第四章 電感式傳感器

1、第4章 電感式傳感器 第一節(jié)第一節(jié) 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器第二節(jié)第二節(jié) 互感式傳感器互感式傳感器第三節(jié)第三節(jié) 電渦流式傳感器電渦流式傳感器第一節(jié)第一節(jié) 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器一、變隙式自感傳感器一、變隙式自感傳感器1、結(jié)構(gòu)和工作原理、結(jié)構(gòu)和工作原理S1l1L1W23l21線圈；2鐵芯(定鐵芯)；3銜鐵(動(dòng)鐵芯)S2根據(jù)對(duì)電感的定義，線圈中電感量可由下式確定： NLII（4-1） 式中： 線圈總磁鏈； I通過(guò)線圈的電流； N線圈的匝數(shù)； 穿過(guò)線圈的磁通。由磁路歐姆定律， 得 mINR（4-2） 式中, Rm為磁路總磁阻。 對(duì)于變隙式傳感器， 因?yàn)闅庀逗苄?，所以可以認(rèn)為氣隙中的磁場(chǎng)是均

2、勻的。 若忽略磁路磁損， 則磁路總磁阻為 12112202mllRSSS（4-3） 式中： 1鐵芯材料的導(dǎo)磁率； 2銜鐵材料的導(dǎo)磁率； l1磁通通過(guò)鐵芯的長(zhǎng)度； l2磁通通過(guò)銜鐵的長(zhǎng)度； S1鐵芯的截面積； S2銜鐵的截面積； 0空氣的導(dǎo)磁率； S氣隙的截面積； 氣隙的厚度。 通常氣隙磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻， 即 1011202222lSSlSS（4-4） 則式（4-3）可寫(xiě)為 02mRS（4-5） 聯(lián)立式（4-1）、 式（4-2）及式（4-5）， 可得 2202mNSNLR（4-6） 上式表明，當(dāng)線圈匝數(shù)為常數(shù)時(shí)，電感L僅僅是磁路中磁阻Rm的函數(shù)，改變或S均可導(dǎo)致電感變化，因此變磁阻式傳

3、感器又可分為變氣隙厚度的傳感器和變氣隙面積S的傳感器。目前使用最廣泛的是變氣隙厚度式電感傳感器。 設(shè)銜鐵處于起始位置時(shí), 傳感器的初始?xì)庀稙?。 初始電感為20002NSL當(dāng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí), 傳感器的氣隙長(zhǎng)度將減少, 即為=0-, 這時(shí)的電感量為2002()NSL相對(duì)變化量為000011LL2、輸出特性、輸出特性 當(dāng) 時(shí), 可將上式展開(kāi)成級(jí)數(shù)0122300000001()()()LL 同理, 如銜鐵向下移動(dòng)時(shí), 傳感器氣隙將增大, 即為=0+, 電感量的變化量為000LLLL 相對(duì)變化量為 230000()()LL 可以看出, 當(dāng)忽略高次項(xiàng)時(shí), L才與成線性關(guān)系。 當(dāng)然, /0 越小, 高次項(xiàng)

4、迅速減小, 非線性可得到改善。 然而, 這又會(huì)使傳感器的量程變小。 所以, 對(duì)輸出特性線性度的要求和對(duì)測(cè)量范圍的要求是相互矛盾的, 一般對(duì)變氣隙長(zhǎng)度的傳感器, 取/0=0.10.2。二、變面積自感傳感器二、變面積自感傳感器x xa a鐵心與銜鐵間氣隙厚度忽略。鐵心與銜鐵間氣隙厚度忽略。 xablxAlRM axLlaxabNlxANRNxLM110222三、螺管式自感傳感器三、螺管式自感傳感器 鐵鐵 芯芯位移x02lAxlAxlAxRM000022 0000222112lxLxlANRNxLM 傳感器工作時(shí)，因鐵芯在線圈中伸入長(zhǎng)度的變化，引起螺管線圈自感值的變化。當(dāng)用恒流源激勵(lì)時(shí)，則線圈的輸出

5、電壓與鐵芯的位移量有關(guān)。四、差動(dòng)自感傳感器四、差動(dòng)自感傳感器L1L2RoRo122131鐵芯；2線圈；3銜鐵1、變隙式差動(dòng)自感傳感器、變隙式差動(dòng)自感傳感器 在起始位置時(shí), 銜鐵處于中間位置, 兩邊的氣隙相等, 兩只線圈的電感量相等, 電橋處于平衡狀態(tài), 電橋的輸出電壓Us=0。 當(dāng)銜鐵偏離中間位置向上或向下移動(dòng)時(shí), 兩邊氣隙不等, 兩只電感線圈的電感量一增一減, 電橋失去平衡。 電橋輸出電壓的幅值大小與銜鐵移動(dòng)量的大小成比例, 其相位則與銜鐵移動(dòng)方向有關(guān)。 假定向上移動(dòng)時(shí)輸出電壓的相位為正, 而向下移動(dòng)時(shí)相位將反向180為負(fù)。 因此, 如果測(cè)量出輸出電壓的大小和相位，就可以決定銜鐵位移的大小和

