第4章 電感式傳感器

第四章電感式傳感器變磁阻式傳感器電磁感應(yīng)被測非電量自感系數(shù)L互感系數(shù)M測量電路U、I、f自感式傳感器互感式傳感器電渦流式傳感器電感式接近傳感器1電感式傳感器特點:結(jié)構(gòu)簡單靈敏度和分辨率高線性度和重復(fù)性比較好電感式傳感器缺點：頻率響應(yīng)較低分辨率和示值誤差與測量范圍有關(guān)存在交流零位信號2第一節(jié)變磁阻式傳感器一、結(jié)構(gòu)和工作原理總磁阻線圈匝數(shù)空氣導(dǎo)磁率磁導(dǎo)率導(dǎo)磁率H/m3AL=f(A)4二、等效電路1.銅損電阻2.渦流損耗電阻h—渦流的“穿透深度”，可用表示，為導(dǎo)磁體材料的電阻率。當(dāng)渦流穿透深度小于薄片厚度的一半時，上式可簡化為將以上等式整理可得線圈的平均匝長53.并聯(lián)寄生電容總等效損耗電阻串聯(lián)等效阻抗考慮并聯(lián)電容C時，等效阻抗為式中當(dāng)電感相對變化6銜鐵下移

三、變氣隙式電感傳感器輸出特性7忽略高次項：動態(tài)測量范圍：0.001~1mm銜鐵上移

忽略高次項：8四、差動自感傳感器1.結(jié)構(gòu)和工作原理上下兩個磁體的幾何尺寸、材料、電氣參數(shù)完全一致。初始狀態(tài)電橋平衡，銜鐵上下移動時，兩只電感線圈的電感量不一樣，電橋不平衡，輸出電壓。92、輸出特性銜鐵下移：

忽略高次項：提高一倍單個線圈差動式103、測量電路1、交流電橋式測量電路差動自感傳感器：11初始位置

銜鐵下移

2、變壓器式交流電橋12銜鐵上移銜鐵下移3、諧振式測量電路諧振式調(diào)頻電路諧振式調(diào)幅電路13第二節(jié)互感式傳感器當(dāng)銜鐵在中間位置時，當(dāng)銜鐵向上移動時，當(dāng)銜鐵向下移動時，一、結(jié)構(gòu)和工作原理14二、等效電路15（1）銜鐵位于中間位置時，16（3）當(dāng)銜鐵下移時，（2）當(dāng)銜鐵上移時，17靈敏度：18三、測量電路——辨別移動方向、消除零點殘存電壓1、差動整流電路19正半周負半周電壓輸出型全波整流電路20①當(dāng)銜鐵在中間位置時，②當(dāng)銜鐵向上移動時，③當(dāng)銜鐵向下移動時，212、相敏檢波電路正半周負半周（1）二極管相敏檢波電路22U1與U2同相U1與U2反相？23特點：結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、線性度好、測量范圍寬測量范圍：±2mm~±200mm測量精度：0.2%~0.3%（2）集成化相敏檢波電路24四、誤差因素分析激勵電壓的幅值與頻率的影響。溫度變化的影響。零點殘余電壓。零點殘余電壓包括（1）基波正交分量（2）基波同相成分（3）二次諧波（4）三次諧波（5）電磁干擾波25兩次級繞組相位相差不等于180o時的差動輸出電壓、銜鐵正反向偏離中間位置時，兩次級輸出電勢值合成后次級輸出的空載電壓銜鐵在中間位置時兩次級電勢數(shù)值26消除零點殘余電壓可采用的方法（1）從設(shè)計和工藝上保證結(jié)構(gòu)對稱性（2）選用合適的測量線路（3）采用補償線路調(diào)相位式殘余電壓補償電路27電位器調(diào)零點殘余電壓補償電路R或L補償電路28把上述三種類型比較一下，氣隙型自感傳感器靈敏度高，因為原始氣隙一般取得很小，它的主要缺點是：非線性嚴(yán)重，為了限制非線性誤差，示值范圍只能較小；它的自由行程小，因為銜鐵在運動方向上受到鐵心限制；制造裝配困難。由于這些原因，近年來這種類型的使用逐漸減少，不過在一些特殊場合下還使用。截面型自感傳感器靈敏度較低。截面型的優(yōu)點是具有較好的線性，因而示值范圍可取大些，自由行程可按需要按排，制造裝配也較方便。螺管型自感傳感器的靈敏度比截面型的更低，但示值范圍大，線性也較好，同時還具備自由行程可任意按排、制造裝配方便等優(yōu)點。此外。螺管型與截面型相比，批量生產(chǎn)中的互換性好。29截面型傳感器往往要和儀器電箱配合使用，不易互換，而螺管傳感器較能保證其特性大體一致，這對裝配、調(diào)試、使用都帶來方便，尤其在使用兩個（和差測量）或多個（多點測量）傳感器時，這一點更為重要。螺管型傳感器的線圈形狀對其線性度及穩(wěn)定度有較大影響，要求線圈骨架的形狀及尺寸穩(wěn)定不變，線圈繞制要均勻一致，這一點在設(shè)計制造時要加以注意。由于具有上述優(yōu)點，而靈敏度低的問題可在放大電路方面加以解決，目前螺管型傳感器的應(yīng)用越來越多。30第三節(jié)電渦流式傳感器金屬導(dǎo)體：線圈：線圈與金屬導(dǎo)體間的距離電阻率、相對導(dǎo)磁率、厚度大小線圈激勵信號頻率31一、基本原理高頻反射式電渦流傳感器結(jié)構(gòu)CZF1型渦流傳感器32渦流區(qū)和線圈幾何尺寸關(guān)系2R——電渦流區(qū)外徑2r——電渦流區(qū)內(nèi)徑渦流滲透深度ρ——導(dǎo)體電阻率（Ω.cm）f——交變磁場的頻率μr——相對導(dǎo)磁率33一、等效電路34品質(zhì)因素等效電阻等效電感無渦流影響時的Q值短路環(huán)阻抗其中35補充：電渦流形成范圍1、電渦流的徑向形成范圍J0為金屬導(dǎo)體表面電渦流密度最大值；Jr為半徑r處的金屬導(dǎo)體表面電渦流密度（1）電渦流徑向形成范圍大約在傳感器線圈外半徑ras的1.8~2.5倍范圍內(nèi)；（2）電渦流密度在ri=0處為零；（3）電渦流的最大值在r=ras附近的一個狹窄區(qū)域內(nèi)；（4）可以用一個平均半徑為ras（ras=(ri+ra)/2）的短路環(huán)來集中表示分散的電渦流（圖中陰影部分）362、電渦流強度與距離的關(guān)系I1—線圈激勵電流；I2—金屬導(dǎo)體中等效電流；X—線圈到金屬導(dǎo)體表面距離；ras—線圈外徑以上分析表明：電渦流強度與距離x呈非線性關(guān)系，且隨著x/ras的增加二迅速減??；當(dāng)利用電渦流式傳感器測量位移時，只有在x/ras<<1（一般取0.05~0.15）的條件下才能得到較好的線性和較高的靈敏度。電渦流強度與距離歸一化曲線373.電渦流的軸向貫穿深度貫穿深度指把電渦流強度減小到表面強度的1/e處的表面厚度。電渦流密度軸向分布曲線d—金屬導(dǎo)體中某一點與表面的距離；Jd—沿H1軸向d處的電渦流密度；J0—金屬導(dǎo)體表面電渦流密度，即電渦流密度最大值；H—電渦流軸向貫穿的深度（趨膚深度）。38三、測量電路1、調(diào)頻式電路392、調(diào)幅式電路最大最大無M：有M：降低降低石英晶體振蕩器恒流源：f0、i040低頻透射式渦流傳感器多用于測定材料厚度。發(fā)射線圈ω1和接收線圈ω2分別放在被測材料G的上下，低頻(音頻范圍)電壓e1加到線圈ω1的兩端后，在周圍空間產(chǎn)生一交變磁場，并在被測材料G中產(chǎn)生渦流i，此渦流損耗了部分能量，使貫穿ω2的磁力線減少，從而使ω2產(chǎn)生的感應(yīng)電e2減小。e2的大小與G的厚度及材料性質(zhì)有關(guān)，實驗與理論證明，e2隨材料厚度h增加按負指數(shù)規(guī)律減小。因而按e2的變化便可測得材料的厚度。41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42變隙式差動電感壓力傳感器43差動變壓器式傳感器的應(yīng)用差動變壓器式加速度傳感器原理圖

