傳感器原理及檢測(cè)技術(shù)-第3章-電感式傳感器B部分

1第3章電感式傳感器（B部分）23.1.3自感式傳感器應(yīng)用自感式電感傳感器可以用于多種物理量的測(cè)量；諸如測(cè)量振動(dòng)、應(yīng)變、厚度、壓力、流量、液位等非電量。2023/1/313例1．自感式測(cè)厚儀采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)，其測(cè)量電路為帶相敏整流的交流電橋。當(dāng)被測(cè)物體的厚度發(fā)生變化時(shí)，引起測(cè)桿上下移動(dòng)，帶動(dòng)可動(dòng)鐵芯產(chǎn)生位移，從而改變了氣隙的厚度，使線圈的電感量發(fā)生相應(yīng)的變化。此電感變化量經(jīng)過(guò)帶相敏整流的交流電橋測(cè)量后，送測(cè)量?jī)x表顯示，其大小與被測(cè)物的厚度成正比。1—可動(dòng)鐵芯2—測(cè)桿3—被測(cè)物體4例2．位移測(cè)量測(cè)量時(shí)測(cè)頭的測(cè)端與被測(cè)件接觸，被測(cè)件的微小位移使銜鐵在差動(dòng)線圈中移動(dòng)，線圈的電感值將產(chǎn)生變化，這一變化量通過(guò)引線接到交流電橋，電橋的輸出電壓就反映被測(cè)件的位移變化量。

1—引線2—線圈3—銜鐵4—測(cè)力彈簧5—導(dǎo)桿6—密封罩7—測(cè)頭5例3.一種滾珠直徑分選裝置（工作原理分析）63.2差動(dòng)變壓器式傳感器把被測(cè)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。因這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且其二次繞組都用差動(dòng)形式連接，所以又叫差動(dòng)變壓器式傳感器，簡(jiǎn)稱差動(dòng)變壓器。差動(dòng)變壓器有變氣隙式、變面積式和螺線管式等在非電量測(cè)量中，應(yīng)用最多的是螺線管式的差動(dòng)變壓器，它可以測(cè)量1～100mm范圍內(nèi)的機(jī)械位移，并具有測(cè)量精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。2023/1/3173.2.1差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)與基本工作原理變氣隙式差動(dòng)變壓器原理圖螺線管式差動(dòng)變壓器原理圖2023/1/3183.2.1差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)與基本工作原理P66:式3-9，式3-10，次級(jí)線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)表達(dá)式；P67:圖3-10，差動(dòng)變壓器等效電路；P68：式3-11，差動(dòng)電壓表達(dá)式；9差動(dòng)變壓器傳感器的輸出特性當(dāng)鐵芯位于中心位置，輸出電壓U2并不等于零，這個(gè)電壓稱為零點(diǎn)殘余電壓