6、方向。銜鐵帶動(dòng)連動(dòng)機(jī)構(gòu)就可以測(cè)量多種非電量，如位移、液面高度、速度等。五、測(cè)量電路五、測(cè)量電路 電感式傳感器的測(cè)量電路有交流電橋式、 變壓器式交流電橋以及諧振式等。 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。有功分量包括：線圈線繞電阻和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，其總電阻可用R來(lái)表示；無(wú)功分量包含：線圈的自感L, 繞線間分布電容，為簡(jiǎn)便起見(jiàn)可視為集中參數(shù)，用C來(lái)表示。 于是可得到電感式傳感器的等效電路如圖4-4所示。 圖4-4 電感式傳感器的等效電路RCLZ 圖4-4

7、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 CjLjRCjLjRZ )(4-16) 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 (QLCLCQLCLCLjQLCLCRZ(4-17) 當(dāng)Q2LC且 U U0 0，即二極管的導(dǎo)通與否取決于，即二極管的導(dǎo)通與否取決于U UR R，工作原理：，工作原理： (1)(1)銜鐵在中間位置時(shí)，銜鐵在中間位置時(shí)，U U0 0= 0= 0，電流表中無(wú)讀數(shù)。，電流表中無(wú)讀數(shù)。(2)(2)若銜鐵向上移動(dòng)：若銜鐵向上移動(dòng)：信號(hào)電壓信號(hào)電壓U U0 0上正下負(fù)為正半周，假定參考電壓上正下負(fù)為

8、正半周，假定參考電壓U UR R極性為左正右負(fù)，此時(shí)極性為左正右負(fù)，此時(shí)D D1 1、D D2 2截截止，而止，而D D3 3、D D4 4導(dǎo)通，信號(hào)電流方向?yàn)閷?dǎo)通，信號(hào)電流方向?yàn)?BRmAFE D D3 3G D D4 4C 電流表的極性是上正下負(fù)電流表的極性是上正下負(fù) 同理負(fù)半周結(jié)果相同同理負(fù)半周結(jié)果相同(3)(3)當(dāng)被測(cè)量方向變化使銜當(dāng)被測(cè)量方向變化使銜鐵下移時(shí)，輸出電壓鐵下移時(shí)，輸出電壓UU0 0 的的相位與銜鐵上移時(shí)相反相位與銜鐵上移時(shí)相反。2 2、相敏檢波電路、相敏檢波電路三、三、 誤差因素分析誤差因素分析1 1、激勵(lì)電壓幅值與頻率的影響、激勵(lì)電壓幅值與頻率的影響激勵(lì)電源電壓幅值的

9、波動(dòng)，會(huì)使線圈激勵(lì)磁場(chǎng)的磁通發(fā)生變化，直接影響輸出電勢(shì)。而頻率的波動(dòng)，只要適當(dāng)?shù)剡x擇頻率，其影響不大。2 2、溫度變化的影響、溫度變化的影響周?chē)h(huán)境溫度的變化，引起線圈及導(dǎo)磁體磁導(dǎo)率的變化，從而使線圈磁場(chǎng)發(fā)生變化產(chǎn)生溫度漂移。當(dāng)線圈品質(zhì)因數(shù)較低時(shí)，影響更為嚴(yán)重，因此，采用恒流源激勵(lì)比恒壓源激勵(lì)有利。適當(dāng)提高線圈品質(zhì)因數(shù)并采用差動(dòng)電橋可以減少溫度的影響。 3 3、零點(diǎn)殘余電壓、零點(diǎn)殘余電壓 當(dāng)差動(dòng)變壓器的銜鐵處于中間位置時(shí)，理想條件下其輸出電壓為零。但實(shí)際上，當(dāng)使用橋式電路時(shí)，在零點(diǎn)仍有一個(gè)微小的電壓值(從零點(diǎn)幾mV到數(shù)十mV)存在，稱為零點(diǎn)殘余電壓零點(diǎn)殘余電壓。如圖是擴(kuò)大了的零點(diǎn)殘余電壓的輸出

