第四章 電感式傳感器2

1、 主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： 4.14.1變磁阻式電感傳感器變磁阻式電感傳感器 4.24.2差動(dòng)變壓器式電感傳感器差動(dòng)變壓器式電感傳感器 4.34.3電渦流式傳感器電渦流式傳感器 各種電感式傳感器各種電感式傳感器接近式傳接近式傳器器電感式傳感器電感式傳感器 v 只要改變氣隙厚只要改變氣隙厚 度或氣隙截面積度或氣隙截面積 就可以改變電感。就可以改變電感。wLII2mmIwwLRR 根據(jù)電感的定義：根據(jù)電感的定義：121122002mllRAAA002mRu A100112lu Au A200222lu Au A22002mwAwLR22002mwAwLR銜鐵位移銜鐵位移引起的電感變化為：引起的電感變化

2、為：電感初始?xì)庀峨姼谐跏細(xì)庀? 0處初始電感量為處初始電感量為L(zhǎng) L0 0 20020000000022()(1)(1)wAwALLLL /小于小于1 1時(shí)，時(shí)，用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi) 銜鐵銜鐵上移時(shí)上移時(shí) （增加增加）銜鐵銜鐵下移時(shí)（減小下移時(shí)（減?。?對(duì)上式作線性處理忽略高次項(xiàng)時(shí)對(duì)上式作線性處理忽略高次項(xiàng)時(shí): :u 定義靈敏度定義靈敏度 銜鐵銜鐵下移時(shí)（減小下移時(shí)（減?。?銜鐵銜鐵上移時(shí)上移時(shí) （增加（增加）2000() 100%100%Lr0001LLk0LL0L0+L0L0L02002wAL 對(duì)上式進(jìn)行線性處理并忽略高次項(xiàng)：對(duì)上式進(jìn)行線性處理并忽略高次項(xiàng)： v 差動(dòng)式靈敏度為：差

3、動(dòng)式靈敏度為： 電感的變化為：電感的變化為：差動(dòng)式的兩個(gè)電感結(jié)構(gòu)差動(dòng)式的兩個(gè)電感結(jié)構(gòu)兩個(gè)橋臂由相同線圈組成，另外兩個(gè)為平衡電阻兩個(gè)橋臂由相同線圈組成，另外兩個(gè)為平衡電阻 等效電路等效電路1ZZZ因因000222ACACACUUUZRjLLUZRj LL 輸出電壓為輸出電壓為： 可見(jiàn)電橋輸出電壓可見(jiàn)電橋輸出電壓U U0 0與氣隙變量與氣隙變量有關(guān)有關(guān) 002LL 00()ACUU代入代入 電橋輸出為：電橋輸出為：2ZZZ34ZZR142301234()()ACZ ZZ ZUUZZZZ 電橋的兩臂是傳感器線圈電橋的兩臂是傳感器線圈阻抗臂、另外兩個(gè)臂是交流阻抗臂、另外兩個(gè)臂是交流變壓器次級(jí)線圈各占變

4、壓器次級(jí)線圈各占1 12 2，交，交流供電。流供電。 橋路輸出電壓為：橋路輸出電壓為：u銜鐵上下移動(dòng)相同距離時(shí)，輸出電壓大小相等方銜鐵上下移動(dòng)相同距離時(shí)，輸出電壓大小相等方 向相差向相差180，要判斷銜鐵方向就是判斷信號(hào)相位。，要判斷銜鐵方向就是判斷信號(hào)相位。 當(dāng)銜鐵在中間位置當(dāng)銜鐵在中間位置 Z1=Z2=Z U0=0 022UZULUZL當(dāng)銜鐵偏移時(shí)輸出電壓當(dāng)銜鐵偏移時(shí)輸出電壓02ULUL 當(dāng)銜鐵偏向另一方向當(dāng)銜鐵偏向另一方向 特點(diǎn)：此電路靈敏度很高， 但線性差，適用于線性度要求不高的場(chǎng)合。 軸向式電感測(cè)微器的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 1引線電纜引線電纜 2固定磁筒固定磁筒 3銜鐵銜鐵 4線圈線圈 5測(cè)力彈

