第四章電感式傳感器第五章電渦流式傳感器課件

第4章電感式傳感器4.1變磁阻式傳感器4.2差動變壓器式傳感器第4章電感式傳感器4.1變磁阻式傳感器1電感式傳感器的工作基礎(chǔ)：電磁感應(yīng)即利用線圈電感或互感的改變來實現(xiàn)非電量測量分為變磁阻式、變壓器式等特點(diǎn)：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)性好電感式傳感器的工作基礎(chǔ)：電磁感應(yīng)分為變磁阻式、變壓器式等24.1變磁阻式傳感器（自感式）4.1.1工作原理變磁阻式傳感器由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料制成。4.1變磁阻式傳感器（自感式）4.1.1工作原理3在鐵芯和銜鐵之間有氣隙，傳感器的運(yùn)動部分與銜鐵相連。當(dāng)銜鐵移動時，氣隙厚度δ發(fā)生改變，引起磁路中磁阻變化，從而導(dǎo)致電感線圈的電感值變化，因此只要能測出這種電感量的變化，就能確定銜鐵位移量的大小和方向。在鐵芯和銜鐵之間有氣隙，傳感器的運(yùn)動部分與銜鐵相連。當(dāng)銜鐵移4線圈中電感量可由下式確定：式中,Rm為磁路總磁阻。（4-1）氣隙很小，可以認(rèn)為氣隙中的磁場是均勻的。若忽略磁路磁損，則磁路總磁阻為（4-2）線圈中電感量可由下式確定：式中,Rm為磁路總磁阻。（45通常氣隙磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻，即（4-4）則式（4-3）可寫為（4-5）聯(lián)立式（4-1）、式（4-2）及式（4-5），可得（4-6）通常氣隙磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻，即（4-4）則式（6上式表明：當(dāng)線圈匝數(shù)為常數(shù)時，電感L僅僅是磁路中磁阻Rm的函數(shù)，改變δ或A0均可導(dǎo)致電感變化，因此變磁阻式傳感器又可分為變氣隙厚度δ的傳感器和變氣隙面積A0的傳感器。目前使用最廣泛的是變氣隙厚度式電感傳感器。上式表明：當(dāng)線圈匝數(shù)為常數(shù)時，電感L僅僅是磁路74.1.2輸出特性L與δ之間是非線性關(guān)系，特性曲線如圖5-2所示。圖4-2變隙式電壓傳感器的L-δ特性4.1.2輸出特性圖4-2變隙式電壓傳感器的L-δ8分析：當(dāng)銜鐵處于初始位置時，初始電感量為（4-7）當(dāng)銜鐵上移Δδ時，傳感器氣隙減小Δδ，即δ=δ0－Δδ，則此時輸出電感為（4-8）4.1.2輸出特性分析：（4-7）當(dāng)銜鐵上移Δδ時，傳感器9當(dāng)Δδ/δ0<<1時（泰勒級數(shù)）：（4-9）可求得電感增量ΔL和相對增量ΔL/L0的表達(dá)式，即(4-10)(4-11)當(dāng)Δδ/δ0<<1時（泰勒級數(shù)）：（4-9）可求得電感增10同理，當(dāng)銜鐵隨被測體的初始位置向下移動Δδ時，有（4-12）（4-13）對式（4-11）、（4-13）作線性處理，即忽略高次項后，可得（4-14）同理，當(dāng)銜鐵隨被測體的初始位置向下移動Δδ時，有（4-1211靈敏度為可見：變間隙式電感傳感器的測量范圍與靈敏度及線性度相矛盾，因此變隙式電感式傳感器適用于測量微小位移的場合。（4-15）靈敏度為可見：變間隙式電感傳感器的測量范圍與靈敏度及線性12與銜鐵上移切線斜率變大銜鐵下移切線斜率變小與銜鐵上移銜鐵下移13與線性度銜鐵上移：銜鐵下移：無論上移或下移，非線性都將增大。與線性度銜鐵上移：銜鐵下移：無論上移或下移，非線性都將增大。14差動變隙式電感傳感器為了減小非線性誤差，實際測量中廣泛采用差動變隙式電感傳感器。差動變隙式電感傳感器為了減小非線性誤差，實際測量中廣泛采15銜鐵上移Δδ：兩個線圈的電感變化量ΔL1、ΔL2分別由式（4-10）及式（4-12）表示，差動傳感器電感的總變化量ΔL=L1-L2,具體表達(dá)式為對上式進(jìn)行線性處理,即忽略高次項得銜鐵上移Δδ：兩個線圈的電感變化量ΔL1、ΔL2分別由式（416靈敏度K0為比較單線圈式和差動式：①差動式變間隙電感傳感器的靈敏度是單線圈式的兩倍。②差動式的非線性項(忽略高次項)：單線圈的非線性項（忽略高次項)：由于Δδ/δ0<<1，因此，差動式的線性度得到明顯改善。靈敏度K0為比較單線圈式和差動式：174.1.4變磁阻式傳感器的應(yīng)用變隙電感式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖當(dāng)壓力進(jìn)入膜盒時，膜盒的頂端在壓力P的作用下產(chǎn)生與壓力P大小成正比的位移，于是銜鐵也發(fā)生移動，從而使氣隙發(fā)生變化，流過線圈的電流也發(fā)生相應(yīng)的變化，電流表A的指示值就反映了被測壓力的大小。

