第4章電感式傳感器

1、1第第4 4章章 電感式傳感器電感式傳感器電感式傳感器：電感式傳感器：利用電磁感應(yīng)原理制成的傳感器。利用電磁感應(yīng)原理制成的傳感器。分類分類1.自感式自感式(或互感式或互感式)傳感器：傳感器： 被測量變化被測量變化自感系數(shù)自感系數(shù)(或互感系數(shù)或互感系數(shù))變化。變化。2.電渦流式傳感器：電渦流式傳感器：被測量變化被測量變化感應(yīng)電流變化。感應(yīng)電流變化。2RRRRRm021通過估算，有4.1 自感式傳感器自感式傳感器一一.工作原理工作原理RRRRm2100222211112,SRSlRSlRmRWL2線圈匝數(shù)線圈匝數(shù)磁路磁阻磁路磁阻空氣導(dǎo)磁率空氣導(dǎo)磁率鐵芯和銜鐵的導(dǎo)磁率鐵芯和銜鐵的導(dǎo)磁率,一般有一般有

2、1=2B00222SWRWL工作原理：工作原理：測出測出L變化，就可測出變化，就可測出S0或或的變化。的變化。變氣隙變氣隙面積式面積式變氣隙變氣隙厚度式厚度式3二二.變氣隙厚度式變氣隙厚度式(變隙式變隙式)的輸出特性的輸出特性1.特性曲線特性曲線12002SWL即只有只有變化，故變化，故L與與成反比。成反比。LLL曲線為雙曲線曲線為雙曲線(非線性傳感器非線性傳感器)。42.L曲線的線性化曲線的線性化0200002,WSL 00000020002011112)(2LSWSWLLL01/3020001.)()()(1110）（0001LLLL初位置：初位置：銜鐵上移：銜鐵上移：0,10時00LL5

3、0000,LLLLL，結(jié)論：結(jié)論：(1)只要滿足只要滿足/ /0 01,1和和2LC 0時時 u20，故，故 0,于是可加低通濾波器濾除于是可加低通濾波器濾除2k0頻率成分。頻率成分。濾波后濾波后,有有tAum02sin2tm0sin43二二. 相敏檢波電路（圖相敏檢波電路（圖4-18） (不要求不要求) 1.組成：組成：2個變壓器個變壓器(T1、T2)，4個二極管個二極管(D1、D2、D3、D4)，5個電阻（個電阻（4限流電阻限流電阻R、1負載電阻）負載電阻） 2.7個電壓及其關(guān)系個電壓及其關(guān)系(u1；u2、u21、u22；us、us1、us2)44(1)u1：互感傳感器初級線圈輸入電壓：互

4、感傳感器初級線圈輸入電壓(圖圖4-13、4-15、4-19)(2)u2：傳感器傳感器 次級線圈輸出電壓次級線圈輸出電壓(圖圖4-13、4-15、4-18、4-19) u1和和u2的關(guān)系：的關(guān)系：以以4.2.2節(jié)的變隙式變壓器為例。節(jié)的變隙式變壓器為例。01122UWWU在這里，位移取為在這里，位移取為 x，則，則xuWWuxUWWU0112201122取向下為取向下為正方向，則正方向，則如左圖反相與時同相與時故由于1212012,0,0, 0uuxuuxWW類似于類似于 (4-33)式子式子45(3)us：參考電壓。它和參考電壓。它和u1都是由載波振蕩器產(chǎn)生。都是由載波振蕩器產(chǎn)生。反相與時同相

5、與時22,0,0uuxuuxss它們同頻同相它們同頻同相,但是有但是有us u1。(4)us1、us2：T2輸出電壓。輸出電壓。 由于由于O是是T2次級的中間抽頭。次級的中間抽頭。sssunuu22121所以n2是是T2初次級線圈匝數(shù)之比。初次級線圈匝數(shù)之比。(5)u21, u22:T1輸出電壓。輸出電壓。由于由于M是是T2次級的中間抽頭。次級的中間抽頭。21222121unuu所以n1是是T1初次級匝數(shù)之比。初次級匝數(shù)之比。46 3.工作原理工作原理(1)同相與時suux2,0us0,則則u20上邊為正。左邊為正222121,uuuuss 由于由于usu2,故二極管故二極管導(dǎo)通與截止由導(dǎo)通與