5、簧測(cè)力彈簧 6防轉(zhuǎn)銷防轉(zhuǎn)銷 7鋼球?qū)к墸ㄖ本€軸承）鋼球?qū)к墸ㄖ本€軸承） 8測(cè)桿測(cè)桿 9密封套密封套 10測(cè)端測(cè)端 11被測(cè)工件被測(cè)工件 12基準(zhǔn)面基準(zhǔn)面 位移測(cè)量位移測(cè)量自感式傳感器有如下幾個(gè)特點(diǎn)：自感式傳感器有如下幾個(gè)特點(diǎn)： 靈敏度比較好，目前可測(cè)靈敏度比較好，目前可測(cè)0.1m0.1m的直線位移，輸?shù)闹本€位移，輸出出 信號(hào)比較大、信噪比較好；信號(hào)比較大、信噪比較好； 測(cè)量范圍比較小，適用于測(cè)量較小位移；測(cè)量范圍比較小，適用于測(cè)量較小位移； 存在非線性；存在非線性； 消耗功率較大，尤其是單極式電感傳感器，這是消耗功率較大，尤其是單極式電感傳感器，這是由于它有較大的電磁吸力的緣故；由于它有較大的

6、電磁吸力的緣故； 工藝要求不高，加工容易。工藝要求不高，加工容易。傳感器測(cè)量電橋放大器相敏檢波濾波器振蕩器輸出v 把被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換成為把被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換成為 線圈互感量的變化的傳感器稱為線圈互感量的變化的傳感器稱為互感式傳感器?；ジ惺絺鞲衅?。 這種傳感器根據(jù)變壓器的基本這種傳感器根據(jù)變壓器的基本 原理制成，并將次級(jí)線圈繞組用原理制成，并將次級(jí)線圈繞組用 差動(dòng)形式連接。差動(dòng)形式連接。 差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)形式較多，差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)形式較多， 應(yīng)用最多的是螺線管式差動(dòng)變壓應(yīng)用最多的是螺線管式差動(dòng)變壓 器。它可測(cè)量器。它可測(cè)量1 1100mm100mm范圍內(nèi)的范圍內(nèi)的 機(jī)械位移。機(jī)械位移。次次

7、 級(jí)級(jí)次次 級(jí)級(jí)骨架骨架初初 級(jí)級(jí)銜銜 鐵鐵次次 級(jí)級(jí)次次 級(jí)級(jí)初初 級(jí)級(jí) 等效電路：等效電路： 兩個(gè)次級(jí)線圈必須反相串聯(lián)接，保證差動(dòng)形式。兩個(gè)次級(jí)線圈必須反相串聯(lián)接，保證差動(dòng)形式。 如果線圈完全對(duì)稱并且銜鐵處于中間位置時(shí)兩線圈如果線圈完全對(duì)稱并且銜鐵處于中間位置時(shí)兩線圈 互感系數(shù)相等互感系數(shù)相等 電動(dòng)勢(shì)相等電動(dòng)勢(shì)相等 差動(dòng)輸出電壓為零：差動(dòng)輸出電壓為零：當(dāng)銜鐵上下移動(dòng)時(shí)，輸出電壓隨銜鐵位移變化。當(dāng)銜鐵上下移動(dòng)時(shí)，輸出電壓隨銜鐵位移變化。12MM 若銜鐵上移若銜鐵上移 21MM 若銜鐵下移若銜鐵下移 差動(dòng)變壓器等效電路如圖所示差動(dòng)變壓器等效電路如圖所示：R1 L1：初級(jí)線圈的電感和有效電阻：初

