電感式傳感器(第五周)

1、第第9章章 電感式傳感電感式傳感器器 電感式傳感器是基于電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，電磁感應(yīng)原理，它是把被它是把被測量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。常用來測量位移、測量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。常用來測量位移、壓力、流量、振動(dòng)、應(yīng)變、密度等物理參數(shù)。壓力、流量、振動(dòng)、應(yīng)變、密度等物理參數(shù)。分類分類: :電感式傳感器電感式傳感器自感型自感型可變磁阻型可變磁阻型渦流式渦流式互感型互感型1.1.自感式傳感器（可變磁阻式電感傳感器）自感式傳感器（可變磁阻式電感傳感器）有氣隙型和螺管型兩種結(jié)構(gòu)。有氣隙型和螺管型兩種結(jié)構(gòu)。組成：線圈組成：線圈1 1，銜鐵，銜鐵3 3和鐵芯和鐵芯2 2等。等。圖中點(diǎn)劃線表示磁路

2、，磁路中空氣隙總長度為圖中點(diǎn)劃線表示磁路，磁路中空氣隙總長度為 0.5123x(a)氣隙式 (b)變截面式N：線圈匝數(shù)；Rm：磁路總磁阻(鐵芯與銜鐵磁阻和空氣隙磁阻)氣隙式自感傳感器，因?yàn)闅庀遁^小(l為0.11mm)，所以，認(rèn)為氣隙磁場是均勻的，若忽略磁路鐵損，則磁路總磁阻為 l1：鐵芯磁路總長；l2：銜鐵的磁路長；S：隙磁通截面積； S1：鐵芯橫截面積；S2：銜鐵橫截面積；1：鐵芯磁導(dǎo)率；2：銜鐵磁導(dǎo)率；0：真空磁導(dǎo)率，0=410-7Hm； l：空氣隙總長。mRNL2SlSlSlRm0222111由磁路基本知識(shí)知，線圈自感為SlSlSlNRNLm022211122由于自感傳感器的鐵芯一般在非

3、飽和狀態(tài)下，其磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于空氣的磁導(dǎo)率，因此鐵芯磁阻遠(yuǎn)較氣隙磁阻小，所以上式可簡化為 SNL02可見，自感L是氣隙截面積和長度的函數(shù)，即Lf(S,)如果S保持不變，則L為l的單值函數(shù)，構(gòu)成變隙式自感變隙式自感傳感器傳感器；若保持l不變，使S隨位移變化，則構(gòu)成變截變截面式自感傳感器面式自感傳感器。其特性曲線如圖。L=f（S）L=f（）LS，ALL= f (S)L= f ()電感傳感器特性電感傳感器特性L=f()為非線性關(guān)系。為非線性關(guān)系。當(dāng)當(dāng)0時(shí)，時(shí)，L為為，考慮導(dǎo)磁體的磁阻，考慮導(dǎo)磁體的磁阻，當(dāng)當(dāng)0時(shí)，并不等于時(shí)，并不等于，而具有一定的數(shù)，而具有一定的數(shù)值。如上下移動(dòng)銜鐵值。如上下移動(dòng)銜鐵使面

4、積使面積S改變，從而改變，從而改變改變L值時(shí)值時(shí),則則Lf(S)的特性曲線為一直線。的特性曲線為一直線。 變氣隙式自感傳感器變氣隙式自感傳感器2022 SNddLS靈敏度：L0L0021S 輸出特性非線性輸出特性非線性；為獲得較高靈敏度，氣隙的初始值；為獲得較高靈敏度，氣隙的初始值0 0不宜過大。不宜過大。為獲得較好的線性關(guān)系，須限制測量范圍，使銜鐵位移為獲得較好的線性關(guān)系，須限制測量范圍，使銜鐵位移在較小范圍內(nèi)變化，在較小范圍內(nèi)變化，( ( 0 0 ),),一般取一般取 =(0.1=(0.10.2)0.2)0 0變氣隙式傳感器適用于微小位移的測量，測量范圍：變氣隙式傳感器適用于微小位移的測量