6、截止由us控制?？刂啤Ｖ雇ㄊ歉唠娖酵ㄖ故歉唠娖?321,DDDDVVDVVC等效電路如右。0)2(120LLRRnuRu解得解得47)()2(120bRRnuRuLL解得解得us0,則則u20)(0)2(120aRRnuRuLLus0,則則u20，而解，而解出出(b)式要用到式要用到(4-37)式，式，再由再由(4-37) 知該式的知該式的u20，故，故u00。 說明說明:(b)式中式中u2表示大小，故表示大小，故u00,原因是原因是: 結(jié)論結(jié)論：如如u2表示還可表示方向，則表示還可表示方向，則(a),(b)式可合并成式可合并成0)2(,0120LLRRnuRux時480)2(,0120LLR

7、RnuRux時(1)(2):同理有0)2(120LLRRnuRu,0時x都有還是不論, 0022uu 可見：可見：u0的正負取決于的正負取決于x的正負，大小與的正負，大小與|u2|成正比。成正比。作出作出u0波形圖如右。波形圖如右。 比較差動整流的輸出比較差動整流的輸出u2和這和這里的輸出里的輸出u0的波形，可以發(fā)現(xiàn)：的波形，可以發(fā)現(xiàn)：它們的輸出波形完全一樣，它們的輸出波形完全一樣，即相即相敏檢波電路和差動整流電路的作敏檢波電路和差動整流電路的作用完全一樣。用完全一樣。49與差動整流電流電路一樣與差動整流電流電路一樣,可以得到可以得到同樣的結(jié)論：同樣的結(jié)論： 可以根據(jù)檢波電路輸出電壓可以根據(jù)檢

8、波電路輸出電壓(u0)的方向和大小確定位移的方向和大小確定位移(x)的方向和大小。的方向和大小。 為了得到與為了得到與x相同的波形相同的波形,需在后面加一低通濾波器。需在后面加一低通濾波器。50三三. 差動整流電路和相敏檢波電路的比較差動整流電路和相敏檢波電路的比較 1.相同點相同點 兩者作用完全一樣：兩者作用完全一樣：輸出波形類似輸出波形類似,都需要在后面接低通都需要在后面接低通濾波器才能還原出位移信號。濾波器才能還原出位移信號。 2.區(qū)別區(qū)別 差動整流電路：差動整流電路：只適用于差動式互感傳感器只適用于差動式互感傳感器。(因為這時需因為這時需要要2個輸入量個輸入量uab,ucd) 相敏檢波

9、電路：相敏檢波電路：可適用于許多傳感器，可適用于許多傳感器，如所有的電感式傳感如所有的電感式傳感器，以及器，以及3章的應(yīng)變式傳感器。章的應(yīng)變式傳感器。(因為這時只需要因為這時只需要1個輸入量個輸入量u2)四四.差動式互感傳感器的應(yīng)用（略）差動式互感傳感器的應(yīng)用（略）514.3 電渦流式傳感器電渦流式傳感器電渦流式傳感器：電渦流式傳感器：利用電渦流效應(yīng)做成的傳感器。利用電渦流效應(yīng)做成的傳感器。一一.基本概念基本概念 1.電渦流效應(yīng)：電渦流效應(yīng)：交變磁場中，塊狀導(dǎo)體會產(chǎn)生渦旋電流的現(xiàn)象。交變磁場中，塊狀導(dǎo)體會產(chǎn)生渦旋電流的現(xiàn)象。 電渦流效應(yīng)的產(chǎn)生的解釋如右圖。電渦流效應(yīng)的產(chǎn)生的解釋如右圖。 對于電