8、級(jí)線圈的電感和有效電阻M1 M2：初級(jí)線圈與兩次級(jí)線圈的互感系數(shù)：初級(jí)線圈與兩次級(jí)線圈的互感系數(shù)U I1：初級(jí)線圈激勵(lì)電壓和電流：初級(jí)線圈激勵(lì)電壓和電流U0：輸出電壓：輸出電壓初級(jí)線圈的交流電流初級(jí)線圈的交流電流：111UIrjL由此得到輸出電壓有效值為由此得到輸出電壓有效值為 ：v 可見(jiàn)輸出電壓與互感的差值有關(guān)可見(jiàn)輸出電壓與互感的差值有關(guān)21 1aEj M I 22 1bEj M I 根據(jù)電磁感應(yīng)定律，次級(jí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)分別為根據(jù)電磁感應(yīng)定律，次級(jí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)分別為0221 11 11211()abUEEj M Ij M IjMMUrj L 111UIrj L02211122()MUMUUrrL

9、02211122()MUMUULrLv 由于兩個(gè)次級(jí)線圈繞組電由于兩個(gè)次級(jí)線圈繞組電氣系數(shù)氣系數(shù) （M M互感互感 L L電感電感 R R內(nèi)內(nèi)阻）不同，幾何尺寸工藝上阻）不同，幾何尺寸工藝上很難保證完全相同。實(shí)際的很難保證完全相同。實(shí)際的特性曲線，在零點(diǎn)上總有一特性曲線，在零點(diǎn)上總有一個(gè)最小的輸出電壓，這個(gè)鐵個(gè)最小的輸出電壓，這個(gè)鐵芯處于中間位置時(shí)最小不為芯處于中間位置時(shí)最小不為零的電壓稱為零點(diǎn)殘余電壓零的電壓稱為零點(diǎn)殘余電壓。 差動(dòng)變壓器輸出電壓和差動(dòng)變壓器輸出電壓和位移的關(guān)系位移的關(guān)系 相敏檢測(cè)電路相敏檢測(cè)電路 差動(dòng)整流電路差動(dòng)整流電路(a)、 (b)適用于交流高阻抗負(fù)載(c)、(d)適用

10、于低阻抗負(fù)載電阻R0用于調(diào)整零點(diǎn)殘余電壓。 差動(dòng)變壓器輸出交流信號(hào)。為正確反映銜鐵位移差動(dòng)變壓器輸出交流信號(hào)。為正確反映銜鐵位移 大小和方向，常采用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路。大小和方向，常采用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路。 （1 1）差動(dòng)整流電路）差動(dòng)整流電路 ，輸入一交流信號(hào)時(shí)輸入一交流信號(hào)時(shí)U02220122201(2)2(2)2LLLLLLLLR UR UuRn RRRR UR UuRn RRR a)相敏檢波電路原理圖；b)us、u2為正半周時(shí)等 效電路；c) us、u2為負(fù)半周時(shí)等 效電路 (a）被測(cè)位移變化波形圖；(b)差動(dòng)變壓器激勵(lì)電壓波形；(c) 差動(dòng)變壓器輸出電壓波形；(d)相

11、敏檢波解調(diào)電壓波形；(e)相敏檢波輸出電壓波形v 輸出正負(fù)電壓的結(jié)果由相敏檢波后反行程旋轉(zhuǎn)輸出正負(fù)電壓的結(jié)果由相敏檢波后反行程旋轉(zhuǎn) 由由，工作曲線為過(guò)零點(diǎn)的直線。，工作曲線為過(guò)零點(diǎn)的直線。 相敏檢波前后輸出特性相敏檢波前后輸出特性傳感器辨向解調(diào)放大器濾波器振蕩器輸出差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)形式差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)形式 差動(dòng)變壓器傳感器的應(yīng)用差動(dòng)變壓器傳感器的應(yīng)用 差動(dòng)變壓器式傳感器可直接用于位移測(cè)量，差動(dòng)變壓器式傳感器可直接用于位移測(cè)量， 也可以用來(lái)測(cè)量與位移有關(guān)的任何機(jī)械量，也可以用來(lái)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)變等等。如振動(dòng)，加速度，應(yīng)變等等。 （1）壓差計(jì)）壓差計(jì) 當(dāng)壓差變化時(shí)，腔內(nèi)