4.1.4變磁阻式傳感器的應(yīng)用變隙電感式壓力傳感器結(jié)18當(dāng)被測壓力進(jìn)入C形彈簧管時，C形彈簧管產(chǎn)生變形，其自由端發(fā)生位移，帶動與自由端連接成一體的銜鐵運(yùn)動，使線圈1和線圈2中的電感發(fā)生大小相等、符號相反的變化。即一個電感量增大，另一個電感量減小。電感的這種變化通過電橋電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。由于輸出電壓與被測壓力之間成比例關(guān)系，所以只要用檢測儀表測量出輸出電壓，即可得知被測壓力的大小。變隙式差動電感壓力傳感器當(dāng)被測壓力進(jìn)入C形彈簧管時，C形彈簧管產(chǎn)194.2差動變壓器式傳感器（互感式）把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感變化的傳感器稱為互感式傳感器。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且次級繞組用差動形式連接，故稱差動變壓器式傳感器。差動變壓器結(jié)構(gòu)形式：變隙式、變面積式和螺線管式等。在非電量測量中，應(yīng)用最多的是螺線管式差動變壓器，它可以測量1～100mm機(jī)械位移，并具有測量精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。4.2差動變壓器式傳感器（互感式）把被204.2.1螺線管式差動變壓器1.工作原理4.2.1螺線管式差動變壓器21

兩個次級線圈反相串聯(lián)，并且在忽略鐵損、導(dǎo)磁體磁阻和線圈分布電容的理想條件下,其等效電路。。當(dāng)初級繞組加以激勵電壓U時,根據(jù)變壓器的工作原理,在兩個次級繞組W2a和W2b中便會產(chǎn)生感應(yīng)電勢E2a和E2b。如果工藝上保證變壓器結(jié)構(gòu)完全對稱,則當(dāng)活動銜鐵處于初始平衡位置時,必然會使兩互感系數(shù)M1=M2兩個次級線圈反相串聯(lián)，并且在忽略鐵損、導(dǎo)磁體磁阻和線圈分布22輸出電壓的有效值為分析……輸出電壓的有效值為分析……23①活動銜鐵處于中間位置時M1=M2=M

故Uo=0②活動銜鐵向上移動時M1=M+ΔM，M2=M-ΔM

故與E2a同極性。.①活動銜鐵處于中間位置時M1=M2=M故Uo=0②24③活動銜鐵向下移動時M1=M-ΔM，M2=M+ΔM

故與E2b同極性。.③活動銜鐵向下移動時M1=M-ΔM，M2=M+ΔM254.差動變壓器式傳感器的應(yīng)用可直接用于位移測量，也可以測量與位移有關(guān)的任何機(jī)械量，如振動、加速度、應(yīng)變、比重、張力和厚度等。4.差動變壓器式傳感器的應(yīng)用26電感式滾珠直徑分選裝置實現(xiàn)按滾珠直徑大小分類并計數(shù)電感式滾珠直徑分選裝置27第五章電渦流式傳感器一、電渦流效應(yīng)電渦流式傳感器原理圖（a）傳感器激勵線圈;（b）被測金屬導(dǎo)體第五章電渦流式傳感器一、電渦流效應(yīng)電渦流式傳感器原理圖28式中,r為線圈與被測體的尺寸因子。

測量方法：如果保持上式中其它參數(shù)不變，而只改變其中一個參數(shù)，傳感器線圈阻抗Z就僅僅是這個參數(shù)的單值函數(shù)。通過與傳感器配用的測量電路測出阻抗Z的變化量，即可實現(xiàn)對該參數(shù)的測量。Z=F(ρ,μ,t,r,d,I,ω)

