳感器是將非電量轉(zhuǎn)換為線圈間互感的一種磁電動機(jī)構(gòu)，很像變壓器的工作原理，因此常稱其為變壓器式傳感器。這種傳感器多采用差動模式。3、電渦流式傳感器通過金屬導(dǎo)體中的磁通發(fā)生變化時(shí)，就會在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流的流線在金屬體內(nèi)自行閉合，通常就稱它為電渦流。電渦流的產(chǎn)生必然要消耗一部分磁場能量，從而使產(chǎn)生磁場的線圈阻抗發(fā)生變化，電渦流式傳感器就是基于這種電渦流效應(yīng)。這種傳感

13、器不但具有測量范圍大、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、不受油污等介質(zhì)的影響，結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便等特點(diǎn)，而且又具有非接觸測量的優(yōu)點(diǎn)。四、電感式傳感器的應(yīng)用傳統(tǒng)的電感式傳感器是一種機(jī)-電轉(zhuǎn)換裝置，在自動控制設(shè)備中廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)在電感式傳感器以其結(jié)構(gòu)簡單、輸出功率大、輸出阻抗小、抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性能好和使用方便等特點(diǎn)，廣泛的應(yīng)用于測量、監(jiān)測、自控等領(lǐng)域 嚴(yán)鐘豪，譚祖根 非電量電測技術(shù)M北京：機(jī)械工程出版社，1983，122-123。其中電渦流傳感器具有非接觸測量的優(yōu)勢，更受到青睞。一般應(yīng)用：1、變磁阻式傳感器的應(yīng)用 一般作為壓力傳感器和測量工具。（1）Welter敘述的第一個(gè)導(dǎo)管端血壓傳感器結(jié)構(gòu)。C形彈簧管

14、作為第一次換能元件將壓力變化轉(zhuǎn)換為位移的大小變化，銜鐵作為第二次換能元件講位移大小轉(zhuǎn)換為電壓的變化，達(dá)到測量的目的。（2）新型的測量工具示意圖。其設(shè)計(jì)是將傳統(tǒng)的測量方法與電感傳感器相結(jié)合，將測量精度提高到0.01µm級，滿足了現(xiàn)代化機(jī)械加工測量要求。2、差動變壓器傳感器的應(yīng)用 差動變壓器式可直接用于位移測量（測微儀），如長度、內(nèi)徑、外徑、不平度、不垂 直度、偏心、橢圓等；也可以用來測量與位移相關(guān)的任何機(jī)械量，如振動、加速度、零件的膨脹伸長、應(yīng)變、移動等。下面是幾個(gè)應(yīng)用實(shí)例。（1）作為電感測厚儀使用。圖3是電感測厚儀的結(jié)構(gòu)原理圖，差動變壓器鐵心與測厚滾輪相連，板材正常厚度值時(shí)調(diào)整差動變

15、壓器輸出為零，變壓器電動勢輸出大小的變化反映了被測板材厚度變化的大小，極性表示厚度是增加還是減小。（2）作為電感測微儀使用。采用差動變壓器，橋路輸出的不平衡與銜鐵位移成正比，相敏輸出與交流放大器輸出信號成正比，相位反映了位移的方向。 （3）作為電感壓差計(jì)使用。當(dāng)壓差變化時(shí)，腔內(nèi)膜片產(chǎn)生位移使差動變壓器鐵心產(chǎn)生位移，從而使次級感應(yīng)電動勢發(fā)生變化，因?yàn)檩敵鲭妷号c位移成正比，即與壓差成正比，所以通過輸出電壓的變化可以檢測差壓的大小。3、電渦流傳感器的應(yīng)用電渦流傳感器的最大特點(diǎn)是可以進(jìn)行非接觸式測量。電渦流傳感器目前主要應(yīng)用于測位移、測振動、測轉(zhuǎn)速、測厚度、測材料、測溫度、電渦流探傷等。（1）測厚。分

