傳感器原理與應(yīng)用- 電感式

傳統(tǒng)傳感器原理及應(yīng)用TraditionalTransducers2023/1/311傳統(tǒng)傳感器

電參量型傳感器

電量型傳感器2023/1/312電參量型傳感器電阻式傳感器電感式傳感器電容式傳感器電參量型傳感器測(cè)量電路2023/1/313電感式傳感器(InductanceTransducer)是建立在電磁感應(yīng)的基礎(chǔ)上，利用線圈自感或互感的變化實(shí)現(xiàn)非電量的測(cè)量。這類傳感器的主要特征是具有線圈繞組

。利用磁路磁阻變化引起傳感器線圈的自感或互感變化來測(cè)量的傳感器，分別稱為自感式傳感器和互感式傳感器（又稱差動(dòng)變壓器式傳感器），故又通稱為變磁阻式傳感器。電感式傳感器還包括基于電渦流效應(yīng)的渦流效應(yīng)的電渦流傳感器(ElectricEddyTransducer)，利用電磁感應(yīng)原理的感應(yīng)同步器(InductiveSynchronizer，將在數(shù)字傳感器中講述)等。電感式傳感器2023/1/314電感式傳感器

自感式傳感器（電參量型）

互感式傳感器—差動(dòng)變壓器式（電量型）

電渦流式傳感器高頻反射式（電參量型）低頻透射式（電量型）2023/1/315應(yīng)用示例：自感式傳感器圖3.44自感式壓力傳感器2023/1/316測(cè)量原理自感系數(shù)L：自感式傳感器導(dǎo)磁體磁阻

空氣隙磁阻2023/1/317測(cè)量原理自感式傳感器的結(jié)構(gòu)類型：

變氣隙式自感傳感器

變面積式自感傳感器

螺管式自感傳感器自感式傳感器2023/1/318(1)

變氣隙式自感傳感器自感式傳感器測(cè)量特性：變氣隙自感式傳感器的輸出特性是非線性的。適合測(cè)量較小位移。為保證一定的測(cè)量范圍與線性度，對(duì)變氣隙式傳感器，常?。?/p>

δ0=lδ/2=0.1～0.5mm，△δ=(1/5～1/10)δ02023/1/319(2)

變面積式自感傳感器自感式傳感器測(cè)量特性：在忽略氣隙磁通邊緣效應(yīng)的條件下，其輸出特性呈線性，因而具有較大的線性范圍。與變氣隙式相比較，其靈敏度較低。欲提高靈敏度，需減小lδ，但同樣受到工藝和結(jié)構(gòu)的限制。2023/1/3110(3)

螺管式自感傳感器由平均半徑為r的螺管線圈、銜鐵和磁性套管等組成。隨著銜鐵插入的深度的不同將引起線圈泄漏路徑中磁阻的變化，從而使線圈的電感發(fā)生變化。自感式傳感器測(cè)量特性：靈敏度較前兩種低。具有較大的線性范圍，適用于較大位移測(cè)量。

2023/1/3111應(yīng)用特性自感式傳感器輸出為線圈的自感系數(shù)，是典型的電參量型傳感器。需要采用交流激勵(lì)電源，設(shè)計(jì)合理的電感到電壓轉(zhuǎn)換電路以實(shí)現(xiàn)測(cè)量。常見的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路除交流電橋電路外，還有調(diào)幅電路、調(diào)頻電路、調(diào)相電路等各種調(diào)制電路。在自感式傳感器中，調(diào)幅電路用得較多，調(diào)頻和調(diào)相電路用得較少。自感式傳感器是被廣泛采用的一種電磁機(jī)械式傳感器，它除可直接用于測(cè)量直線位移、角位移的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)量外，還可以它為基礎(chǔ)，做成多種用途的傳感器，用以測(cè)量力、壓力、轉(zhuǎn)矩、物位等等。