5、，測量范圍：0.0010.0011 1mmmm。變面積式自感傳感器變面積式自感傳感器 AA常數(shù)靈敏度：02 NdAdLS輸出特性為線性，因此測量范圍大。輸出特性為線性，因此測量范圍大。要提高靈敏度，氣隙厚度要提高靈敏度，氣隙厚度不能過大。不能過大。螺管式自感傳感器螺管式自感傳感器結(jié)構(gòu)簡單、制造容易，但輸出特性呈非線性且靈結(jié)構(gòu)簡單、制造容易，但輸出特性呈非線性且靈敏度低，適用于較大位移敏度低，適用于較大位移( (數(shù)毫米數(shù)毫米) )測量。測量。 工作原理工作原理：當(dāng)鐵芯在線圈：當(dāng)鐵芯在線圈中運(yùn)動(dòng)時(shí)，將改變中運(yùn)動(dòng)時(shí)，將改變磁阻磁阻，使線圈自感發(fā)生變化。使線圈自感發(fā)生變化。 差動(dòng)式自感傳感器差動(dòng)式自感

6、傳感器1-1-線圈線圈 2-2-鐵芯鐵芯 3-3-銜鐵銜鐵 4-4-導(dǎo)桿導(dǎo)桿（a a） 變氣隙型變氣隙型432131412344（b b） 變面積型變面積型 （c c） 螺管型螺管型圖圖4-6 等效電路等效電路ZCLRcRe1 初級(jí)線圈初級(jí)線圈;2.3次級(jí)線圈次級(jí)線圈;4銜鐵銜鐵1243(a)氣隙型氣隙型123(b)螺管型螺管型4(e)、(f) 變面積式差動(dòng)變壓器變面積式差動(dòng)變壓器 (a)、(b) 變隙式差動(dòng)變壓器變隙式差動(dòng)變壓器(c)、(d) 螺線管式差動(dòng)變壓器螺線管式差動(dòng)變壓器螺管型差動(dòng)變壓器根據(jù)初、次級(jí)排列不同有二螺管型差動(dòng)變壓器根據(jù)初、次級(jí)排列不同有二節(jié)式、三節(jié)式、四節(jié)式和五節(jié)式等形式

7、。節(jié)式、三節(jié)式、四節(jié)式和五節(jié)式等形式。差動(dòng)變壓器線圈各種排列形式差動(dòng)變壓器線圈各種排列形式1 1 初級(jí)線圈；初級(jí)線圈；2 2 次級(jí)線圈；次級(jí)線圈；3 3 銜鐵銜鐵( (a a) ) 二節(jié)式二節(jié)式 (b) (b) 三節(jié)式三節(jié)式 (c) (c) 四節(jié)式四節(jié)式 (d) (d) 五節(jié)式五節(jié)式31121 2112212123三節(jié)式的零點(diǎn)電位較小，二節(jié)式比三節(jié)式靈敏度三節(jié)式的零點(diǎn)電位較小，二節(jié)式比三節(jié)式靈敏度高、線性范圍大，四節(jié)式和五節(jié)式改善了傳感器高、線性范圍大，四節(jié)式和五節(jié)式改善了傳感器線性度。線性度。差動(dòng)變壓器的等效電路差動(dòng)變壓器的等效電路LPRS2LS1M1M2LS2RS1RPiU0U差動(dòng)變壓器工

8、作在理想情況下（差動(dòng)變壓器工作在理想情況下（忽略渦流損耗、忽略渦流損耗、磁滯損耗和分布電容等影響磁滯損耗和分布電容等影響）時(shí)的等效電路：）時(shí)的等效電路：MM1 1、MM2 2初級(jí)繞組與初級(jí)繞組與兩個(gè)次級(jí)繞組間的互感；兩個(gè)次級(jí)繞組間的互感；L LP P、R RP P初級(jí)繞組的電初級(jí)繞組的電感和有效電阻；感和有效電阻；L LS1S1、L LS2S2兩個(gè)次級(jí)繞兩個(gè)次級(jí)繞組的電感；組的電感；R RS1S1、R RS2S2兩個(gè)次級(jí)繞兩個(gè)次級(jí)繞組的有效電阻；組的有效電阻；當(dāng)當(dāng)銜鐵移向次級(jí)繞組銜鐵移向次級(jí)繞組L LS1S1一邊一邊，互感，互感MM1 1增增大，大，MM2 2減小，因而次級(jí)繞組減小，因而次級(jí)繞