10、渦流效應(yīng)，我們有時要利用它對于電渦流效應(yīng)，我們有時要利用它(鋼鐵鋼鐵的冶煉的冶煉)，有時卻要避免它，有時卻要避免它(如變壓器如變壓器)。52 2.趨膚效應(yīng)：趨膚效應(yīng)：對于電渦流對于電渦流,導(dǎo)體各部分的電流密度不一樣導(dǎo)體各部分的電流密度不一樣,其其中越靠近導(dǎo)體表面處中越靠近導(dǎo)體表面處,電流密度越大的現(xiàn)象。電流密度越大的現(xiàn)象。 產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因(定性解釋定性解釋):當(dāng)電磁波通過導(dǎo)體時當(dāng)電磁波通過導(dǎo)體時,會有能量損失會有能量損失,越越靠近表面靠近表面,損失越小損失越小,電流密度越大。電流密度越大。(定量討論用麥克斯韋方程定量討論用麥克斯韋方程)53fhr0 如圖如圖,以導(dǎo)體上表面為以導(dǎo)體上表面為O點

11、點,垂直于表面的方向建立垂直于表面的方向建立O-y軸。軸。 設(shè)距設(shè)距O點點d處有一點處有一點P,則則P處電流密度為處電流密度為 是一常數(shù)heJJhd,/0大。表示表面處電流密度最, 0max0JJJd(1)(2)處的深度衰減到最大值的表示eJheJJhd1,/,0 h：貫穿深度。：貫穿深度。h越小，越小，J衰減到衰減到J0/e的距離就越的距離就越短，貫穿能力就越小。短，貫穿能力就越小。h與導(dǎo)體材料與導(dǎo)體材料(r r, ,)和磁場頻率和磁場頻率f都有關(guān)都有關(guān)制成高頻反射式傳感器很難穿過導(dǎo)體高頻磁場小貫穿深度高高頻磁場hfa)()(制成低頻透射式傳感器容易穿過導(dǎo)體低頻頻磁場大貫穿深度低低頻磁場hf

12、b)()(的關(guān)系與fh54二二.低頻透射式電渦流傳感器低頻透射式電渦流傳感器22211iBBBhifi在下面線圈產(chǎn)生可穿過導(dǎo)體變成磁場大的貫穿深度小的渦i2的大小取決于的大小取決于和和h(大大,i2小小;h大大, i2大大)。(1) h不變，由不變，由i2可以測出可以測出。(2)不變，由不變，由i2可以測出可以測出h(因因f已知，于是可測已知，于是可測出出r，) 。fhr055三三.高頻反射式電渦流傳感器高頻反射式電渦流傳感器變化引起線圈的阻抗在原線圈處產(chǎn)生電動勢會產(chǎn)生但是不能穿過導(dǎo)體磁場小的貫穿深度大的ZeBBiBhifi2222121導(dǎo)體的材料都有關(guān)。導(dǎo)體尺寸與線圈到導(dǎo)體的距離有關(guān)與又,2

13、22xiie影響導(dǎo)體與線圈的互感影響導(dǎo)體與線圈的互感影響導(dǎo)體電阻與自感影響導(dǎo)體電阻與自感電阻率影響電阻大小，電阻率影響電阻大小，導(dǎo)磁率影響導(dǎo)體自感和互感導(dǎo)磁率影響導(dǎo)體自感和互感1.工作原理的定性解釋工作原理的定性解釋 所以，一般情況下，所以，一般情況下，高頻反射式傳感器主要是測高頻反射式傳感器主要是測x的變化。的變化。 但對于非導(dǎo)磁但對于非導(dǎo)磁(/ / 01)金屬導(dǎo)體，如導(dǎo)體厚度金屬導(dǎo)體，如導(dǎo)體厚度h,則則可認為可認為i2僅與僅與x有關(guān)。有關(guān)。所以，測出所以，測出Z的變化，可以測出的變化，可以測出x，導(dǎo)體尺寸和材料有關(guān)的量。，導(dǎo)體尺寸和材料有關(guān)的量。如鋁和銅如鋁和銅562.工作原理的定量解釋工