。它的存在使傳感器的輸出特性曲線不經(jīng)過(guò)零點(diǎn)，造成實(shí)際特性和理論特性不完全一致。零點(diǎn)殘余電壓使得傳感器的輸出特性在零點(diǎn)附近不靈敏，給測(cè)量帶來(lái)誤差，它的大小是衡量差動(dòng)變壓器性能好壞的重要指標(biāo)。圖3-11輸出特性曲線2023/1/3110如何消除零點(diǎn)電勢(shì)（殘余電壓）零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)使得傳感器在零點(diǎn)附近的輸出特性不靈敏，為測(cè)量帶來(lái)誤差。為了減小零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)，可采用以下方法。（1）盡可能保證傳感器尺寸、線圈電氣參數(shù)和磁路對(duì)稱。（2）選用合適的測(cè)量電路。（3）采用補(bǔ)償線路減小零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)。參考圖3-16的具體電路舉例。2023/1/3111差動(dòng)變壓器的測(cè)量電路差動(dòng)變壓器輸出的是交流電壓，若用交流電壓表測(cè)量，只能反映銜鐵位移的大小，而不能反映移動(dòng)方向；另外，其測(cè)量值中將包含零點(diǎn)殘余電壓；為了達(dá)到能辨別移動(dòng)方向及消除零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)目的，實(shí)際測(cè)量時(shí)，常常采用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路。2023/1/31123.2.2差動(dòng)整流電路把差動(dòng)變壓器的兩個(gè)次級(jí)輸出電壓分別整流，然后將整流的電壓或電流的差值作為輸出，這樣二次電壓的相位和零點(diǎn)殘余電壓都不必考慮。差動(dòng)整流電路同樣具有相敏檢波作用，圖中的兩組（或兩個(gè)）整流二極管分別將二次線圈中的交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電，然后相加。由于這種測(cè)量電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要考慮相位調(diào)整和零點(diǎn)殘余電壓的影響，且具有分布電容小和便于遠(yuǎn)距離傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，因而獲得廣泛的應(yīng)用。但是，二極管的非線性影響比較嚴(yán)重，而且二極管的正向飽和壓降和反向漏電流對(duì)性能也會(huì)產(chǎn)生不利影響，只能在要求不高的場(chǎng)合下使用。一般經(jīng)相敏檢波和差動(dòng)整流后的輸出信號(hào)還必須經(jīng)過(guò)低通濾波器，把調(diào)制的高頻信號(hào)衰減掉，只允許銜鐵運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的有用信號(hào)通過(guò)。13典型差動(dòng)整流電路構(gòu)型差動(dòng)整流電路14相敏檢波電路原理與波形2023/1/31153.2.3差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用差動(dòng)變壓器不僅可以直接用于位移測(cè)量，而且還可以測(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、壓力、張力、比重和厚度等。16差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用——加速度傳感器差動(dòng)變壓器式加速度傳感器是由懸臂梁和差動(dòng)變壓器構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖所示。

加速度（振動(dòng)）傳感器及其測(cè)量電路1—彈性支撐2—差動(dòng)變壓器17差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用——差壓計(jì)力平衡式差壓計(jì)18差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用——力傳感器力傳感器——差動(dòng)變壓器式力傳感器原理結(jié)構(gòu)圖如圖所示。它是利用力作用下引起彈性元件形變，然后彈性元件的形變帶動(dòng)差動(dòng)變壓器的銜鐵運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生相應(yīng)地電流或電壓輸出的原理制成的。19差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用——測(cè)微儀差動(dòng)變壓器式電感測(cè)微儀203.4電渦流傳感器根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈旋渦狀的感應(yīng)電流，此電流叫電渦流，這種現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)；根據(jù)電渦流效應(yīng)制成的傳感器稱為電渦流式傳感器。按照電渦流在導(dǎo)體內(nèi)的貫穿情況，此傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩類，但從基本工作原理上來(lái)說(shuō)仍是相似的。電渦流式傳感器最大的特點(diǎn)是能對(duì)位移、厚度、表面溫度、速度、應(yīng)力、材料損傷等進(jìn)行非接觸式連續(xù)測(cè)量，另外還具有體積小、靈敏度高、頻率響應(yīng)寬等特點(diǎn)，應(yīng)用極其廣泛。213.4.1電渦流傳感器的工作原理

高頻反射式傳感器采用高頻信號(hào)源，其原理及等效電路分別如圖所示。線圈置于金屬導(dǎo)體附近，線圈中通以高頻信號(hào)

，則會(huì)產(chǎn)生正弦交變磁場(chǎng)

，產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)作用于下方的金屬塊內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生渦流

，變化的渦流產(chǎn)生磁場(chǎng)

