傳感器與檢測(cè)技術(shù)第三章 電感式傳感器

傳感器與檢測(cè)技術(shù)第三章電感式傳感器第一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期六傳感器與檢測(cè)技術(shù)第三章電感式傳感器第三章電感式傳感器第一節(jié)自感式傳感器第二節(jié)互感式傳感器第三節(jié)電渦流式傳感器第四節(jié)壓磁式傳感器第二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期六傳感器與檢測(cè)技術(shù)第三章電感式傳感器原理電感式傳感器最基本原理是電磁感應(yīng)原理。傳感器電路被測(cè)物理量位移振動(dòng)壓力流量比重的變化自感系數(shù)L互感系數(shù)M的變化電壓電流第三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期六傳感器與檢測(cè)技術(shù)第三章電感式傳感器電感傳感器優(yōu)點(diǎn)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(fù)性好；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、輸出功率大、輸出阻抗小、抗干擾能力強(qiáng)、對(duì)工作環(huán)境要求不高、壽命長(zhǎng)能實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸、記錄、顯示和控制等。缺點(diǎn)：存在交流零位信號(hào)，不適于高頻動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)量。第四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期六傳感器與檢測(cè)技術(shù)第三章電感式傳感器電感式傳感器分類自感型——變磁阻式傳感器

互感型——差動(dòng)變壓器式傳感器渦流式傳感器——自感型和互感型都有高頻反射式——自感型低頻透射式——互感型第五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期六傳感器與檢測(cè)技術(shù)第三章電感式傳感器第一節(jié)自感式傳感器將被測(cè)對(duì)象的微小變化(x)電感的變化(L)傳感器運(yùn)動(dòng)部分與銜鐵相連，測(cè)物理量時(shí)，運(yùn)動(dòng)部分位移銜鐵位移氣隙厚度變化線圈自感系數(shù)L變化一、工作原理第六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期六傳感器與檢測(cè)技術(shù)第三章電感式傳感器自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(zhǎng)度(c)第七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期六傳感器與檢測(cè)技術(shù)第三章電感式傳感器第一節(jié)自感式傳感器二、電感計(jì)算及特性分析1．氣隙型傳感器第八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期六傳感器與檢測(cè)技術(shù)第三章電感式傳感器二、電感計(jì)算及特性分析為了減小非線性，可以利用兩只完全對(duì)稱的單個(gè)電感傳感器合用一個(gè)活動(dòng)銜鐵，這樣可構(gòu)成差動(dòng)式電感傳感器，如差動(dòng)式氣隙電感傳感器、差動(dòng)螺管電感傳感器等。其測(cè)量電路可使用非平衡電橋。第九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期六傳感器與檢測(cè)技術(shù)第三章電感式傳感器二、電感計(jì)算及特性分析2．螺管型電感傳感器差動(dòng)螺管式電感傳感器的電感相對(duì)變化量為第十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期六傳感器與檢測(cè)技術(shù)第三章電感式傳感器二、電感計(jì)算及特性分析螺管式電感傳感器的特點(diǎn)：(1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造裝配容易(2)由于空氣隙大，磁路的磁阻高，因此靈敏度低，但線性范圍大(3)由于磁路大部分為空氣，易受外部磁場(chǎng)干擾(4)由于磁阻高，為了達(dá)到某一電感量，需要的線圈匝數(shù)多，因而線圈分布電容大(5)要求線圈框架尺寸和形狀必須穩(wěn)定，否則影響其線性和確定性。第十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期六傳感器與檢測(cè)技術(shù)第三章電感式傳感器自感式傳感器的分類比較第十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期六傳感器與檢測(cè)技術(shù)第三章電感式傳感器第一節(jié)自感式傳感器三、轉(zhuǎn)換電路和傳感器靈敏度（一）轉(zhuǎn)換電路主要有調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相電路

1.交流電橋第十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期六傳感器與檢測(cè)技術(shù)第三章電感式傳感器三、轉(zhuǎn)換電路和傳感器靈敏度(1)當(dāng)Q值很高時(shí)，有

對(duì)氣隙式差動(dòng)傳感器有

對(duì)螺管型差動(dòng)傳感器有

第十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期六傳感器與檢測(cè)技術(shù)第三章電感式傳感器三、轉(zhuǎn)換電路和傳感器靈敏度（2）當(dāng)Q值很低時(shí)電感線圈的電感遠(yuǎn)小于電阻，電感線圈相當(dāng)于純電阻的情況，交流電橋即為電阻電橋。此時(shí)輸出電壓為這種電橋結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其電阻可用兩個(gè)電阻和一個(gè)電位器組成，調(diào)零方便。第十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期六傳感器與檢測(cè)技術(shù)第三章電感式傳感器三、轉(zhuǎn)換電路和傳感器靈敏度2.變壓器電橋