9、組L LS1S1內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)勢大于次級(jí)繞組勢大于次級(jí)繞組L LS2S2內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)勢，這時(shí)差動(dòng)內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)勢，這時(shí)差動(dòng)變壓器輸出電動(dòng)勢不為零。在傳感器的量程內(nèi)，變壓器輸出電動(dòng)勢不為零。在傳感器的量程內(nèi)，銜鐵位移越大，差動(dòng)輸出電動(dòng)勢就越大。銜鐵位移越大，差動(dòng)輸出電動(dòng)勢就越大。當(dāng)當(dāng)銜鐵移向次級(jí)繞組銜鐵移向次級(jí)繞組L LS2S2一邊一邊，差動(dòng)輸出電，差動(dòng)輸出電動(dòng)勢仍不為零，但由于移動(dòng)方向改變，所以輸動(dòng)勢仍不為零，但由于移動(dòng)方向改變，所以輸出電動(dòng)勢反相。出電動(dòng)勢反相。因此因此通過差動(dòng)變壓器輸出電動(dòng)勢的大小和通過差動(dòng)變壓器輸出電動(dòng)勢的大小和相位可以知道銜鐵位移量的大小和方向相位可以知道銜鐵位

10、移量的大小和方向。 (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)電源電壓幅值的波動(dòng)，會(huì)使線圈激勵(lì)磁激勵(lì)電源電壓幅值的波動(dòng)，會(huì)使線圈激勵(lì)磁場的磁通發(fā)生變化，直接影響輸出電勢。而頻率場的磁通發(fā)生變化，直接影響輸出電勢。而頻率的波動(dòng)，只要適當(dāng)?shù)剡x擇頻率，其影響不大。的波動(dòng)，只要適當(dāng)?shù)剡x擇頻率，其影響不大。差動(dòng)變壓器的輸出特性差動(dòng)變壓器的輸出特性(2)(2)溫度變化的影響溫度變化的影響周圍環(huán)境溫度的變化，引起線圈及導(dǎo)磁周圍環(huán)境溫度的變化，引起線圈及導(dǎo)磁體磁導(dǎo)率的變化，從而使線圈磁場發(fā)生變化體磁導(dǎo)率的變化，從而使線圈磁場發(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)，影產(chǎn)生溫度漂移。當(dāng)線

11、圈品質(zhì)因數(shù)較低時(shí)，影響更為嚴(yán)重，因此，采用響更為嚴(yán)重，因此，采用恒流源恒流源激勵(lì)比恒壓激勵(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。差動(dòng)電橋可以減少溫度的影響。 0 xU0+x-x210相敏檢波后的輸出特性相敏檢波后的輸出特性CR(a)1U0U(b)CR1U0UCR(a)1U0UR2WR1C(c)1U0ULW(d)1U0U二二 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 1 1 電渦流式傳感器的基本原理電渦流式傳感器的基本原理 渦流式傳感器的變換原理是利用金屬導(dǎo)體在交流渦流式傳感器的變換原理是利用金屬導(dǎo)體在交流磁場中的磁場中的電渦流效應(yīng)電渦

12、流效應(yīng)。若一金屬板置于一只線圈。若一金屬板置于一只線圈的附近，它們之間相互的間距為的附近，它們之間相互的間距為 ，當(dāng)線圈輸入，當(dāng)線圈輸入一交變電流一交變電流i 時(shí)，便產(chǎn)生交變磁通量時(shí)，便產(chǎn)生交變磁通量，金屬板，金屬板在此交變磁場中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流在此交變磁場中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流i1 1，這種電流在，這種電流在金屬體內(nèi)是閉合的，所以稱之為金屬體內(nèi)是閉合的，所以稱之為電渦流或渦流電渦流或渦流。渦流的大小與金屬板的電阻率渦流的大小與金屬板的電阻率、磁導(dǎo)率、磁導(dǎo)率 、厚度、厚度h、金屬板與線圈的距離、金屬板與線圈的距離、激勵(lì)電流角頻率、激勵(lì)電流角頻率等等參數(shù)有關(guān)參數(shù)有關(guān)。若固定某些參數(shù)，就可根據(jù)渦流的變。若

