第7章電感式傳感器

1、第第7章章 電感式傳感器電感式傳感器n 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傳感器電感式傳感器7.1 7.1 變磁阻式電感式傳感器變磁阻式電感式傳感器7.2 7.2 差動(dòng)變壓器式電感式傳感器差動(dòng)變壓器式電感式傳感器7.3 7.3 渦流式電感式傳感器渦流式電感式傳感器7.4 7.4 小結(jié)小結(jié)1. 工作原理工作原理2.2.等效電路等效電路3.3.輸出特性分析輸出特性分析4.4.信號(hào)調(diào)節(jié)電路信號(hào)調(diào)節(jié)電路5.5.影響精度因素影響精度因素 6.6.應(yīng)用應(yīng)用電感傳感器照片電感傳感器照片應(yīng)用：應(yīng)用：位移、振動(dòng)、壓力、應(yīng)變、流量、比重等的測(cè)量。位移、振動(dòng)、

2、壓力、應(yīng)變、流量、比重等的測(cè)量。 分類：分類：基礎(chǔ)：基礎(chǔ)：電磁感應(yīng)；電磁感應(yīng)；利用線圈自感或互感的改變來實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)。利用線圈自感或互感的改變來實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)。 電感式傳感器電感式傳感器自感型自感型互感型：差動(dòng)變壓器互感型：差動(dòng)變壓器可變磁阻型可變磁阻型渦流式渦流式特點(diǎn)：特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、壽命長靈敏度高、分辨力高精度高、線性好性能穩(wěn)定、重復(fù)性好缺點(diǎn)：頻率響應(yīng)低，不適宜快速動(dòng)態(tài)測(cè)量7.1 7.1 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器由線圈、鐵芯和銜鐵三個(gè)部分組成由線圈、鐵芯和銜鐵三個(gè)部分組成如下圖所示：如下圖所示：202sWL 式中：式中：W W線圈的匝數(shù)線圈的匝數(shù)

3、 0 0空氣隙的磁導(dǎo)率空氣隙的磁導(dǎo)率 s s空氣隙的截面積空氣隙的截面積 空氣隙的厚度空氣隙的厚度 (a) (a) 工作原理工作原理 （b b）電感與氣隙的關(guān)系）電感與氣隙的關(guān)系7.1.1 工作原理22222211221SWLSRSSlSlRRWLmmm則空氣氣隙磁阻由于鐵心與銜鐵磁阻磁路總磁阻線圈自感相應(yīng)地，自感式電感傳感器分為變氣隙厚度變氣隙厚度 電電感傳感器感傳感器、變氣隙面積變氣隙面積S的電感傳感器的電感傳感器、 變鐵芯磁導(dǎo)率變鐵芯磁導(dǎo)率 的電感式傳感器的電感式傳感器 1.1.變氣隙厚度的電感式傳感器變氣隙厚度的電感式傳感器1/)()(1 1/1/2)(2232222LLSLLLLLS

4、WSWLSWLn靈敏度線性化處理，按級(jí)數(shù)展開當(dāng)時(shí)，當(dāng)銜鐵位移使氣隙減小初始電感因此，只能測(cè)量微小位移，且非線性嚴(yán)重。1、比較單線圈，差動(dòng)式的靈敏度提高了一倍；、比較單線圈，差動(dòng)式的靈敏度提高了一倍；2、差動(dòng)式非線性項(xiàng)比單線圈多乘了、差動(dòng)式非線性項(xiàng)比單線圈多乘了(/)因子；因子； 不存在偶次項(xiàng)，因不存在偶次項(xiàng)，因/1，線性度得到改善。，線性度得到改善。3、差動(dòng)式的兩個(gè)電感結(jié)構(gòu)，可抵消溫度、噪聲干、差動(dòng)式的兩個(gè)電感結(jié)構(gòu)，可抵消溫度、噪聲干擾、擾、 電源波動(dòng)電源波動(dòng) 的影響。的影響。4、 電磁吸力對(duì)測(cè)力變化的影響也因能相互抵消電磁吸力對(duì)測(cè)力變化的影響也因能相互抵消而減小。而減小。2.2.變氣隙面積的