雙臂工作時(shí)，若Z1=Z+ΔZ，Z2=Z-ΔZ

若Z1=Z-ΔZ，Z2=Z+ΔZ，可得第十六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期六傳感器與檢測(cè)技術(shù)第三章電感式傳感器三、轉(zhuǎn)換電路和傳感器靈敏度3.調(diào)頻電路

4.調(diào)相電路

第十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期六傳感器與檢測(cè)技術(shù)第三章電感式傳感器三、轉(zhuǎn)換電路和傳感器靈敏度（二）傳感器靈敏度

自感傳感器的靈敏度是指?jìng)鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)（測(cè)頭）和轉(zhuǎn)換電路綜合在一起的總靈敏度。傳感器結(jié)構(gòu)的靈敏度，即電感值相對(duì)變化與引起這一變化的銜鐵位移之比

轉(zhuǎn)換電路的靈敏度，即空載輸出電壓與電感相對(duì)變化之比

第十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期六傳感器與檢測(cè)技術(shù)第三章電感式傳感器三、轉(zhuǎn)換電路和傳感器靈敏度傳感器的靈敏度為

在工廠生產(chǎn)中測(cè)定的傳感器的靈敏度是把傳感器接入轉(zhuǎn)換電路后進(jìn)行的，其單位為mv/(μm·V)。第十九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期六傳感器與檢測(cè)技術(shù)第三章電感式傳感器第一節(jié)自感式傳感器四、影響傳感器精度的因素分析1.電源電壓和頻率的波動(dòng)影響電源電壓的波動(dòng)一般允許為5%～10%。嚴(yán)格對(duì)稱的交流電橋是能夠補(bǔ)償頻率波動(dòng)影響的2.

溫度變化的影響為了補(bǔ)償溫度變化的影響，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要合理選擇零件的材料（注意各種材料的膨脹系數(shù)之間的配合），在制造和裝配工藝上應(yīng)使差動(dòng)式傳感器的兩只線圈的電氣參數(shù)（電阻、電感、匝數(shù)）和幾何尺寸盡可能取得一致。這樣可以在對(duì)稱電橋電路中能有效地補(bǔ)償溫度的影響。3.非線性特性的影響除了采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)之外，還必須限制銜鐵的最大位移量第二十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期六傳感器與檢測(cè)技術(shù)第三章電感式傳感器四、影響傳感器精度的因素分析4.輸出電壓與電源電壓之間的相差采用相敏整流電路，以及傳感器應(yīng)有高Q值，一般Q值應(yīng)不低于3～45.電橋的殘余不平衡電壓———零點(diǎn)殘余電壓零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生的原因有：(1)差動(dòng)式兩個(gè)電感線圈的電氣參數(shù)以及導(dǎo)磁體的幾何尺寸不可能完全對(duì)稱；(2)傳感器具有鐵損即磁芯磁化曲線的非線性；(3)電源電壓中含有高次諧波；(4)線圈具有寄生電容，線圈與外殼、鐵芯間有分布電容；零點(diǎn)殘余電壓的危害很大，會(huì)降低測(cè)量精度，削弱分辨力，易使放大器飽和。第二十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期六傳感器與檢測(cè)技術(shù)第三章電感式傳感器四、影響傳感器精度的因素分析減小零點(diǎn)殘余電壓的措施是減少電源中的諧波成分，減小電感傳感器的激磁電流，使之工作在磁化曲線的線性段。為了消除電橋的零點(diǎn)殘余電壓，在差動(dòng)電感電橋的電路中通常再接入兩只可調(diào)電位器，當(dāng)電壓有零點(diǎn)殘余電壓時(shí)，可以反復(fù)調(diào)節(jié)兩只電位器，使電橋?qū)崿F(xiàn)平衡。第二十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期六傳感器與檢測(cè)技術(shù)第三章電感式傳感器第一節(jié)自感式傳感器五、自感式傳感器的應(yīng)用第二十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期六傳感器與檢測(cè)技術(shù)第三章電感式傳感器第二節(jié)互感式傳感器將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為傳感器的互感變化量的傳感器稱為互感傳感器一、工作原理設(shè)

則又因此第二十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期六傳感器與檢測(cè)技術(shù)第三章電感式傳感器第二節(jié)互感式傳感器二、互感計(jì)算與特性分析當(dāng)鐵芯位于線圈中心位置時(shí),U1=U2,UO=0;當(dāng)次級(jí)開路時(shí)，初級(jí)線圈的交流電流為