10、特性。零點(diǎn)殘余電壓的存在造成零點(diǎn)附近的不靈敏區(qū)；零點(diǎn)殘余電壓輸入放大器內(nèi)會(huì)使放大器末級(jí)趨向飽和，影響電路正常工作等。 0e2x-xe20消除零點(diǎn)殘余電壓方法：消除零點(diǎn)殘余電壓方法：1 1從設(shè)計(jì)和工藝上保證結(jié)構(gòu)對(duì)稱性從設(shè)計(jì)和工藝上保證結(jié)構(gòu)對(duì)稱性 為保證線圈和磁路的對(duì)稱性，首先，要求提高加工精度，線圈選配成對(duì)，采用磁路可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。其次，應(yīng)選高磁導(dǎo)率、低矯頑力、低剩磁感應(yīng)的導(dǎo)磁材料。并應(yīng)經(jīng)過(guò)熱處理，消除殘余應(yīng)力，以提高磁性能的均勻性和穩(wěn)定性。由高次諧波產(chǎn)生的因素可知，磁路工作點(diǎn)應(yīng)選在磁化曲線的線性段。 2 2選用合適的測(cè)量線路選用合適的測(cè)量線路 采用相敏檢波電路不僅可鑒別銜鐵移動(dòng)方向，而且把銜鐵在中

11、間位置時(shí)，因高次諧波引起的零點(diǎn)殘余電壓消除掉。如圖，采用相敏檢波后銜鐵反行程時(shí)的特性曲線由1變到2，從而消除了零點(diǎn)殘余電壓。e2+x-x210相敏檢波后的輸出特性第三節(jié)第三節(jié) 電渦流式傳感器電渦流式傳感器一、基本工作原理一、基本工作原理 1、電渦流效應(yīng)、電渦流效應(yīng)： 根據(jù)法拉第定律，塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中或在磁根據(jù)法拉第定律，塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部將產(chǎn)生漩渦狀的感應(yīng)電流，場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部將產(chǎn)生漩渦狀的感應(yīng)電流，成為電渦流，這種現(xiàn)象稱為成為電渦流，這種現(xiàn)象稱為“電渦流效應(yīng)電渦流效應(yīng)”。 特點(diǎn)：能對(duì)位移、厚度、表面溫度、速度、應(yīng)力、

12、材料損特點(diǎn)：能對(duì)位移、厚度、表面溫度、速度、應(yīng)力、材料損傷等進(jìn)行非接觸式連續(xù)測(cè)量。傷等進(jìn)行非接觸式連續(xù)測(cè)量。2、工作原理、工作原理 傳感器激勵(lì)線圈(a)(b)被測(cè)金屬導(dǎo)體傳感器激勵(lì)電流 根據(jù)法拉第定律，當(dāng)傳感器根據(jù)法拉第定律，當(dāng)傳感器線圈通以正弦交變電流線圈通以正弦交變電流I1時(shí)，線時(shí)，線圈周?chē)臻g必然產(chǎn)生正弦交變磁圈周?chē)臻g必然產(chǎn)生正弦交變磁場(chǎng)場(chǎng)H1，使置于此磁場(chǎng)中的金屬導(dǎo)，使置于此磁場(chǎng)中的金屬導(dǎo)體中感應(yīng)電渦流體中感應(yīng)電渦流I2，I2又產(chǎn)生新的又產(chǎn)生新的交變磁場(chǎng)交變磁場(chǎng)H2。根據(jù)楞次定律，。根據(jù)楞次定律， H2的作用將反抗原磁場(chǎng)的作用將反抗原磁場(chǎng)H1，由于磁，由于磁場(chǎng)場(chǎng)H2的作用，渦流要消耗

13、一部分的作用，渦流要消耗一部分能量，導(dǎo)致傳感器線圈的等效阻能量，導(dǎo)致傳感器線圈的等效阻抗發(fā)生變化。由上可知，抗發(fā)生變化。由上可知， 線圈阻線圈阻抗的變化完全取決于被測(cè)金屬導(dǎo)抗的變化完全取決于被測(cè)金屬導(dǎo)體的電渦流效應(yīng)。體的電渦流效應(yīng)。. .電渦流效應(yīng)既與被測(cè)體的電阻率、磁導(dǎo)率以及幾何形狀有關(guān)， 還與線圈的幾何參數(shù)、線圈中激磁電流頻率f有關(guān)，同時(shí)還與線圈與導(dǎo)體間的距離x有關(guān)。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) 式中, r為線圈與被測(cè)體的尺寸因子。 如果保持上式中其它參數(shù)不變，而只改變其中一個(gè)參數(shù)， 傳感器線圈阻抗Z就僅僅是這個(gè)參數(shù)的單值函數(shù)。通過(guò)與傳感

