第4章-電感式傳感器

第四章電感式傳感器原理利用線圈的自感或互感的變化來實現(xiàn)測量的傳感器。被測物理量位移振動壓力流量比重的變化線圈自感系數(shù)L互感系數(shù)M的變化電路電壓電流電感傳感器優(yōu)點：靈敏度高，分辨力高，位移：0.1m；精度高，線性特性好，非線性誤差：0.05%0.1%；性能穩(wěn)定，重復性好；結構簡單可靠、輸出功率大、輸出阻抗小、抗干擾能力強、對工作環(huán)境要求不高、壽命長能實現(xiàn)信息的遠距離傳輸、記錄、顯示和控制等。電感式傳感器分類自感型互感型渦流式傳感器—壓磁式高頻反射式—自感型低頻透射式—互感型§4-1自感式傳感器若很小，且不考慮磁路鐵損，則

根據(jù)電工學：線圈中的電感量li

各導磁體長度

空氣隙間隙i

各導磁體相對導磁率

0

空氣隙導磁系數(shù)Si

各導磁體截面積S

空氣隙截面積因為

鐵芯、

銜鐵>>

氣隙，所以，R鐵芯+R銜鐵<<R氣隙

一、工作原理電感傳感器的三種型式氣隙變化型—變氣隙的間隙(a)面積變化型—變氣隙的截面積S(b)螺管型—變銜鐵與線圈重合長度(c)(a)(b)(c)二、自感計算及特性分析氣隙型：單圈不適宜精密測量差動線性好、靈敏度高截面型：理論上線性差動靈敏度提高2倍螺管型：存在高次非線性誤差項差動減小非線性誤差，靈敏度提高差動形式

為了增加靈敏度，改善線性，往往做成差動式的。差動優(yōu)點：（1）.大大的改善了線性，減小線性誤差；（2）.使靈敏度提高一倍。

自感式傳感器的分類比較三、轉換電路變壓器電橋（差動自感式傳感器）輸出空載電壓初始平衡狀態(tài)，Z1=Z2=Z，u0=0，當銜鐵偏離中間零點時，Z1＝Z+，Z2＝Z-

銜鐵移動方向相反時令品質因數(shù)較大，則Z2Z1u0U/2U/2§4-2互感式傳感器一、工作原理

利用線圈互感隨被測量變化的傳感器。傳感器本身是互感系數(shù)可變的變壓器，當一次側線圈接入激勵電源后，二次側線圈就將產生電壓輸出，互感變化時，輸出電壓將作相應變化。一般這種傳感器的二次側線圈有2個，接線方式又是差動的，故有稱為差動變壓器式傳感器?；ジ鞋F(xiàn)象：當一次側線圈通入激勵電流I1時，它將產生磁通11，一部分磁通12穿過次級線圈，產生互感電勢e磁鏈互感系數(shù)一、工作原理e1

初級線圈的激勵電壓L2a、L2b

次級線圈的電感R、L1

初級線圈的電阻和電感R2a、R2b

次級線圈的電阻

Ma、Mb

初級與次級線圈的互感系數(shù)N1

初級線圈的匝數(shù)N21、N22

次級線圈的匝數(shù)差動變壓器式傳感器差動變壓器等效電路在初級線圈中

次級線圈中的感應電勢

感應電勢的有效值

初始位置，銜鐵處于中間位置

當銜鐵上升L

當銜鐵下降LE2與E2a同相

E2與E2b同相

二、互感式傳感器的分類氣隙型：靈敏度高但測量范圍小，一般用于幾微米~幾百微米的位移。由于示值范圍小、非線性嚴重，已較少使用。截面型：測量直線位移極少，常用來測角位移。一般可分辨零點幾秒以下的微小角位移，線性范圍達100。螺管型：示值范圍大，自由行程可任意安排，裝配也較方便，因而獲得了較廣泛的應用?？蓽y量幾納米~1米的位移，但靈敏度稍低。各種差動變壓器三、輸出特性－零點殘余電壓