次級(jí)線圈感應(yīng)電勢(shì)為

第二十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期六傳感器與檢測(cè)技術(shù)第三章電感式傳感器二、互感計(jì)算與特性分析差動(dòng)變壓器的空載輸出電壓為其幅值為

輸出阻抗為

(1)磁芯處于中間平衡位置時(shí)Ma=Mb=MUO=0(2)磁芯上升時(shí)Ma=M+ΔM,Mb=M-ΔM(3)磁芯下降時(shí)Ma=M-ΔM,Mb=M+ΔM第二十六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期六傳感器與檢測(cè)技術(shù)第三章電感式傳感器二、互感計(jì)算與特性分析輸出電壓還可以寫成假設(shè)：(1)漏磁全部在動(dòng)鐵芯范圍內(nèi)，并忽略鐵芯端部效應(yīng)(2)忽略動(dòng)鐵芯及外層鐵磁殼上的磁阻(3)設(shè)動(dòng)鐵芯外徑近似為ri(4)鐵芯及磁屏蔽的磁導(dǎo)率為無窮大第二十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期六傳感器與檢測(cè)技術(shù)第三章電感式傳感器二、互感計(jì)算與特性分析如果用恒壓流供電，其線性度可以改善，此時(shí)有第二十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期六傳感器與檢測(cè)技術(shù)第三章電感式傳感器二、互感計(jì)算與特性分析提高差動(dòng)變壓器的靈敏度的途徑：(1)提高線圈的Q值，為此可增大差動(dòng)變壓器的尺寸。一般線圈長(zhǎng)度為直徑的1.5-2.0倍為恰當(dāng)。(2)選擇較高的激勵(lì)頻率(3)增大鐵芯直徑，使其接近于線圈架內(nèi)徑，但不觸及線圈架。二節(jié)式差動(dòng)變壓器的鐵芯長(zhǎng)度為全長(zhǎng)的60%-80%。鐵芯采用導(dǎo)磁率高，鐵損小，渦流損耗小的材料(4)在不使線圈過熱的條件下盡量提高激勵(lì)電壓。第二十九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期六傳感器與檢測(cè)技術(shù)第三章電感式傳感器第二節(jié)互感式傳感器三、轉(zhuǎn)換電路1．反串電路2．橋路第三十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期六傳感器與檢測(cè)技術(shù)第三章電感式傳感器第二節(jié)互感式傳感器3．差動(dòng)整流電路第三十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期六傳感器與檢測(cè)技術(shù)第三章電感式傳感器第二節(jié)互感式傳感器4．相敏檢波電路當(dāng)差動(dòng)變壓器鐵芯在中間位置時(shí)，UCD=0若鐵芯上移，e≠0，設(shè)e和er同相，er正半周時(shí),UCD=R0（i1-i2）>0；er負(fù)半周時(shí)，UCD=R0（i4-i3）>0。當(dāng)鐵芯下移時(shí)，e和er反相，同理可得UCD<0

。Ri1～e1R1R2e21e22C2C1er移相器D1D4D3D2CDABi3i2i4e第三十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期六傳感器與檢測(cè)技術(shù)第三章電感式傳感器第二節(jié)互感式傳感器四、零點(diǎn)殘余電壓的補(bǔ)償產(chǎn)生零點(diǎn)殘余電壓的主要原因：（1）兩個(gè)繞組不能絕對(duì)對(duì)稱。（2）鐵芯的磁化曲線的非線性。消除零點(diǎn)殘余電壓的方法：1．保證對(duì)稱性2．選用合適的測(cè)量線3．用補(bǔ)償線路第三十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期六傳感器與檢測(cè)技術(shù)第三章電感式傳感器第二節(jié)互感式傳感器五、應(yīng)用舉例1、微壓力變送器將差動(dòng)變壓器和彈性敏感元件（膜片、膜盒和彈簧管等）相結(jié)合，可以組成各種形式的壓力傳感器。第三十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期六傳感器與檢測(cè)技術(shù)第三章電感式傳感器1.微壓力變送器這種變送器可分檔測(cè)量(–5×105～6×105)N/m2壓力，輸出信號(hào)電壓為(0～50)mV，精度為1.5級(jí)。