14、作原理的定量解釋(可參見可參見4.3.2和和4.3.3) (不要求不要求) (1)等效電路等效電路如右。如右。R1，L1：線圈自感及電阻。：線圈自感及電阻。R2，L2：導(dǎo)體自感及等效電阻。：導(dǎo)體自感及等效電阻。M：導(dǎo)體和線圈互感。：導(dǎo)體和線圈互感。(2)電路方程：電路方程：(4-43)式式 Z的表達式的表達式:(4-44)式式 由于由于較高較高,故故R1jL1,R2 jL2,即即R1、R2可忽略?？珊雎?。2122210),434(LMIIILjIMj有由eqLjLIILjLLMLjZ)(),444(2212122221有由Z和和Leq指受渦流影響后線圈的等效阻抗和電感指受渦流影響后線圈的等效阻

15、抗和電感57eqLjLIILjZ)(22121, 1 ),464(2212asrxxII有由tIIttttttrxxrxtasas1/)83211 (1,1122222時當(dāng)eqastLjLrxLLjtLLLjLtLjZ2)(2)()1 (2212211221故有：無關(guān)與由于,21xLL線圈到導(dǎo)體距離線圈外徑 :,:xrasxrLLLLaseq2212)(成線性關(guān)系。與時且有忽略線圈和導(dǎo)體的電阻xLrxeqas,1,。的距離就可以測出線圈與導(dǎo)體測出xZ,58四四.測量電路測量電路1.調(diào)頻式：調(diào)頻式：把把L的變化轉(zhuǎn)化的變化轉(zhuǎn)化f的變化的變化 (1)組成：組成：L,C組成的選頻網(wǎng)絡(luò)組成的選頻網(wǎng)絡(luò)(L

16、是傳感器的等效電感是傳感器的等效電感), 振蕩器振蕩器(正反饋放大電路）正反饋放大電路）(2)工作原理：工作原理：x變化變化L變化變化f變化變化 反之，測出反之，測出f就可測出就可測出x。592.調(diào)幅式：調(diào)幅式：L變化變化電壓幅度變化電壓幅度變化 (1)組成：組成：石英振蕩器，石英振蕩器，LC并聯(lián)電路并聯(lián)電路(L是傳感器的等效電感是傳感器的等效電感)(2)工作原理工作原理:石英振蕩器：石英振蕩器：提供提供f0穩(wěn)定的電流穩(wěn)定的電流i0；LC并聯(lián)回路：并聯(lián)回路：阻抗為阻抗為Z。LRZZfZfIU是考慮到后面要接負載不用之所以用,),()(00ZIURL00,則如工作原理是：工作原理是：x變化變化L

17、變化變化Z變化變化U0變化變化 反之，測出反之，測出U0就可測出就可測出x。60五五.應(yīng)用應(yīng)用1.低頻透射式厚度傳感器低頻透射式厚度傳感器(參見前面原理部分參見前面原理部分)2.高頻反射式厚度傳感器高頻反射式厚度傳感器(不要求不要求)范圍范圍: 1100mm，分辨率：分辨率：0.1m，線性度：線性度：1%。(1)組成：組成：兩反射式傳感器兩反射式傳感器S1,S2；兩測量電路；兩檢波器；兩；兩測量電路；兩檢波器；兩比較器；一加法器；一儀表。比較器；一加法器；一儀表。61(2)工作原理工作原理S1、S2：設(shè)被測物體距設(shè)被測物體距S1、S2的距離為的距離為x1、x2； S1、S2的等效電感為的等效電

18、感為L1、L2。則。則 L1x1，L2x2測量電路：測量電路：恒流源恒流源(i=Imsint)通過通過S1,S2 . 測量電路測量電路1輸出電壓輸出電壓:測量電路測量電路2輸出電壓輸出電壓:1111xILjU2122xILjU檢波檢波電路電路:需檢波電路還原。調(diào)制的調(diào)幅波是由于,2121xxUU則設(shè)檢波電路輸出為;,21UU21212211,xxUUxUxU,021210 xxxUU時當(dāng)被測物厚度沒有變化0212UUU設(shè)此時62檢波檢波電路電路:2121xxUU,021210 xxxUU時當(dāng)被測物厚度沒有變化0212UUU設(shè)此時比較比較電路電路:UUUUUUU021212,則減少可見就會減少則