自感式傳感器2023/1/3112差動(dòng)式自感傳感器由單一式結(jié)構(gòu)對(duì)稱組合，構(gòu)成差動(dòng)式自感傳感器，可改善其性能：靈敏度提高非線性補(bǔ)償對(duì)電源電壓與頻率的波動(dòng)及溫度變化等外界影響也有補(bǔ)償，提高了傳感器的穩(wěn)定性。自感式傳感器應(yīng)用特性2023/1/3113差動(dòng)式自感傳感器的結(jié)構(gòu)類型L2L1(a)變氣隙差動(dòng)型L1L2(b)變面積差動(dòng)型L1L2(c)雙螺線管差動(dòng)型圖3.48差動(dòng)式自感傳感器典型結(jié)構(gòu)2023/1/3114應(yīng)用案例(1)：差動(dòng)電感式壓力傳感器C形彈簧管調(diào)機(jī)械零點(diǎn)螺釘線圈1

線圈2銜鐵P圖3.49差動(dòng)電感式壓力傳感器2023/1/3115應(yīng)用案例(2)：軸向式電感測(cè)微器圖3.50軸向式電感測(cè)微器2023/1/3116差動(dòng)電感電橋測(cè)量電路圖3.51交流差動(dòng)電感測(cè)量電橋2023/1/3117電感式滾柱直徑分選裝置圖3.52電感式滾柱直徑分選裝置2023/1/3118互感式傳感器應(yīng)用示例：圖3.53差動(dòng)變壓器式力傳感器L1L21L22鐵心F變形部線圈下部上部2023/1/3119測(cè)量原理能將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換成線圈間互感系數(shù)M變化的傳感器通稱為互感式傳感器（MutualInductanceSensor），變壓器式傳感器和透射式電渦流傳感器都屬于此類。互感式傳感器變壓器傳感器本身是其互感系數(shù)可變的變壓器。這種傳感器的二次線圈是兩個(gè)，接線方式又是差動(dòng)的，故常稱之為差動(dòng)變壓器式傳感器。2023/1/3120差動(dòng)變壓器式傳感器工作原理由一個(gè)主線圈（一次線圈）和兩個(gè)次級(jí)線圈（二次線圈）構(gòu)成，兩個(gè)次級(jí)線圈差動(dòng)連接。當(dāng)一次線圈接入激勵(lì)電壓后，二次線圈將產(chǎn)生感應(yīng)電壓。當(dāng)互感變化時(shí)，輸出差動(dòng)電壓的幅值和相位發(fā)生變化?；ジ惺絺鞲衅鱈1L21L22銜鐵測(cè)量原理2023/1/3121差動(dòng)變壓器傳感器的結(jié)構(gòu)類型(c)(a)(b)(c)變氣隙式

(d)(e)變面積式

(f)螺管式圖3.56各種差動(dòng)變壓器傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖(a)Φ1Φ2(b)(d)δ0(e)(f)2023/1/3122零點(diǎn)殘余電壓

零點(diǎn)殘余電壓：理論分析可知，當(dāng)鐵芯位于中間位置時(shí)，差動(dòng)變壓器輸出電壓峰值應(yīng)為零。但實(shí)際上并不一定為零，把差動(dòng)變壓器在零位移時(shí)的輸出電壓稱為零點(diǎn)殘余電壓。零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生的原因主要是傳感器在制作時(shí)，兩個(gè)次級(jí)線圈的電氣參數(shù)與幾何尺寸不對(duì)稱，以及磁性材料的非線性等問題引起的。