5、電感式傳感器變氣隙面積的電感式傳感器2/222WSLLSSWLn靈敏度3.變鐵芯磁導(dǎo)率的電感式傳感器變鐵芯磁導(dǎo)率的電感式傳感器 原理：利用某些鐵磁材料的壓磁效應(yīng)，又稱壓磁式傳感器。壓磁效應(yīng)：當(dāng)鐵磁材料受力時(shí)，在物體內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，從而引起磁導(dǎo)率發(fā)生變化。應(yīng)用：主要用于測(cè)力。4.螺管型電感式傳感器螺管型電感式傳感器 當(dāng)鐵芯在線圈中運(yùn)動(dòng)時(shí)，將改變磁阻，從而線圈電感發(fā)生變化。當(dāng)鐵芯在線圈中運(yùn)動(dòng)時(shí)，將改變磁阻，從而線圈電感發(fā)生變化。|變磁阻式傳感器特點(diǎn)變磁阻式傳感器特點(diǎn) 1 1）變氣隙厚度）變氣隙厚度 的電的電感式傳感器感式傳感器( (L L- - ) ) 特點(diǎn)：靈敏度高；缺點(diǎn)：非線性大；常用于小位移測(cè)

6、量。特點(diǎn)：靈敏度高；缺點(diǎn)：非線性大；常用于小位移測(cè)量。 2 2）變氣隙面積）變氣隙面積S S的電感式傳感器的電感式傳感器( (L L- -S S) ) 特點(diǎn)：線性特性，靈敏度低，常用于角位移測(cè)量。特點(diǎn)：線性特性，靈敏度低，常用于角位移測(cè)量。 3 3）變鐵芯磁導(dǎo)率）變鐵芯磁導(dǎo)率 的電感式傳感器的電感式傳感器 特點(diǎn)：利用壓磁效應(yīng)，常用于各種力的測(cè)量。特點(diǎn)：利用壓磁效應(yīng)，常用于各種力的測(cè)量。 4）螺管型電感式傳感器螺管型電感式傳感器 特點(diǎn)：量程大、結(jié)構(gòu)簡單、便于制作，多用于大位移測(cè)量。7.1.3 7.1.3 變磁阻式傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)電路變磁阻式傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)電路 當(dāng)傳感器鐵芯處于中間位置，電橋輸出電壓

7、當(dāng)傳感器鐵芯處于中間位置，電橋輸出電壓為零。為零。 當(dāng)傳感器鐵芯向上或向下移動(dòng)，電橋輸出交當(dāng)傳感器鐵芯向上或向下移動(dòng)，電橋輸出交流電壓相同，但極性相反。流電壓相同，但極性相反。 因此，電路中必須有反映相位鑒別的相敏整因此，電路中必須有反映相位鑒別的相敏整流器。流器。零點(diǎn)殘余電壓：主要原因是由于兩線圈的電氣參數(shù)不完全對(duì)稱。7.1.4 7.1.4 影響變磁阻式傳感器精度因素影響變磁阻式傳感器精度因素 （1 1）內(nèi)部因素）內(nèi)部因素 1 1）L-L-非線性誤差非線性誤差屬原理性誤差屬原理性誤差; ; 采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)；測(cè)微小位移。采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)；測(cè)微小位移。 2 2）零點(diǎn)殘余電壓）零點(diǎn)殘余電壓零位誤差。

8、零位誤差。 在測(cè)量電橋中接入可調(diào)電位器。在測(cè)量電橋中接入可調(diào)電位器。（2）外部因素）外部因素 1 1）溫度變化的影響）溫度變化的影響 原因：溫度變化引起零件尺寸、線圈電阻、鐵芯磁導(dǎo)率變化。 設(shè)計(jì)制造時(shí)，合理選擇線膨脹系數(shù)的零件材料。設(shè)計(jì)制造時(shí)，合理選擇線膨脹系數(shù)的零件材料。2 2）電源波動(dòng)（電壓和頻率）電源波動(dòng)（電壓和頻率）原因：電源電壓波動(dòng)直接影響傳感器的輸出電壓，還引起鐵芯 磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁導(dǎo)率變化，鐵芯磁阻變化，線圈阻抗變化。鐵芯磁感應(yīng)強(qiáng)度的工作點(diǎn)要選在磁化曲線的線性段。鐵芯磁感應(yīng)強(qiáng)度的工作點(diǎn)要選在磁化曲線的線性段。電源頻率的波動(dòng)一般較小，使線圈感抗變化，交流電橋能補(bǔ)償。電源頻率的波動(dòng)一般