44電感測微儀是一個差動式自感傳感器測量微位移裝置，其測量電路由傳感線圈和電阻組成交流測量電橋，電橋輸出交流電壓經(jīng)放大后送相敏檢波器，檢波輸出直流電壓由直流電壓表或顯示其輸出。45力平衡式差壓計是一個差動變壓器測量電路，N1、N22、N21分別為差動變壓器初級線圈和兩級線圈，V1、V2和C為半波整流電容電路。當(dāng)動鐵處于中間位置時，膜盒亦在正中位置時此時膜盒的上下壓力相同，即P1=P2，差動變壓器輸出電壓U=0。當(dāng)P1和P2大小不同時膜盒產(chǎn)生位移，帶動差動變壓器輸出電壓U≠0，其大小盒極性即表示動鐵位移的大小和方向，從而可測出P1與P2的壓力差。46渦流式傳感器的應(yīng)用1.低頻透射式渦流厚度傳感器透射式渦流厚度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖472.高頻反射式渦流厚度傳感器高頻反射式渦流測厚儀測試系統(tǒng)圖483.電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器工作原理圖49例4-1如圖所示氣隙型電感傳感器，銜鐵斷面積S=4×4mm2，氣隙總長度lδ=0.8mm，銜鐵最大位移Δlδ=±0.08mm，激勵線圈匝數(shù)N=2500匝，導(dǎo)線直徑d=0.06mm，電阻率ρ=1.75×10-6Ω.cm。當(dāng)激勵電源頻率f=4000Hz時，忽略漏磁及鐵損，要求計算：（1）線圈的電感值；（2）電感的最大變化；（3）當(dāng)線圈外斷面積為11×11mm2時求其直流電阻值；（4）線圈的品質(zhì)因素；（5）當(dāng)線圈存在200pF分布電容與之并聯(lián)后其等效電感值變化多大？50例4-2試證明圖（a）U形差動變壓器輸出為V形特性。（1）設(shè)電感線圈銅損、鐵損