，又反作用于線圈，改變了線圈的電感。電感變化程度取于線圈的外形尺寸，線圈至金屬板之間的距離，金屬板材料的電阻率和磁導(dǎo)率以及電源頻率等。22為了充分有效地利用電渦流效應(yīng)，對(duì)于平板型的被測(cè)體則要求被測(cè)體的半徑應(yīng)大于線圈半徑的1.8倍，否則就要降低靈敏度。當(dāng)被測(cè)物體是圓柱體時(shí)，被測(cè)導(dǎo)體直徑必須為線圈直徑的3.5倍以上，靈敏度才不受影響。一般來(lái)說(shuō)，被測(cè)體的磁導(dǎo)率越高，電阻率越低，則傳感器的靈敏度越高。233.4.2測(cè)量電路1．電橋電路在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由于傳感器線圈的阻抗發(fā)生變化，使電橋失去平衡，而電橋不平衡造成的輸出信號(hào)被放大并檢波，就可得到與被測(cè)量成正比的輸出。其電路原理圖所示。243.4.2測(cè)量電路L1和L2為傳感器兩線圈，分別與選頻電容C1和C2并聯(lián)組成兩橋臂，電阻R1和R2組成另外兩橋臂。靜態(tài)時(shí)，電橋平衡，橋路輸出電壓為0。工作時(shí)，傳感器接近被測(cè)體，由于電渦流效應(yīng)引起傳感器線圈電感變化，電橋失去平衡，有電壓輸出。經(jīng)放大后送至檢波器檢波，輸出直流電壓U0，U0的大小正比于傳感器的移動(dòng)量，以實(shí)現(xiàn)對(duì)位移量的測(cè)量。253.4.2測(cè)量電路把傳感器線圈與電容并聯(lián)組成LC并聯(lián)諧振電路。當(dāng)傳感器接近被測(cè)金屬導(dǎo)體時(shí)，線圈電感發(fā)生變化，LC回路的阻抗和諧振頻率將隨著L的變化而變化，因此可以利用測(cè)量回路阻抗或諧振頻率的方法間接反映出傳感器的被測(cè)量，相對(duì)應(yīng)的就是調(diào)幅法和調(diào)頻法。調(diào)幅式電路調(diào)頻式電路26調(diào)幅式石英振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)頻、穩(wěn)幅高頻振蕩電壓（100kHz～1MHz）用于激勵(lì)電渦流線圈。金屬材料在高頻磁場(chǎng)中產(chǎn)生電渦流，引起電渦流線圈端電壓的衰減，再經(jīng)高放、檢波、低放電路，最終輸出的直流電壓Uo反映了金屬體對(duì)電渦流線圈的影響）。輸出P73：式3-23273．調(diào)頻（FM）式電路（100kHz～1MHz）當(dāng)電渦流線圈與被測(cè)體的距離x改變時(shí)，電渦流線圈的電感量L也隨之改變，引起LC振蕩器的輸出頻率變化，此頻率可直接用計(jì)算機(jī)測(cè)量。如果要用模擬儀表進(jìn)行顯示或記錄時(shí)，必須使用鑒頻器，將f轉(zhuǎn)換為電壓Uo。284.3.3電渦流傳感器的應(yīng)用電渦流傳感器是以電渦流效應(yīng)為原理的非接觸式位移、振動(dòng)傳感器；可對(duì)進(jìn)入其測(cè)量范圍內(nèi)的金屬物體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行精密非接觸測(cè)量；可用于機(jī)械中的振動(dòng)和位移、轉(zhuǎn)子與機(jī)殼的熱膨脹量的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)；生產(chǎn)線的在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)控制；

科研中的多種微小距離和微小運(yùn)動(dòng)的測(cè)量等?？傊?，電渦流傳感器目前已被廣泛應(yīng)用于能源、化工、醫(yī)學(xué)、汽車、冶金、

機(jī)器制造、軍工、科研教學(xué)等諸多領(lǐng)域，并且還在不斷的擴(kuò)展。29例1．電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器工作原理如圖所示。在軟磁材料制成的輸入軸上加工一個(gè)鍵槽,在距輸入表面d0

處設(shè)置電渦流傳感器，使得輸入軸與被測(cè)旋轉(zhuǎn)軸相連。當(dāng)被測(cè)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，傳感器與被測(cè)體的距離發(fā)生變化。由于電渦流效應(yīng)這種變化將導(dǎo)致振蕩諧振回路中傳感器線圈電感隨Δd的變化也發(fā)生變化，它們將直接影響振蕩器的電壓幅值和振蕩頻率。實(shí)物圖30例2．測(cè)位移接通電源后，在電渦流探頭的有效面（感應(yīng)工作面）將產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)。當(dāng)金屬物體接近此感應(yīng)面