電感式傳感器討論課

1、電感式傳感器的基本原理及典型應用 指導教師：邊 輝 班 級：機電一班 小組成員： 撰寫時間：2015.06.07摘要 本文主要介紹了基于自感原理的電感式傳感器，采用互感原理的互感式傳感器的差動變壓器式傳感器和電渦流式傳感器。分別介紹了一下它們的工作原理和優(yōu)點及缺點。因其結構簡單、動態(tài)響應快、易實現非接觸測量等突出的優(yōu)點，目前在冶金、石油、化工、煤炭、水泥、糧食等行業(yè)中應用廣泛。摘要2一、自感式傳感器：51.氣隙型電感式傳感器52.螺管式電感傳感器63.電感線圈的等效電路65.傳感器應用7二、差動變壓器81.結構和工作原理82.基本特性83.測量電路94.差動變壓器的應用9三、電渦流式傳感器11

2、1.電渦流式傳感器的工作原理112.高頻反射式高頻反射式電渦流傳感器123.測量電路134.電渦流式傳感器的應用13前言 電感式傳感器是基于電磁感應原理，利用線圈自感或互感的變化來實現非電量電測的一種裝置。利用這種轉換原理，可以測量位移、振動、壓力、應變、流量、密度等參數 電感式傳感器具有以下優(yōu)點： （1）結構簡單，工作可靠； （2）靈敏，分辨率高（位移變化可達0.01m）； （3）零點穩(wěn)定，漂移最小可達0.1m； （4）測量精度高，線性好（非線性誤差可達0.05%0.1%）； （5）輸出功率大，即使不用放大器，一般也有（0.15）V/mm的輸出值，且性能穩(wěn)定。 電感式傳感器的主要缺點：頻率響

3、應較低，不宜用于快速動態(tài)信號的測量；分辨率和示值誤差與測量范圍有關，測量范圍愈大分辨率和示值精度相應降低；存在交流零位信號。 電感式傳感器的種類有很多，通常所說的電感式傳感器是基于自感原理的自感式傳感器；而采用互感原理的互感式傳感器有差動變壓器式傳感器（利用變壓器原理，且往往做成差動形式）和電渦流式傳感器。 電感式傳感器具有結構簡單、動態(tài)響應快、易實現非接觸測量等突出的優(yōu)點，特別適合用于酸類，堿類，氯化物，有機溶劑，液態(tài)CO2，氨水，PVC粉料，灰料，油水界面等液位測量，目前在冶金、石油、化工、煤炭、水泥、糧食等行業(yè)中應用廣泛。一、自感式傳感器：1.氣隙型電感式傳感器(1)工作原理線圈電感為：

4、磁路總磁阻為：故： 由于電感式傳感器的鐵芯磁導率遠大于空氣磁導率，故：（2）特性分析： 其特性曲線：可以看出：當氣隙發(fā)生變化，電感的變化與氣隙變化呈非線性關系，其非線性程度隨氣隙相對變化增大而增大。氣隙減小所引起的電感變化與同樣的氣隙增大引起的電感變化并不相等。2.螺管式電感傳感器（1） 原理：經過推導得：不難看出，其有測量范圍大，數百毫米，靈敏度低，大量程直線位移特點。 3.電感線圈的等效電路電感線圈的等效電路（如圖） 4.測量電路交流電橋是電感式傳感器和電容式傳感器的主要測量電路，它的作用是將床干起線圈電感或傳感器電容的變化轉換為橋路的電壓或者電流輸出。常用工作電路有：單臂工作雙臂工作（差