互感式傳感器測(cè)量原理2023/1/3123應(yīng)用特性差動(dòng)變壓器式傳感器的測(cè)量特性：直接輸出較大的電壓信號(hào)，是電量型傳感器。輸出電壓是反應(yīng)被測(cè)量大小和方向的調(diào)幅波，故需相應(yīng)的解調(diào)電路（相敏檢波電路、低通濾波電路等）以實(shí)現(xiàn)測(cè)量?；ジ惺絺鞲衅?023/1/3124應(yīng)用特性差動(dòng)變壓器式傳感器具有精確度高、線性范圍大、穩(wěn)定性好和使用方便等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于位移的測(cè)量中。也可借助于彈性元件將壓力、重量等物理量轉(zhuǎn)換為位移的變化，故也將這類傳感器應(yīng)用于壓力、重量等物理量測(cè)量。互感式傳感器2023/1/3125應(yīng)用案例(1)：差動(dòng)壓力變送器圖3.58差動(dòng)壓力變送器2023/1/3126應(yīng)用案例(2)：張力測(cè)量控制系統(tǒng)圖3.59差動(dòng)變壓器式張力測(cè)量控制系統(tǒng)2023/1/3127應(yīng)用示例：電渦流式通道安全檢查門電渦流式傳感器1-報(bào)警指示燈2-內(nèi)藏式電渦流線圈3-液晶彩顯4-X光及中子探測(cè)器圖像處理系統(tǒng)圖3.60電渦流式安全檢查門2023/1/3128測(cè)量原理電渦流式傳感器（ElectricEddyTransducer）是利用金屬導(dǎo)體在交變磁場(chǎng)中的電渦流效應(yīng)進(jìn)行工作的。其基本測(cè)量原理是基于電磁感應(yīng)原理，具有線圈結(jié)構(gòu)這一電感式傳感器的顯著特征。

電渦流式傳感器按照電渦流在導(dǎo)體內(nèi)的貫穿情況及傳感器結(jié)構(gòu)不同，可分成高頻反射式和低頻投射式兩大類。2023/1/3129電渦流效應(yīng)

閉合鐵芯（或一大塊導(dǎo)體）處于交變磁場(chǎng)中，交變的磁通量使閉合鐵芯（或一大塊導(dǎo)體）中產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流在金屬板內(nèi)自行閉合，類似于水渦流形狀，稱之為“渦電流”或“電渦流”，這種效應(yīng)稱為電渦流效應(yīng)。電渦流式傳感器金屬板iφi1圖3.25電渦流效應(yīng)原理圖x測(cè)量原理2023/1/3130電渦流效應(yīng)

電渦流式傳感器電渦流效應(yīng)與被測(cè)導(dǎo)體的電阻率、磁導(dǎo)率、幾何形狀與表面狀況、線圈的幾何參數(shù)、勵(lì)磁電流頻率以及線圈與導(dǎo)體間的距離等參數(shù)有關(guān)。—電渦流檢測(cè)電渦流效應(yīng)的應(yīng)用：電磁屏蔽罩、電磁爐、非接觸式連續(xù)測(cè)量等。測(cè)量原理2023/1/3131電渦流的應(yīng)用——電磁爐電磁爐2023/1/3132電磁爐的工作原理

高頻電流通過勵(lì)磁線圈，產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，在鐵質(zhì)鍋底會(huì)產(chǎn)生無數(shù)的電渦流，使鍋底自行發(fā)熱，燒開鍋內(nèi)的食物。電磁爐內(nèi)部的

勵(lì)磁線圈2023/1/3133大直徑電渦流探雷器

2023/1/3134電渦流不僅沿導(dǎo)體徑向分布不均勻，導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的渦流由于趨膚效應(yīng)，貫穿金屬導(dǎo)體的深度有限。電渦流式傳感器貫穿深度h隨激勵(lì)頻率f的升高而逐漸減小，頻率越低，貫穿深度越大。ρ、μ—導(dǎo)體的電阻率和相對(duì)磁導(dǎo)率；f—激勵(lì)頻率；k—比例常數(shù)。jm渦流密度Jjm/ehh1h2h3f1f2f3f3＞f2＞f10圖3.62

貫穿深度h與激勵(lì)頻率f的關(guān)系電渦流的貫穿深度：根據(jù)電渦流在導(dǎo)體內(nèi)的貫穿情況（是否穿透導(dǎo)體），電渦流傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩種結(jié)構(gòu)形式。