9、較小，使線圈感抗變化，交流電橋能補(bǔ)償。7.1.5 7.1.5 變磁阻式傳感器的應(yīng)用變磁阻式傳感器的應(yīng)用 用于接觸式測(cè)量；用于接觸式測(cè)量；用于靜態(tài)、動(dòng)態(tài)測(cè)量；用于靜態(tài)、動(dòng)態(tài)測(cè)量；用于位移、壓力、流量、液位等測(cè)量。用于位移、壓力、流量、液位等測(cè)量。7.2 7.2 差動(dòng)變壓器式電感式傳感器差動(dòng)變壓器式電感式傳感器工作原理：將被測(cè)量變化轉(zhuǎn)化為傳感器互感的變化。 形式：形式：變氣隙式、變面積式、螺管式變氣隙式、變面積式、螺管式7.2.1 7.2.1 差動(dòng)變壓器式電感式傳感器差動(dòng)變壓器式電感式傳感器螺管形差動(dòng)變壓器螺管形差動(dòng)變壓器 2. 差動(dòng)變壓器的信號(hào)調(diào)節(jié)電路差動(dòng)變壓器的信號(hào)調(diào)節(jié)電路 3. 差動(dòng)變壓器的

10、應(yīng)用差動(dòng)變壓器的應(yīng)用1. 1. 螺管式差動(dòng)變壓器螺管式差動(dòng)變壓器 1 1）結(jié)構(gòu)與工作原理）結(jié)構(gòu)與工作原理 (a) 三段式三段式PS1S2(b) 二段式二段式 螺管形差動(dòng)變壓器按繞組排列方螺管形差動(dòng)變壓器按繞組排列方式有：一段式、二段式、三段式、四式有：一段式、二段式、三段式、四段式及五段式。段式及五段式。 其主要結(jié)構(gòu)都是由三部分組成：其主要結(jié)構(gòu)都是由三部分組成：線圈繞組，可移銜鐵，導(dǎo)磁外殼。線圈繞組，可移銜鐵，導(dǎo)磁外殼。 2) 2) 基本特性基本特性 2. 2. 差動(dòng)變壓器的信號(hào)調(diào)節(jié)電路差動(dòng)變壓器的信號(hào)調(diào)節(jié)電路 1)1)可辨別位移方向可辨別位移方向 2)消除零位電壓消除零位電壓放大器放大器相敏

11、檢波相敏檢波振蕩器振蕩器XR3. 3. 差動(dòng)變壓器的應(yīng)用差動(dòng)變壓器的應(yīng)用n板的厚度測(cè)量板的厚度測(cè)量 板的兩側(cè)對(duì)稱放板的兩側(cè)對(duì)稱放置兩個(gè)差動(dòng)變壓器傳置兩個(gè)差動(dòng)變壓器傳感器，板的厚度對(duì)應(yīng)感器，板的厚度對(duì)應(yīng)變壓器鐵芯位移量，變壓器鐵芯位移量，并由變壓器傳感器輸并由變壓器傳感器輸出電壓信號(hào)實(shí)現(xiàn)厚度出電壓信號(hào)實(shí)現(xiàn)厚度測(cè)量。測(cè)量。n張力測(cè)量張力測(cè)量7.3 7.3 渦流式電感式傳感器渦流式電感式傳感器工作原理：工作原理：基于電渦流效應(yīng)原理?；陔姕u流效應(yīng)原理。渦流效應(yīng)：渦流效應(yīng)：金屬板置于變化著的磁場(chǎng)中時(shí)，或者在金屬板置于變化著的磁場(chǎng)中時(shí)，或者在固定磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，金屬體內(nèi)就要產(chǎn)生感應(yīng)電流，固定磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，

12、金屬體內(nèi)就要產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流的流線在金屬體內(nèi)是自身閉合的（自成回這種電流的流線在金屬體內(nèi)是自身閉合的（自成回路），所以叫做渦流。路），所以叫做渦流。 渦流的大?。簻u流的大?。号c金屬體的電阻率、導(dǎo)磁率、與金屬體的電阻率、導(dǎo)磁率、厚度以及線圈與金屬的距離，線圈的激磁電流角厚度以及線圈與金屬的距離，線圈的激磁電流角頻率等參數(shù)有關(guān)。頻率等參數(shù)有關(guān)。 (2)金屬處于交變電場(chǎng)之中金屬處于交變電場(chǎng)之中(1)交變電場(chǎng)交變電場(chǎng)3. 3. 傳感器結(jié)構(gòu)傳感器結(jié)構(gòu)分類：分類：高頻反射式渦流傳感器高頻反射式渦流傳感器低頻透射式渦流傳感器低頻透射式渦流傳感器特點(diǎn)：特點(diǎn)：體積小、靈敏度高、測(cè)量線性范圍大、頻率響應(yīng)寬體