5、動形式）下圖是常用雙臂工作示意圖：則有5.傳感器應用 電感式傳感器般用于接觸測量，可用于靜態(tài)和動態(tài)測量。測量的基本量是位移，也可以用于振動、壓力、荷重、流量、液位等參數測量。常用有：電感測微儀、電感壓力傳感器等。二、差動變壓器1.結構和工作原理1.1結構差動變壓器式傳感器的結構主要為螺管型，如圖1-1所示（為三段式差動變壓器）。線圈由初級線圈（激勵線圈，相當于變壓器原邊）P和次級線圈（相當于變壓器的副邊）S1、S2組成；線圈中心插入圓柱形鐵芯（銜鐵）b。S1PS2圖1-2 差動變壓器的電氣連接線路圖圖1-1 差動變壓器結構示意圖1.2工作原理差動變壓器的兩個次級線圈反相串接，其電氣連接如圖1-

6、2所示。差動變壓器工作原理與一般變壓器的工作原理是一致的，所不同之處在于：一般變壓器是閉合磁路，而差動變壓器是開磁路；一般變壓器原、副繞組之間的互感是常數，而差動變壓器原、副邊之間的互感隨鐵芯移動而變動。差動變壓器式傳感器的工作原理正是建立在互感變化的基礎上。2.基本特性 靈敏度：差動式變壓器在單位電壓激磁下、鐵芯移動單位距離時所產生的輸出電壓的變化，其單位為mV/（mm*V）。 頻率特性：差動變壓器的激磁頻率一般以50Hz10kHz較為合適。 相位：差動變壓器的次級電壓對初級電壓通常導前幾度到幾十度的相角。 線性范圍：理想的差動變壓器次級輸出電壓與鐵芯位移成線性關系，由于直徑、長度、材料的不

7、同和線圈骨架的形狀、大小的不同等影響，一般差動變壓器的線性范圍約為線圈骨架長度的1/101/4。 溫度特性：在造成溫度誤差的各項原因中，影響最大的是初級線圈的電阻溫度系數。零點殘余電壓：零點殘余電壓波形復雜，包含了基波同相成分、基波正交成分、二次及三次諧波和較小的電磁干擾波。3.測量電路 不平衡測量電路包含:交流電壓測量、相敏檢波電路、差動整流電路、動態(tài)位移測量。平衡測量量電路包含：自動平衡電路、力平衡電路。4.差動變壓器的應用4.1位移測量差動變壓器測量的基本量仍然是位移。它可以作為精密測量儀的主要部件，對零件進行多種精密測量工作，如內徑、外徑、不平行度、粗糙度、不垂直度、振擺、偏心和橢圓度

8、等；作為軸承滾動自動分選機的主要測量部件，可以分選大、小鋼球、圓柱、圓錐等；用于測量各種零件膨脹、伸長、應變等。 圖4-1為測量液位的原理圖。當某一設定液位使鐵芯處于中心位置時，差動變壓器輸出信號Uo=0；當液位上升或下降時，Uo¹0，通過相應的測量電路便能確定液位的高低。圖4-1 液位測量 4.2振動和加速度測量 利用差動變壓器加上懸臂梁彈性支承可構成加速度計。為了滿足測量精度，加速度計的固有頻率應比被測頻率上限大35倍。由于運動系統質量m不可能太小，而增加彈性片剛度k又使加速度計靈敏度受到影響，因此系統固有頻率不可能很高。所以，能測量的振動頻率上限就受到限制，一般在150Hz以下

9、。如圖4-2就是這種形式下的加速度計的結構和測量電路示意圖。高頻時加速度測量用壓電式傳感器。 圖4-2 差動變壓器加速度計結構及其測量電路框圖 (a)結構；(b)測量電路框圖 1-彈性支承；2-差動變壓器4.3壓力測量差動變壓器和彈性敏感元件組合，可以組成開環(huán)壓力傳感器。由于差動變壓器輸出是標準信號，常稱為變送器。圖4-3 微壓變送器及測量電路框圖(a)微壓變送器；(b)測量電路框圖1-接頭；2-膜盒；3-底座；4-線路板；5-差動變壓器線圈；6-銜鐵；7-罩殼；8-插頭；9-通孔 這種微壓力變送器，經分檔可測(-4+6)´104N/m2的壓力，輸出信號電壓為050mV，精度1.0級