傳感器線圈受電渦流影響時的等效阻抗Z的函數(shù)關(guān)系式為式中,r為線圈與被測體的尺寸因子。Z=F(ρ,μ,t29電渦流式傳感器等效電路圖二、等效電路電渦流式傳感器等效電路圖二、等效電路30根據(jù)基爾霍夫第二定律，可列出如下方程：根據(jù)基爾霍夫第二定律，可列出如下方程：31解得等效阻抗Z的表達(dá)式為解得等效阻抗Z的表達(dá)式為32電渦流式傳感器簡化模型三、結(jié)構(gòu)與工作原理電渦流式傳感器簡化模型三、結(jié)構(gòu)與工作原理33徑向分布r/r00.412I當(dāng)r<0.4r0,r>2ro時，無渦流存在徑向分布r/r00.412I當(dāng)r<0.4r0,r>2ro時34電渦流傳感器簡化模型中，把在被測金屬導(dǎo)體上形成的電渦流等效成一個短路環(huán)，即假設(shè)電渦流僅分布在環(huán)體之內(nèi)，模型中t（電渦流的貫穿深度）可由下式求得：式中,ω為線圈激磁電流的頻率。電渦流傳感器簡化模型中，把在被測金屬導(dǎo)體上形35高頻反射式電渦流傳感器高頻反射式電渦流傳感器36低頻透射式電渦流傳感器將貫穿深度值帶入低頻透射式電渦流傳感器將貫穿深度值帶入374.3.3電渦流傳感器測量電路電感式傳感器的測量電路有交流電橋式、變壓器式交流電橋以及諧振式等。

4.3.3電渦流傳感器測量電路381.交流電橋式測量電路當(dāng)銜鐵下移時：1.交流電橋式測量電路當(dāng)銜鐵下移時：392.諧振式測量電路分為：諧振式調(diào)幅電路和諧振式調(diào)頻電路。調(diào)幅電路特點(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合。2.諧振式測量電路40