13、固定某些參數(shù)，就可根據(jù)渦流的變化測量另一個(gè)參數(shù)。化測量另一個(gè)參數(shù)。 電渦流傳感器等效電路電渦流傳感器等效電路MMR RL L1 1L LR R1 11U1IIfhr5030高頻高頻(lMHz)(lMHz)激勵(lì)電流產(chǎn)生的高頻磁場作用于金激勵(lì)電流產(chǎn)生的高頻磁場作用于金屬板的表面，由于集膚效應(yīng)，在金屬板表面將屬板的表面，由于集膚效應(yīng)，在金屬板表面將形成渦電流。與此同時(shí)，該渦流產(chǎn)生的交變磁形成渦電流。與此同時(shí)，該渦流產(chǎn)生的交變磁場又反作用于線圈，引起線圈自感場又反作用于線圈，引起線圈自感L L或阻抗或阻抗Z ZL L的的變化。線圈自感變化。線圈自感L L或阻抗或阻抗Z ZL L的變化與距離該金屬的變化

14、與距離該金屬板的電阻率板的電阻率 、磁導(dǎo)率、磁導(dǎo)率 、激勵(lì)電流、激勵(lì)電流i i及角頻率及角頻率 等有關(guān)，若只改變距離等有關(guān)，若只改變距離 而保持其它參數(shù)不變，而保持其它參數(shù)不變，則可將則可將位移位移的變化轉(zhuǎn)換為線圈的變化轉(zhuǎn)換為線圈自感自感的變化，通的變化，通過測量電路轉(zhuǎn)換為電壓輸出。過測量電路轉(zhuǎn)換為電壓輸出。高頻反射式渦流傳感器多用于位移測量。高頻反射式渦流傳感器多用于位移測量。 主要由一個(gè)安置在框架上的扁平圓形線圈構(gòu)成。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，或在框架上開一條槽此線圈可以粘貼于框架上，或在框架上開一條槽溝，將導(dǎo)線繞在槽內(nèi)。下圖為溝，將導(dǎo)線繞在槽內(nèi)。下

15、圖為CZF1CZF1型渦流傳感型渦流傳感器的結(jié)構(gòu)原理，它采取將導(dǎo)線繞在聚四氟乙烯框器的結(jié)構(gòu)原理，它采取將導(dǎo)線繞在聚四氟乙烯框架窄槽內(nèi)，形成線圈的結(jié)構(gòu)方式。架窄槽內(nèi)，形成線圈的結(jié)構(gòu)方式。 1234561 1 線圈線圈 2 2 框架框架 3 3 襯套襯套4 4 支架支架 5 5 電纜電纜 6 6 插頭插頭iedMe電渦流傳感器原理圖電渦流傳感器原理圖傳感器線圈由高頻信號(hào)激勵(lì)，使它產(chǎn)生一個(gè)高頻傳感器線圈由高頻信號(hào)激勵(lì)，使它產(chǎn)生一個(gè)高頻交變磁場交變磁場 i i，當(dāng)被測導(dǎo)體靠近線圈時(shí)，在磁場作，當(dāng)被測導(dǎo)體靠近線圈時(shí)，在磁場作用范圍的導(dǎo)體表層，產(chǎn)生了與此磁場相交鏈的電用范圍的導(dǎo)體表層，產(chǎn)生了與此磁場相交鏈

16、的電渦流渦流i ie e，而此電渦流又將產(chǎn)生一交變磁場，而此電渦流又將產(chǎn)生一交變磁場 e e阻礙阻礙外磁場的變化。從能量角度來看，在被測導(dǎo)體內(nèi)外磁場的變化。從能量角度來看，在被測導(dǎo)體內(nèi)存在著電渦流損耗（存在著電渦流損耗（當(dāng)頻率較高時(shí)，忽略磁損當(dāng)頻率較高時(shí)，忽略磁損耗耗）。能量損耗使傳感器的）。能量損耗使傳感器的QQ值和等效阻抗值和等效阻抗Z Z降降低，因此當(dāng)被測體與傳感器間的距離低，因此當(dāng)被測體與傳感器間的距離d d改變時(shí)，改變時(shí)，傳感器的傳感器的QQ值和等效阻抗值和等效阻抗Z Z、電感、電感L L均發(fā)生變化，均發(fā)生變化，于是把位移量轉(zhuǎn)換成電量。這便是電渦流傳感器于是把位移量轉(zhuǎn)換成電量。這便是