10、、1.5級。4.4差動變壓器測速差動變壓器測速的工作原理如圖4-4所示。差動變壓器的原邊勵磁電流由交、直流同時供給。圖4-4 差動變壓器測速裝置原理框圖三、電渦流式傳感器1.電渦流式傳感器的工作原理成塊的金屬導體置于變化著的磁場中時，金屬導體內就要產生感應電流，這種電流的流線在金屬導體內自動閉合，通常稱為電渦流。電渦流式傳感器(線圈-金屬導體系統)就是一種基于電渦流效應原理的傳感器。電渦流的大小與金屬導體的電阻率、導磁率、 厚度t以及線圈與金屬之間的距離x、線圈的激磁電流角頻率等參數有關。若保持其中若干參數恒定，就能按電渦流大小對線圈的作用的差異來測量另外某一參數。電渦流傳感器結構簡單、頻率響

11、應寬、靈敏度高、抗干擾能力強、測量線性范圍大，而且又具有非接觸測量的優(yōu)點，因此廣泛應用于工業(yè)生產和科學研究的各個領域。電渦流傳感器可以測量位移、振動、厚度、轉速、溫度等參數，并且還可以進行無損探傷和制作接近開關。電渦流傳感器主要有兩種類型：高頻反射式和低頻透射式，其中高頻反射式電渦流傳感器應用較為廣泛。2.高頻反射式高頻反射式電渦流傳感器2.1基本原理當線圈通交變電流時，線圈周圍就產生交變磁場。 此時金屬板中將產生感應電動勢， 從而形成電渦流，此時又產生一個磁場。由于對線圈的反作用(減弱線圈原磁場),從而導致線圈的電感量L、阻抗Z或品質因數Q發(fā)生變化。2.2等效電路由線圈金屬導體系統構成的電渦

12、流傳感器可以用右圖所示的等效電路來分析。線圈回路電阻R，電感為L,激勵電流為I，激勵電壓為E，金屬導體中的電渦流等效為一個短路線圈構成另一個回路，渦流電阻為R，渦流環(huán)路電感為L，電渦流為I，線圈和導體之間的環(huán)系數為M。3.測量電路根據電渦流傳感器的原理，被測參量可以由傳感器轉換為傳感器線圈的阻抗Z、電感L或品質因數Q等三個電參數。究竟利用哪個參數并將其最后變換為電壓或電流信號輸出，這要由測量電路決定。電渦流傳感器作測量時，為了提高靈敏度，用已知電容C與傳感器線圈并聯(一般在傳感內)組成LC并聯諧振回路。傳感器線圈等效電感的變化使并聯諧振回路的諧振頻率發(fā)生變化，將其被測量變換為電壓或電流信號輸出

13、。并聯諧振回路的諧振頻為: 目前，電渦流傳感器所配用的諧振式測量電路有調幅式和調頻式兩類，以及交流電橋測量電路。4.電渦流式傳感器的應用4.1位移測量凡是可變換成位移量的參數，都可以用電渦流式傳感器來測量 軸向位移(a)；磨床換向閥、先導閥的位移(b)；金屬試件熱膨脹系數(c)1-被測試件 2-電渦流傳感器4.2振幅測量(a)監(jiān)控徑向振動；(b)測量渦輪葉片振幅 ；(c)多個傳感器并排在軸附近1-被測試件；2-電渦流傳感器4.3尺寸測量幾何尺寸測量電渦流傳感器4.4電渦流溫度測量在較小的溫度范圍內金屬導體的電阻率與溫度t的關系可以用下式表示：、分別表示溫度t、t時材料的電阻率；為電阻溫度系數，為溫度變化。4.5電渦流轉速計工作原理：在轉軸(或飛輪)上開一鍵槽，靠近軸表面安裝電渦流傳感器，軸轉動時便能檢出傳感器與軸表面的間隙變化，從而得到相對于