12、當(dāng)壓差變化時(shí)，腔內(nèi) 膜片位移使差動(dòng)變壓器次膜片位移使差動(dòng)變壓器次 級(jí)電壓發(fā)生變化，輸出與級(jí)電壓發(fā)生變化，輸出與 位移成正比，與壓差成正位移成正比，與壓差成正 比。比。 沉筒式液位計(jì)將水沉筒式液位計(jì)將水位位變化轉(zhuǎn)換成位移變化，再轉(zhuǎn)變化轉(zhuǎn)換成位移變化，再轉(zhuǎn)換為電感的變化，差動(dòng)變壓換為電感的變化，差動(dòng)變壓器的輸出反映液位高低。器的輸出反映液位高低。高頻反射式渦流傳感器：高頻反射式渦流傳感器：當(dāng)高頻信號(hào)施加于電感線圈上時(shí)，由于趨膚效應(yīng)，高當(dāng)高頻信號(hào)施加于電感線圈上時(shí)，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，而僅作用于表面的薄層內(nèi)于表面的薄層內(nèi)

13、。hfhf 主要由一個(gè)安置在框架上的扁平圓形線圈主要由一個(gè)安置在框架上的扁平圓形線圈構(gòu)成。此線圈可以粘貼于框架上，或在框構(gòu)成。此線圈可以粘貼于框架上，或在框架上開(kāi)一條槽溝，將導(dǎo)線繞在槽內(nèi)。下圖架上開(kāi)一條槽溝，將導(dǎo)線繞在槽內(nèi)。下圖為為CZF1型渦流傳感器的結(jié)型渦流傳感器的結(jié) 構(gòu)原理，它采取將導(dǎo)線繞構(gòu)原理，它采取將導(dǎo)線繞 在聚四氟乙烯框架窄槽內(nèi)，在聚四氟乙烯框架窄槽內(nèi)， 形成線圈的結(jié)構(gòu)方式形成線圈的結(jié)構(gòu)方式。 1 11 121R Ij L Ij MIU122220j MIR Ij L I112222121222222222()()UIMMRRjLLRLRL2222112122 222 212222

14、eqeqUMMZRRjLRj LIRLRL22212222()eqM LLLRL22212222()eqM RRRRL222212022221211eqeqLMLLZQQRMRRZ22222()ZRL2222112122222212222UMMZRRjLIRLRL 檢測(cè)深度的控制：檢測(cè)深度的控制：由于存在集膚效應(yīng)，電渦流只能檢測(cè)導(dǎo)由于存在集膚效應(yīng)，電渦流只能檢測(cè)導(dǎo)體表面的各種物理參數(shù)。改變激勵(lì)源頻率體表面的各種物理參數(shù)。改變激勵(lì)源頻率 ，可控制檢測(cè)深度。，可控制檢測(cè)深度。 間距間距x的測(cè)量：的測(cè)量：如果固定其他因素不變，僅改變間距如果固定其他因素不變，僅改變間距x，電電渦流線圈的阻抗渦流線圈的阻抗Z就成為間距就成為間距x的單值函數(shù)，可用于非接觸測(cè)量的單值函數(shù)，可用于非接觸測(cè)量距離或位移。距離或位移。 多種用途：多種用途：可以用來(lái)檢測(cè)與表面電導(dǎo)率可以用來(lái)檢測(cè)與表面電導(dǎo)率 有關(guān)的表面溫度、表有關(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)、有關(guān)的材料型號(hào)、表面硬度等參數(shù)。表面硬度等參數(shù)。 金屬金屬扁平線圈扁平線圈渦流區(qū)渦流區(qū)r/ras1hrasJr/J0 21221asxI