19、不變間距離因被測物厚度增加2121,)(xxxSSa0U比較電壓UU故引起是由,UUUUUUUU且即增加則,2,02121,)(被測物厚度減少b2121xxUU又63比較比較電路電路:UUUUUUU且則減少,2,02121,)(0被測物厚度增為aUUUUUUU且則增加,2,02121,)(0被測物厚度減為bUUUUUUUUUUbUUUUUa)()()()()()()()(020102010201知，由知，由比較器比較器1比較器比較器2加法器加法器加法器加法器,指示儀表指示儀表( 已介紹已介紹)可見可見,加法器輸出為加法器輸出為 ,它與它與成正比。成正比。U643.電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器電渦流式轉(zhuǎn)速

20、傳感器(1)組成：組成： 帶鍵槽的輸入軸帶鍵槽的輸入軸+反射式渦流傳感器反射式渦流傳感器輸入軸輸入軸與被測軸相連：與被測軸相連：輸入軸轉(zhuǎn)速輸入軸轉(zhuǎn)速=被測軸轉(zhuǎn)速被測軸轉(zhuǎn)速 鍵槽正對傳感器時鍵槽正對傳感器時,輸入軸到傳感器距離輸入軸到傳感器距離x增大增大, 傳感器線圈等效阻抗傳感器線圈等效阻抗Z變化變化 輸出一個脈沖輸出一個脈沖.處理電路輸入軸輸入軸每旋轉(zhuǎn)一次每旋轉(zhuǎn)一次,就輸出一個脈沖就輸出一個脈沖,這樣就得到一列矩形脈這樣就得到一列矩形脈沖信號沖信號(如圖如圖)。(2)工作原理工作原理脈沖周期即轉(zhuǎn)動周期脈沖周期即轉(zhuǎn)動周期T,故故轉(zhuǎn)速為轉(zhuǎn)速為： n=1/T=f653.其它方面的應(yīng)用其它方面的應(yīng)用

21、(1)探傷、計數(shù)探傷、計數(shù)探傷：探傷：找出被測物體存在裂找出被測物體存在裂紋的位置。紋的位置。 計數(shù)：計數(shù)：計量被測物體的個數(shù)。計量被測物體的個數(shù)。它們它們都采用反射式傳感器，都采用反射式傳感器，工作原理同轉(zhuǎn)速傳感器。工作原理同轉(zhuǎn)速傳感器。表面表面探傷的工作原理：探傷的工作原理：示意圖如示意圖如(a)。圖中下凹處即裂紋，。圖中下凹處即裂紋，當(dāng)裂紋經(jīng)過傳感器時，傳感器和被測物體間距離增大，引起當(dāng)裂紋經(jīng)過傳感器時，傳感器和被測物體間距離增大，引起傳感器等效阻抗變化。于是，只要測出傳感器等效阻抗變化。于是，只要測出Z值變化時的位置，就值變化時的位置，就是裂紋存在的位置。是裂紋存在的位置。計數(shù)的工作原理：計數(shù)的工作原理：示意圖如示意圖如(b)。圖中矩形即被測物體，當(dāng)被測。圖中矩形即被測物體，當(dāng)被測物體經(jīng)過傳感器時，傳感器等效阻抗發(fā)生變化，經(jīng)電路處理后物體經(jīng)過傳感器時，傳感器等效阻抗發(fā)生變化，經(jīng)電路處理后輸出一個矩形脈沖，矩形脈沖的個數(shù)即被測物體的個數(shù)。輸出一個矩形脈沖，矩形脈沖的個數(shù)即被測物體的個數(shù)。66(2)材質(zhì)判別和溫度測量材質(zhì)判別和溫度測量利用透射式傳感器利用透射式傳感器i2的大小的大小與與被測物體的貫穿深度被測物體的貫穿深度h有關(guān)有關(guān)fhr0即即 i2與與有關(guān)有關(guān)