13、積小、靈敏度高、測(cè)量線性范圍大、頻率響應(yīng)寬渦流的趨膚效應(yīng)：渦流滲透的深度與傳感器線圈激磁電流的頻率有關(guān)。渦流滲透的深度與傳感器線圈激磁電流的頻率有關(guān)。7.3.1 高頻反射式渦流傳感器高頻反射式渦流傳感器 1.1.基本原理基本原理傳感器線圈阻抗線圈與金屬板間距激勵(lì)電流頻率關(guān)的因子與線圈與被測(cè)體尺寸有金屬板電阻率金屬板磁導(dǎo)率rrfZ),( 4 4測(cè)量電路測(cè)量電路 定頻調(diào)幅電路并聯(lián)諧振回路諧振頻率 當(dāng)f= f0（電源）時(shí)，輸出電壓emax； 當(dāng)被測(cè)量改變，回路失調(diào)，此時(shí) eemax，即e隨改變。 LCf210)(21fCLLf 調(diào)頻電路 將傳感器接入一個(gè)LC振蕩器中，當(dāng)變化，線圈阻抗L發(fā)生變化，使振

14、蕩器的頻率改變，通過鑒頻器將頻率變化變換成電壓輸出。渦流傳感器信號(hào)調(diào)理電路渦流傳感器信號(hào)調(diào)理電路7.3.2. 7.3.2. 低頻透射式渦流傳感器低頻透射式渦流傳感器 厚度測(cè)量厚度測(cè)量 低頻透射測(cè)厚儀，可無接觸地測(cè)量金屬板厚度或鍍層低頻透射測(cè)厚儀，可無接觸地測(cè)量金屬板厚度或鍍層厚度。如圖，發(fā)射線圈厚度。如圖，發(fā)射線圈L L1 1和接收線圈和接收線圈L L2 2分別放在被測(cè)材料分別放在被測(cè)材料M M上下方。上下方。L L1 1中加上交流電中加上交流電u u，若，若M M不存在，不存在，L L1 1的磁場(chǎng)將直接貫穿的磁場(chǎng)將直接貫穿L L2 2產(chǎn)生交變電動(dòng)產(chǎn)生交變電動(dòng)勢(shì)勢(shì)e=f(I,w,Ne=f(I,

15、w,N1 1, N, N2 2,x,x0 0,),)。若在。若在L L1 1、L L2 2中間放置中間放置M M，L L1 1產(chǎn)生的磁力產(chǎn)生的磁力線必然切割線必然切割M M，并在，并在M M中產(chǎn)生渦流，使到達(dá)中產(chǎn)生渦流，使到達(dá)L L2 2的磁力線減少，的磁力線減少，e e下降。下降。M M的厚度的厚度h h越大，渦流越大，引起的損耗越大，越大，渦流越大，引起的損耗越大，e e就越小。由就越小。由e e的大小的大小可反映材料厚度可反映材料厚度h h的變化。的變化。 以位移作變換量以位移作變換量不同的變換量制成不同的傳感器不同的變換量制成不同的傳感器。測(cè)位移、厚度、振幅、振擺、轉(zhuǎn)速；測(cè)位移、厚度、振幅、振擺、轉(zhuǎn)速； 接近開關(guān)、記數(shù)等。接近開關(guān)、記數(shù)等。),(xfZ 測(cè)厚測(cè)厚7.3.3 7.3.3 渦流式傳感器的應(yīng)用渦流式傳感器的應(yīng)用測(cè)轉(zhuǎn)速測(cè)轉(zhuǎn)速測(cè)金屬表面氧化膜厚度測(cè)金屬表面氧化膜厚度火車輪檢測(cè)火車輪檢測(cè)油管檢測(cè)油管檢測(cè) 零件計(jì)數(shù)零件計(jì)數(shù)測(cè)軸的振動(dòng)形狀測(cè)軸的振動(dòng)形狀7.4 7.4 小結(jié)小結(jié)