從理論上講，在銜鐵處于中間位置時輸出電壓應為零，但實際存在零點殘余電壓，它由這樣一些因素引起：兩個次級線圈不對稱初級線圈銅耗電阻的存在導磁體靠近的安裝位置、鐵芯長度等激磁頻率的高低鐵磁材質不均勻線圈間存在分布電容減小零點殘余電壓的方法盡可能保證傳感器幾何尺寸，線圈電氣參數(shù)和磁路的對稱。選用導磁性能好的材料制作保護外殼，這同時可起到磁屏蔽罩的作用?？刂畦F心的最大工作磁感強度，以便使磁路工作在磁化曲線的線性段，減小高次諧波。選用合適的測量電路可減小零位電壓輸出，如相敏檢波電路。這樣不僅可判別銜鐵的移動方向，還可減小零點殘余電壓。采用補償電路。補償電路基本原則：串聯(lián)電阻可以減小零點殘余電壓的基波份量；并聯(lián)電阻電容可以減小諧波分量；加反饋支路可減小基波和諧波分量。測量原理演示四、應用壓力測量加速度測量液面高度測量§4-3電渦流式傳感器廣泛用于測量位移、振動、厚度、轉速、溫度、硬度等及無損探傷工作原理金屬導體置于變化著的磁場中，或者在磁場中運動時，在金屬導體中會感應出一圈圈自相閉合的電流，這就是電渦流——渦流效應。形成渦流必備2個條件

電渦流的形成范圍電渦流的徑向形成范圍

與線圈外徑有固定的比例關系。電渦流的軸向貫穿深度

電渦流強度與距離的關系

電渦流傳感器的分類高頻反射式渦流傳感器低頻透射式渦流傳感器根據(jù)激勵頻率不同分為一、高頻反射式渦流傳感器

線圈上通交變高頻電流I1線圈產生高頻交變磁場H1產生高頻交變渦流I2渦流產生反磁場H2削弱原交變磁場H1導致線圈L、R、Q的改變二、低頻透射式渦流傳感器

UL1

同頻交變電流產生一交變磁場磁力線切割M

產生渦流i

到達L2的磁力線減少（無M時磁力線直接貫穿L2）

E的下降若將激勵頻率降低，渦流的貫穿深度會加厚，成為低頻透射式電渦流傳感器，常用來測金屬材料厚度。三、等效電路等效電路克希霍夫定律Z、L、Q四、轉換電路電橋電路：利用Z值諧振電路：利用L值調幅：調頻：五、渦流傳感器的應用

位移x的變化電量的變化可做成位移、振幅、厚度等傳感器電導率的變化電量的變化可做成表面溫度、材質判別等磁導率的變化電量的變化可做成應力、硬度等傳感器x、、的綜合影響可做成材料探傷裝置

1、位移測量渦流位移計

2、厚度測量3、振幅測量渦流振幅計

4、轉速測量渦流轉速計

5、渦流探傷儀

探測金屬材料的表面裂紋、熱處理裂紋及焊縫裂紋

6、溫度測量=0[1+(t-t0)]

保持其它條件不變，則t變化變化輸出電壓變化

可測鋼材壓延時壓滾溫度，液、氣態(tài)介質溫度，且測溫時有一個很大的特點是熱慣性?。s0.001s），動態(tài)響應好，能做快速測溫工作。7、自動控制中工件是否到位等的檢測接近開關

接近開關應用實例一接近開關應用實例二§4-4壓磁式傳感器壓磁效應

磁致伸縮效應：

鐵磁材料在磁場中磁化時，在磁場方向會伸長或縮短。（正、負）物體磁化時，不但在磁化方向上會伸長或縮短，在偏離磁化方向的其它方向上也同時伸長或縮短，只是隨著偏離角度的增大其伸長或縮短比逐漸減小，直到接近垂直于磁化方向反而要縮短或伸長。壓磁效應

鐵磁物體被磁化時如果受到限制（相當于外部加力）而不能伸縮，內部會產生應力，應力使各磁疇之間的界限發(fā)生移動，使磁疇磁化強度矢量轉動，也使材料的磁化強度矢量重新取向，從而改變了鐵磁材料的磁性質（磁導率），這種現(xiàn)象稱壓磁效應。

對正磁致伸縮材料而言，拉應力將使磁化方向轉向拉應力方向，加強拉應力方向的磁化，從而使拉應力方向的磁導率增大。反之壓應力將使磁化方向轉向垂直于壓應力的方向，削弱壓應力