電渦流效應(yīng)

2023/1/3135電渦流式傳感器電渦流傳感器測(cè)厚思考：高頻反射式和低頻透射式電渦流傳感器有何區(qū)別？①測(cè)量原理②結(jié)構(gòu)型式③輸出信號(hào)④測(cè)量電路高頻反射式電渦流傳感器測(cè)厚低頻透射式電渦流傳感器測(cè)厚2023/1/3136高頻反射式電渦流傳感器

工作原理：基于電渦流效應(yīng)，當(dāng)傳感器線圈中有一高頻交變電流i通過時(shí)，在線圈周圍有交變磁通φ產(chǎn)生。此交變磁通通過附近的金屬板，金屬板中產(chǎn)生交變的電渦流i1。由于采用高頻激勵(lì)，此電渦流集中分布在導(dǎo)體表面。交變i1也將產(chǎn)生一個(gè)交變的新磁場(chǎng)φ1，φ1與φ方向相反，力圖削弱原磁場(chǎng)φ的變化，從而導(dǎo)致線圈的電感量L、阻抗Z和品質(zhì)因數(shù)Q發(fā)生變化。在一定范圍內(nèi)，通過測(cè)量L、Z或Q的變化就可實(shí)現(xiàn)測(cè)量。電渦流式傳感器2023/1/3137高頻反射式電渦流傳感器

結(jié)構(gòu)型式由一個(gè)扁平線圈構(gòu)成，并通以高頻交流激勵(lì)，通過測(cè)量該傳感器線圈的電參數(shù)，包括電感、阻抗和品質(zhì)因數(shù)的變化來進(jìn)行測(cè)量。電渦流式傳感器傳感器的測(cè)量范圍與這種傳感器線圈外徑有關(guān)，線圈外徑大時(shí)，線圈的磁場(chǎng)軸向分布范圍大，但磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化梯度??；線圈外徑小時(shí)則相反。

BP線圈1線圈2d1＞d2x0d1—線圈1的外經(jīng)；d2—線圈2的外徑圖3.28

線圈軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度分布2023/1/3138高頻反射式電渦流傳感器

被測(cè)體的影響：電渦流傳感器是利用線圈與被測(cè)導(dǎo)體之間的電磁耦合進(jìn)行工作的，被測(cè)導(dǎo)體材料的物理性質(zhì)、尺寸與形狀都與傳感器特性密切相關(guān)。被測(cè)導(dǎo)體的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率對(duì)傳感器的靈敏度有影響。被測(cè)體的大小和形狀也與靈敏度密切相關(guān)。從分析知，若被測(cè)體平面，為充分利用電渦流效應(yīng)，被測(cè)體環(huán)的直徑不應(yīng)小于線圈直徑的1.8倍；若被測(cè)體為圓柱體時(shí)，只有其直徑為線圈直徑的3.5倍以上，才不影響測(cè)量結(jié)果。對(duì)被測(cè)體厚度也有一定要求，一般厚度大于0.2mm則不影響測(cè)量結(jié)果(視激勵(lì)頻率而定)，銅鋁等材料更可減薄為70μm。應(yīng)用：非接觸式非電量檢測(cè)、探傷、材質(zhì)鑒別、溫濕度測(cè)量等。電渦流式傳感器2023/1/3139電渦流傳感器測(cè)位移及其應(yīng)用

2023/1/3140電渦流轉(zhuǎn)速測(cè)量

2023/1/3141轉(zhuǎn)速測(cè)量原理

若轉(zhuǎn)軸上開z個(gè)槽(或齒)，頻率計(jì)的讀數(shù)為f（單位為Hz），則轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速n（單位為r/min）的計(jì)算公式為：