16、為低頻透射式渦流測厚和高頻反射式渦流測厚。均利用電磁感應(yīng)，根據(jù)電壓的變化建立厚度與測量量的關(guān)系，達(dá)到測厚目的。有時(shí)測厚時(shí)為了客服帶材的不平整或運(yùn)動過程中的上下波動影響，常采用差動形式，利用變化值建立相應(yīng)的關(guān)系。（2）測轉(zhuǎn)速。檢測轉(zhuǎn)述的方式較多，圖4的測量方法是在旋轉(zhuǎn)體上加工或安裝一個(gè)齒輪狀金屬，旁邊安裝渦流傳感器，旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)時(shí)，傳感器線圈與被測體距離發(fā)生周期性變化，電渦流傳感器將周期的改變信號的輸出，由頻率計(jì)數(shù)求出轉(zhuǎn)速。（3）測振動。利用電渦流傳感器測量振動的方法，可對汽輪機(jī)兩側(cè)、空氣壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)軸的徑向振動，汽輪機(jī)葉片的振動進(jìn)行檢測?？裳芯枯S的振動形狀，作出振型圖。測量方法是將多個(gè)傳感器安裝在

17、軸的側(cè)面，當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)多道記錄儀可以獲得每個(gè)傳感器各點(diǎn)的瞬間振幅值，并畫出軸振型圖。（4）電渦流探傷。探傷時(shí)，傳感器與被測金屬保持距離不變，如有裂紋出現(xiàn)，導(dǎo)體的電阻率會發(fā)生變化，渦流損耗改變而引起輸出電壓的變化。圖5為火車車輪裂紋檢測的典型應(yīng)用。傳感器安裝在火車車輪經(jīng)過的測試現(xiàn)場，在車輪寬度的位置上排列擺放多個(gè)電渦流傳感器，并在沿周長方向上也連續(xù)放置多個(gè)傳感器，目的是可以保證車輪旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，是車輪表面的每個(gè)部位上都能被傳感器檢測到。生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用：電感式傳感器自身的優(yōu)勢與現(xiàn)代檢測要求適應(yīng)性強(qiáng)，并由于其結(jié)構(gòu)簡單，工作條件要求不高，是很多行業(yè)、研究的首選對象。近年高鐵等運(yùn)輸行業(yè)的高速發(fā)展，使得電感式傳

18、感器的監(jiān)測功能得到了大范圍的擴(kuò)張；磨粒檢測技術(shù)的發(fā)展，也使電感式傳感器得到更多關(guān)注 范紅波，張英堂，陶鳳和，任國全 電感式磨粒傳感器中非鐵磁質(zhì)磨粒的磁場特性 傳感器與微系統(tǒng) 2010( 29) 2。還有脈沖渦流檢測技術(shù)，利用電渦流式電感器進(jìn)行金屬探傷，可以同時(shí)探測到試件不同深度的缺陷，讓檢測和識別表面與亞表面缺陷成了可能，另外，它具有檢測成本低廉，操作簡單，對人體無害和精度高等優(yōu)勢 徐晨曦 闕沛文 毛義梅 脈沖渦流檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 傳感器與微系統(tǒng) 2009( 28)6：95-97。微測量中，電感式傳感器一直享有優(yōu)勢。微差壓傳感器在微流量測量、泄漏測試、潔凈間測試、環(huán)境密封性檢測等許多高精度測量場

19、合應(yīng)用廣泛。磁性液體微差壓傳感器采用螺線式差動變壓器工作原理，做到壓力范圍大，線性度好，靈敏度高，穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制，機(jī)械制造，生物醫(yī)學(xué)工程等許多領(lǐng)域 董國強(qiáng)，李德才，郝瑞參，基于鐵磁性液體的微差壓傳感器研究 傳感技術(shù)學(xué)報(bào) 2009。就我自身的專業(yè)而言，傳感器的應(yīng)用也融入了焊接缺陷的檢測。如點(diǎn)焊質(zhì)量的檢測。利用點(diǎn)焊電極位移傳感器原理：電極位移信息與點(diǎn)焊缺陷密切相關(guān)，是點(diǎn)焊各參數(shù)影響的綜合體現(xiàn)，可直接用于監(jiān)測焊點(diǎn)加工熱熔化、體積膨脹、冷卻收縮等過程。因此，受到廣泛關(guān)注。目前，選用的傳感器中有光柵式、激光式、LVCT(Linear Variable Differential Transformer)及渦流傳感器。其中，光柵和