14、器配用的測(cè)量電路測(cè)出阻抗Z的變化量，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)該參數(shù)的測(cè)量。二、電渦流形成范圍二、電渦流形成范圍 1. 電渦流的徑向形成范圍電渦流的徑向形成范圍1.00.80.60.40.2Jr /J0r/ras32101233r/ras2hxriraras11電 渦 流 線 圈 ； 2等 效 短 路 環(huán) ； 3電 渦 流 密 度 分 布 線圈導(dǎo)體系統(tǒng)產(chǎn)生的電渦流密度既是線圈與導(dǎo)體間距離x的函數(shù)，又是沿線圈半徑方向r的函數(shù)。當(dāng)x一定時(shí)，電渦流密度J與半徑r的關(guān)系曲線如圖所示。J0為金屬導(dǎo)體表面電渦流密度，即電渦流密度最大值。Jr為半徑r處的金屬導(dǎo)體表面電渦流密度）。由圖可知： 電渦流徑向形成范圍大約在傳感器線

15、圈外徑ras的1.82.5倍范圍內(nèi)，且分布不均勻。 電渦流密度在ri=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)平均半徑為的短路環(huán)來(lái)集中表示分散的電渦流（圖中陰影部分）。 2aiasasrrrr 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 理論分析和實(shí)驗(yàn)都已證明，當(dāng)x改變時(shí)，電渦流密度也發(fā)生變化，即電渦流強(qiáng)度隨距離x的變化而變化。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 22121asrxxII式中： I1線圈激勵(lì)電流； I2金屬導(dǎo)體中等效電流； x線圈到金屬導(dǎo)體表面距離； ras線圈外徑。 以上分析表明： 電渦流強(qiáng)度與距離x呈非線

16、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的線性和較高的靈敏度。 所謂貫穿深度是指把電渦流強(qiáng)度減小到表面強(qiáng)度的所謂貫穿深度是指把電渦流強(qiáng)度減小到表面強(qiáng)度的1/e處的表處的表面厚度。由于電磁場(chǎng)不能穿過(guò)導(dǎo)體的無(wú)限厚度，面厚度。由于電磁場(chǎng)不能穿過(guò)導(dǎo)體的無(wú)限厚度， 僅作用于表面僅作用于表面薄層和一定的徑向范圍內(nèi)，并且導(dǎo)體中產(chǎn)生的電渦流強(qiáng)度是隨薄層和一定的徑向范圍內(nèi)，并且導(dǎo)體中產(chǎn)生的電渦流強(qiáng)度是隨導(dǎo)體厚度的增加按指數(shù)規(guī)律下降的。其按指數(shù)衰減分布規(guī)律可導(dǎo)體厚度的增加按指數(shù)規(guī)律下降的。其按指數(shù)衰減分布規(guī)律可用下

17、式表示：用下式表示： hddeJJ/0 3. 電渦流的軸向貫穿深度電渦流的軸向貫穿深度式中：式中：d金屬導(dǎo)體中某一點(diǎn)與表面的距離；金屬導(dǎo)體中某一點(diǎn)與表面的距離； Jd沿沿H1軸向軸向d處的電渦流密度；處的電渦流密度； J0金屬導(dǎo)體表面電渦流密度，金屬導(dǎo)體表面電渦流密度， 即電渦流密度最大值；即電渦流密度最大值； h電渦流軸向貫穿的深度（趨膚深度）。電渦流軸向貫穿的深度（趨膚深度）。三、電渦流傳感器等效電路三、電渦流傳感器等效電路0111111ILjIRIMjUIMjILjIR線圈激磁電流角頻率； R1、L1線圈電阻和電感； M互感系數(shù)。 解得等效阻抗Z的表達(dá)式為 eqeqLjRLLRMLjRL

18、RMRIUZ12122122121221221式中：Req線圈受電渦流影響后的等效電阻 12122122RLRMRReqLeq線圈受電渦流影響后的等效電感 12122122LLRMLLeq線圈的等效品質(zhì)因數(shù)Q值為 eqeqRLQ四、電渦流傳感器測(cè)量電路四、電渦流傳感器測(cè)量電路1. 調(diào)頻式電路調(diào)頻式電路頻 率 計(jì)f-V電 壓 表振蕩器CLx(a)R1R2C1R3R4C2C3C4R5C6R6C5CL(x)Vcc(b)L1V1V2f圖4-28 調(diào)頻式測(cè)量電路 (a) 測(cè)量電路框圖； (b) 振蕩電路 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)，即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變換，用數(shù)字電壓表測(cè)量對(duì)應(yīng)的電壓。 振蕩器電路如圖(b)所示。它由克拉潑電容三點(diǎn)式振蕩器(C2、C3、L、C和1)以及射極輸出電路兩部分組成。振