調(diào)頻電路：振蕩頻率 。當(dāng)L變化時，振蕩頻率隨之變化，根據(jù)f的大小即可測出被測量的值。具有嚴(yán)重的非線性關(guān)系。調(diào)頻電路：振蕩頻率 。當(dāng)L變化時，振蕩頻41五被測體材料、形狀和大小對測量影響1、材料的影響導(dǎo)電率越高，靈敏度越高磁導(dǎo)率越高，靈敏度越低2、大小和形狀影響五被測體材料、形狀和大小對測量影響1、材料的影響42六電渦流式傳感器的應(yīng)用1、位移測量2、振幅測量3、轉(zhuǎn)速測量4、無損探傷六電渦流式傳感器的應(yīng)用1、位移測量43變壓器式交流電橋2.變壓器式交流電橋變壓器式交流電橋2.變壓器式交流電橋44電橋兩臂Z1、Z2為傳感器線圈阻抗，另外兩橋臂為交流變壓器次級線圈的1/2阻抗。當(dāng)負(fù)載阻抗為無窮大時，橋路輸出電壓當(dāng)傳感器的銜鐵處于中間位置，即Z1=Z2=Z，此時有 ，電橋平衡。電橋兩臂Z1、Z2為傳感器線圈阻抗，另外兩橋臂為交流變壓器45當(dāng)傳感器銜鐵上移：如Z1=Z+ΔZ，Z2=Z－ΔZ，(4-25)當(dāng)傳感器銜鐵下移：如Z1=Z－ΔZ，Z2=Z+ΔZ，此時(4-26)可知：銜鐵上下移動相同距離時，輸出電壓相位相反，大小隨銜鐵的位移而變化。由于是交流電壓，輸出指示無法判斷位移方向，必須配合相敏檢波電路來解決。當(dāng)傳感器銜鐵上移：如Z1=Z+ΔZ，Z2=Z－ΔZ，(4-46第4章電感式傳感器4.1變磁阻式傳感器4.2差動變壓器式傳感器第4章電感式傳感器4.1變磁阻式傳感器47電感式傳感器的工作基礎(chǔ)：電磁感應(yīng)即利用線圈電感或互感的改變來實現(xiàn)非電量測量分為變磁阻式、變壓器式等特點(diǎn)：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)性好電感式傳感器的工作基礎(chǔ)：電磁感應(yīng)分為變磁阻式、變壓器式等484.1變磁阻式傳感器（自感式）4.1.1工作原理變磁阻式傳感器由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料制成。4.1變磁阻式傳感器（自感式）4.1.1工作原理49在鐵芯和銜鐵之間有氣隙，傳感器的運(yùn)動部分與銜鐵相連。當(dāng)銜鐵移動時，氣隙厚度δ發(fā)生改變，引起磁路中磁阻變化，從而導(dǎo)致電感線圈的電感值變化，因此只要能測出這種電感量的變化，就能確定銜鐵位移量的大小和方向。在鐵芯和銜鐵之間有氣隙，傳感器的運(yùn)動部分與銜鐵相連。當(dāng)銜鐵移50線圈中電感量可由下式確定：式中,Rm為磁路總磁阻。（4-1）氣隙很小，可以認(rèn)為氣隙中的磁場是均勻的。若忽略磁路磁損，則磁路總磁阻為（4-2）線圈中電感量可由下式確定：式中,Rm為磁路總磁阻。（451通常氣隙磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻，即（4-4）則式（4-3）可寫為（4-5）聯(lián)立式（4-1）、式（4-2）及式（4-5），可得（4-6）通常氣隙磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻，即（4-4）則式（52上式表明：當(dāng)線圈匝數(shù)為常數(shù)時，電感L僅僅是磁路中磁阻Rm的函數(shù)，改變δ或A0均可導(dǎo)致電感變化，因此變磁阻式傳感器又可分為變氣隙厚度δ的傳感器和變氣隙面積A0的傳感器。目前使用最廣泛的是變氣隙厚度式電感傳感器。上式表明：當(dāng)線圈匝數(shù)為常數(shù)時，電感L僅僅是磁路534.1.2輸出特性L與δ之間是非線性關(guān)系，特性曲線如圖5-2所示。圖4-2變隙式電壓傳感器的L-δ特性4.1.2輸出特性圖4-2變隙式電壓傳感器的L-δ54分析：當(dāng)銜鐵處于初始位置時，初始電感量為（4-7）當(dāng)銜鐵上移Δδ時，傳感器氣隙減小Δδ，即δ=δ0－Δδ，則此時輸出電感為（4-8）4.1.2輸出特性分析：（4-7）當(dāng)銜鐵上移Δδ時，傳感器55當(dāng)Δδ/δ0<<1時（泰勒級數(shù)）：（4-9）可求得電感增量ΔL和相對增量ΔL/L0的表達(dá)式，即(4-10)(4-11)當(dāng)Δδ/δ0<<1時（泰勒級數(shù)）：（4-9）可求得電感增56同理，當(dāng)銜鐵隨被測體的初始位置向下移動Δδ時，有（4-12）（4-13）對式（4-11）、（4-13）作線性處理，即忽略高次項后，可得（4-14）同理，當(dāng)銜鐵隨被測體的初始位置向下移動Δδ時，有（4-1257靈敏度為可見：變間隙式電感傳感器的測量范圍與靈敏度及線性度相矛盾，因此變隙式電感式傳感器適用于測量微小位移的場合。（4-15）靈敏度為可見：變間隙式電感傳感器的測量范圍與靈敏度及線性58與銜鐵上移切線斜率變大銜鐵下移切線斜率變小與銜鐵上移銜鐵下移59與線性度銜鐵上移：銜鐵下移：無論上移或下移，非線性都將增大。與線性度銜鐵上移：銜鐵下移：無論上移或下移，非線性都將增大。60差動變隙式電感傳感器為了減小非線性誤差，實際測量中廣泛采用差動變隙式電感傳感器。差動變隙式電感傳感器為了減小非線性誤差，實際測量中廣泛采61銜鐵上移Δδ：兩個線圈的電感變化量ΔL1、ΔL2分別由式（4-10）及式（4-12）表示，差動傳感器電感的總變化量ΔL=L1-L2,具體表達(dá)式為對上式進(jìn)行線性處理,即忽略高次項得銜鐵上移Δδ：兩個線圈的電感變化量ΔL1、ΔL2分別由式（462靈敏度K0為比較單線圈式和差動式：①差動式變間隙電感傳感器的靈敏度是單線圈式的兩倍。②差動式的非線性項(忽略高次項)：單線圈的非線性項（忽略高次項)：由于Δδ/δ0<<1，因此，差動式的線性度得到明顯改善。靈敏度K0為比較單線圈式和差動式：634.1.4變磁阻式傳感器的應(yīng)用變隙電感式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖當(dāng)壓力進(jìn)入膜盒時，膜盒的頂端在壓力P的作用下產(chǎn)生與壓力P大小成正比的位移，于是銜鐵也發(fā)生移動，從而使氣隙發(fā)生變化，流過線圈的電流也發(fā)生相應(yīng)的變化，電流表A的指示值就反映了被測壓力的大小。