2023/1/3142電渦流傳感器零件計(jì)數(shù)2023/1/3143測(cè)量金屬薄膜、板材厚度電渦流測(cè)厚儀

測(cè)量冷軋板厚度2023/1/3144測(cè)量金屬鍍層或絕緣層厚度

測(cè)量金屬鍍層或絕緣層厚度的計(jì)算方法有何區(qū)別？2023/1/3145測(cè)量彎曲、波動(dòng)、變形對(duì)橋梁、絲桿等機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動(dòng)測(cè)量，須使用多個(gè)傳感器。2023/1/3146測(cè)量尺寸、公差及零件識(shí)別通過測(cè)量間隙來測(cè)定熱膨脹引起的上下平移2023/1/3147測(cè)量封口機(jī)工作間隙間隙越大，電渦流越小2023/1/3148測(cè)量注塑機(jī)開合模的間隙間距2023/1/3149電渦流表面探傷

手持式裂紋測(cè)量?jī)x油管探傷2023/1/3150用掌上型電渦流探傷儀檢測(cè)飛機(jī)裂紋2023/1/3151低頻透射式電渦流傳感器

工作原理：傳感器由兩個(gè)線圈L1和L2組成，主線圈L1接入低頻交流激勵(lì)電壓U1，則會(huì)在其附近的金屬板M中有電渦流i產(chǎn)生。由于i是能穿透導(dǎo)體到達(dá)對(duì)側(cè)的，因此次級(jí)線圈L2(感應(yīng)線圈)中將有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)U2產(chǎn)生。U2的大小與U1的幅值和頻率、L1及L2的匝數(shù)和結(jié)構(gòu)以及兩線圈的相對(duì)位置有關(guān)，還與金屬板M的材質(zhì)和厚度有關(guān)。通過測(cè)量次級(jí)線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)U2的大小即可知被測(cè)參量。

電渦流式傳感器U1L1U2L2ihM圖3.29

透射式渦流傳感器原理利用主副線圈間的互感現(xiàn)象，屬于互感式傳感器；次級(jí)線圈直接輸出感應(yīng)電壓調(diào)幅波，屬于電量型傳感器。

2023/1/3152低頻透射式電渦流傳感器

結(jié)構(gòu)型式：由兩個(gè)線圈構(gòu)成，一個(gè)是主線圈，通以低頻交流激勵(lì)，另一個(gè)是次級(jí)線圈，接輸出，通過測(cè)量次級(jí)線圈的輸出感應(yīng)電壓的大小來實(shí)現(xiàn)測(cè)量。激勵(lì)頻率的大小應(yīng)視被測(cè)材料的材質(zhì)和測(cè)量范圍而定，在測(cè)量范圍內(nèi)，使所產(chǎn)生的電渦流能夠始終透射被測(cè)體。電渦流式傳感器2023/1/3153低頻透射式電渦流傳感器

電渦流式傳感器應(yīng)用：低頻透射式常用于金屬板材的厚度測(cè)量，特別適用于金屬涂層的厚度檢測(cè)。此外，低頻投射式還可應(yīng)用于溫度測(cè)量、材質(zhì)鑒別、無損探傷等領(lǐng)域。

2023/1/3154應(yīng)用總結(jié)：被測(cè)體要求：導(dǎo)體或在非導(dǎo)電被測(cè)體上安裝導(dǎo)體。導(dǎo)體性質(zhì)分析：導(dǎo)體作為電磁耦合一部分，其材質(zhì)、形狀等物理化學(xué)性質(zhì)對(duì)測(cè)量效果產(chǎn)生很大影響。電渦流傳感器選擇及其測(cè)量電路設(shè)計(jì)：高頻反射式：一個(gè)線圈；高頻激勵(lì)；輸出為電路參數(shù)，需設(shè)計(jì)相應(yīng)的測(cè)量電路。低頻透射式：兩個(gè)線圈；低頻激勵(lì)；輸出為調(diào)幅電壓信號(hào)，需設(shè)計(jì)相