17、電渦流傳感器的基本原理。的基本原理。 發(fā)射線圈發(fā)射線圈L L1 1和和接收線圈接收線圈L L2 2分置于被測金屬板的分置于被測金屬板的上下方。由于低頻磁場集膚效應(yīng)小，滲透深，上下方。由于低頻磁場集膚效應(yīng)小，滲透深，當(dāng)?shù)皖l當(dāng)?shù)皖l( (音頻范圍音頻范圍) )電壓電壓u u1 1加到線圈加到線圈L L1 1的兩端后，的兩端后，所產(chǎn)生磁力線的一部分透過金屬板所產(chǎn)生磁力線的一部分透過金屬板, ,使線圈使線圈L L2 2產(chǎn)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢生感應(yīng)電動(dòng)勢u u2 2。但由于渦流消耗部分磁場能。但由于渦流消耗部分磁場能量，使感應(yīng)電動(dòng)勢量，使感應(yīng)電動(dòng)勢u u2 2減少，當(dāng)金屬板越厚時(shí)，減少，當(dāng)金屬板越厚時(shí)，損耗的能

18、量越大，輸出電動(dòng)勢損耗的能量越大，輸出電動(dòng)勢u u2 2越小。因此，越小。因此，u u2 2的大小與金屬板的厚度及材料的性質(zhì)有關(guān)的大小與金屬板的厚度及材料的性質(zhì)有關(guān). .試試驗(yàn)表明驗(yàn)表明u u2 2隨材料厚度隨材料厚度h h的增加按負(fù)指數(shù)規(guī)律減少的增加按負(fù)指數(shù)規(guī)律減少, ,因此，若金屬板材料的性質(zhì)一定，則利用因此，若金屬板材料的性質(zhì)一定，則利用u u2 2的的變化即可測厚度。變化即可測厚度。heu2fh原理簡化模型原理簡化模型：線圈與被測導(dǎo)體等效為相互耦合的線圈與被測導(dǎo)體等效為相互耦合的兩個(gè)線圈。兩個(gè)線圈。電渦流式傳感器的基本特性：電渦流式傳感器的基本特性： u基本特性基本特性 渦流形成范圍渦

19、流形成范圍: :徑向?yàn)榫€圈外徑的徑向?yàn)榫€圈外徑的1.81.82.52.5倍，倍，且分布不均勻；渦流貫穿深度有限，深度一般且分布不均勻；渦流貫穿深度有限，深度一般可用經(jīng)驗(yàn)公式求得可用經(jīng)驗(yàn)公式求得渦流強(qiáng)度與渦流強(qiáng)度與x x的關(guān)系：非線性特性，的關(guān)系：非線性特性， x/Rx/R1 1可改可改善線性，提高靈敏度。善線性，提高靈敏度。fkh 一般要求，被測金屬的最小尺寸大于傳感器線圈直一般要求，被測金屬的最小尺寸大于傳感器線圈直徑的徑的2 2倍；被測物為圓柱體時(shí)，其直徑要求大于線圈倍；被測物為圓柱體時(shí)，其直徑要求大于線圈直徑的直徑的3.53.5倍。倍。2 2、測量電路：、測量電路：諧振電路諧振電路 傳感器線圈傳感器線圈L L與電容與電容C C 共同組成并聯(lián)諧振回路，諧共同組成并聯(lián)諧振回路，諧振頻率為：振頻率為：LCf21線圈等效電感改變，必然導(dǎo)致回路阻抗或諧振頻率變線圈等效電感改變，必然導(dǎo)致回路阻抗或諧振頻率變化，化，從而從而可間接測量被測參數(shù)，對應(yīng)測量電路：可間接測量被測參數(shù)，對應(yīng)測量電路：調(diào)幅電路調(diào)幅電路調(diào)頻電路調(diào)頻電路調(diào)幅電路調(diào)幅電路傳感器由振蕩器提供高頻電源，當(dāng)傳感器諧振頻率傳感器由振蕩器提供高頻電