4.1.4變磁阻式傳感器的應(yīng)用變隙電感式壓力傳感器結(jié)64當(dāng)被測壓力進(jìn)入C形彈簧管時，C形彈簧管產(chǎn)生變形，其自由端發(fā)生位移，帶動與自由端連接成一體的銜鐵運(yùn)動，使線圈1和線圈2中的電感發(fā)生大小相等、符號相反的變化。即一個電感量增大，另一個電感量減小。電感的這種變化通過電橋電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。由于輸出電壓與被測壓力之間成比例關(guān)系，所以只要用檢測儀表測量出輸出電壓，即可得知被測壓力的大小。變隙式差動電感壓力傳感器當(dāng)被測壓力進(jìn)入C形彈簧管時，C形彈簧管產(chǎn)654.2差動變壓器式傳感器（互感式）把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感變化的傳感器稱為互感式傳感器。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且次級繞組用差動形式連接，故稱差動變壓器式傳感器。差動變壓器結(jié)構(gòu)形式：變隙式、變面積式和螺線管式等。在非電量測量中，應(yīng)用最多的是螺線管式差動變壓器，它可以測量1～100mm機(jī)械位移，并具有測量精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。4.2差動變壓器式傳感器（互感式）把被664.2.1螺線管式差動變壓器1.工作原理4.2.1螺線管式差動變壓器67

兩個次級線圈反相串聯(lián)，并且在忽略鐵損、導(dǎo)磁體磁阻和線圈分布電容的理想條件下,其等效電路。。當(dāng)初級繞組加以激勵電壓U時,根據(jù)變壓器的工作原理,在兩個次級繞組W2a和W2b中便會產(chǎn)生感應(yīng)電勢E2a和E2b。如果工藝上保證變壓器結(jié)構(gòu)完全對稱,則當(dāng)活動銜鐵處于初始平衡位置時,必然會使兩互感系數(shù)M1=M2兩個次級線圈反相串聯(lián)，并且在忽略鐵損、導(dǎo)磁體磁阻和線圈分布68輸出電壓的有效值為分析……輸出電壓的有效值為分析……69①活動銜鐵處于中間位置時M1=M2=M

故Uo=0②活動銜鐵向上移動時M1=M+ΔM，M2=M-ΔM

故與E2a同極性。.①活動銜鐵處于中間位置時M1=M2=M故Uo=0②70③活動銜鐵向下移動時M1=M-ΔM，M2=M+ΔM

故與E2b同極性。.③活動銜鐵向下移動時M1=M-ΔM，M2=M+ΔM714.差動變壓器式傳感器的應(yīng)用可直接用于位移測量，也可以測量與位移有關(guān)的任何機(jī)械量，如振動、加速度、應(yīng)變、比重、張力和厚度等。4.差動變壓器式傳感器的應(yīng)用72電感式滾珠直徑分選裝置實現(xiàn)按滾珠直徑大小分類并計數(shù)電感式滾珠直徑分選裝置73第五章電渦流式傳感器一、電渦流效應(yīng)電渦流式傳感器原理圖（a）傳感器激勵線圈;（b）被測金屬導(dǎo)體第五章電渦流式傳感器一、電渦流效應(yīng)電渦流式傳感器原理圖74式中,r為線圈與被測體的尺寸因子。

測量方法：如果保持上式中其它參數(shù)不變，而只改變其中一個參數(shù)，傳感器線圈阻抗Z就僅僅是這個參數(shù)的單值函數(shù)。通過與傳感器配用的測量電路測出阻抗Z的變化量，即可實現(xiàn)對該參數(shù)的測量。Z=F(ρ,μ,t,r,d,I,ω)

傳感器線圈受電渦流影響時的等效阻抗Z的函數(shù)關(guān)系式為式中,r為線圈與被測體的尺寸因子。Z=F(ρ,μ,t75電渦流式傳感器等效電路圖二、等效電路電渦流式傳感器等效電路圖二、等效電路76根據(jù)基爾霍夫第二定律，可列出如下方程：根據(jù)基爾霍夫第二定律，可列出如下方程：77解得等效阻抗Z的表達(dá)式為解得等效阻抗Z的表達(dá)式為78電渦流式傳感器簡化模型三、結(jié)構(gòu)與工作原理電渦流式傳感器簡化模型三、結(jié)構(gòu)與工作原理79徑向分布r/r00.412I當(dāng)r<0.4r0,r>2ro時，無渦流存在徑向分布r/r00.412I當(dāng)r<0.4r0,r>2ro時80電渦流傳感器簡化模型中，把在被測金屬導(dǎo)體上形成的電渦流等效成一個短路環(huán)，即假設(shè)電渦流僅分布在環(huán)體之內(nèi)，模型中t（電渦流的貫穿深度）可由下式求得：式中,ω為線圈激磁電流的頻率。電渦流傳感器簡化模型中，把在被測金屬導(dǎo)體上形81高頻反射式電