～220VV振蕩器穩(wěn)壓電源差動(dòng)變壓器相敏檢波電路第三十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期六傳感器與檢測(cè)技術(shù)第三章電感式傳感器五、應(yīng)用舉例2.差動(dòng)變壓器式加速度傳感器用于測(cè)定振動(dòng)物體的頻率和振幅時(shí)其激磁頻率必須是振動(dòng)頻率的十倍以上，才能得到精確的測(cè)量結(jié)果?？蓽y(cè)量的振幅為(0.1～5)mm，振動(dòng)頻率為(0～150)Hz。(a)加速度a方向1彈性支承2差動(dòng)變壓器穩(wěn)壓電源振蕩器檢波器濾波器(b)～220Va輸出21第三十六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期六傳感器與檢測(cè)技術(shù)第三章電感式傳感器五、應(yīng)用舉例3、液面高度測(cè)量4、電感式滾柱直徑分選裝置電感式滾柱直徑分選裝置.exe第三十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期六傳感器與檢測(cè)技術(shù)第三章電感式傳感器第三節(jié)電渦流式傳感器渦流效應(yīng):金屬導(dǎo)體置于變化著的磁場(chǎng)中，導(dǎo)體內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流像水中旋渦那樣在導(dǎo)體內(nèi)轉(zhuǎn)圈，所以稱為電渦流或渦流。這種現(xiàn)象就稱為渦流效應(yīng)。第三十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期六傳感器與檢測(cè)技術(shù)第三章電感式傳感器第三節(jié)電渦流式傳感器渦流穿透深度與傳感器線圈的激勵(lì)信號(hào)頻率有關(guān)高頻反射式渦流傳感器—自感型低頻透射式渦流傳感器—互感型目前高頻反射式電渦流傳感器應(yīng)用廣泛。根據(jù)激勵(lì)頻率不同分為ρ

—導(dǎo)體電阻率(Ω·m)；μr —導(dǎo)體相對(duì)磁導(dǎo)率；f —交變磁場(chǎng)頻率(Hz)。第三十九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期六傳感器與檢測(cè)技術(shù)第三章電感式傳感器一、高頻反射式渦流傳感器線圈上通交變高頻電流線圈產(chǎn)生高頻交變磁場(chǎng)產(chǎn)生高頻交變渦流渦流產(chǎn)生反磁場(chǎng)阻礙線圈電流交換作用等效于L或阻抗的改變第四十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期六傳感器與檢測(cè)技術(shù)第三章電感式傳感器二、低頻透射式渦流傳感器

UL1

同頻交變電流產(chǎn)生一交變磁場(chǎng)磁力線切割M

產(chǎn)生渦流I

到達(dá)L2的磁力線減少（無M時(shí)磁力線直接貫穿L2）

E的下降

第四十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期六傳感器與檢測(cè)技術(shù)第三章電感式傳感器三、等效電路第四十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期六傳感器與檢測(cè)技術(shù)第三章電感式傳感器四、轉(zhuǎn)換電路現(xiàn)在電渦流傳感器常用的測(cè)量電路有調(diào)幅電路，調(diào)頻電路，電橋電路和反饋放大電路幾種。調(diào)幅電路又可分成恒定頻率的載波調(diào)幅電路和頻率變化載波調(diào)幅電路兩種。第四十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期六傳感器與檢測(cè)技術(shù)第三章電感式傳感器四、轉(zhuǎn)換電路反饋放大電路第四十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期六傳感器與檢測(cè)技術(shù)第三章電感式傳感器五、電渦流傳感器的應(yīng)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(dǎo)率的變化電量的變化可做成表面溫度、電解質(zhì)濃度、材質(zhì)判別等磁導(dǎo)率的變化電量的變化可做成應(yīng)力、硬度等傳感器x、、的綜合影響可做成材料探傷裝置第四十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期六傳感器與檢測(cè)技術(shù)第三章電感式傳感器1、位移測(cè)量渦流位移計(jì)第四十六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期六傳感器與檢測(cè)技術(shù)第三章電感式傳感器2、振幅測(cè)量渦流振幅計(jì)3、厚度測(cè)量第四十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期六傳感器與檢測(cè)技術(shù)第三章電感式傳感器4、轉(zhuǎn)速測(cè)量渦流轉(zhuǎn)速計(jì)第四十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期六傳感器與檢測(cè)技術(shù)第三章電感式傳感器5、溫度測(cè)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(cè)鋼材壓延時(shí)壓滾溫度，液、氣態(tài)介質(zhì)溫度，且測(cè)溫時(shí)有一個(gè)很大的特點(diǎn)是熱慣性?。s0.001s），動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，能做快速測(cè)溫工作。第四十九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期六傳感器與檢測(cè)技術(shù)第三章電感式傳感器6、自動(dòng)控制中工件是否到位等的檢測(cè)接近開關(guān)第五十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期六傳感器與檢測(cè)技術(shù)第三章電感式傳感器接近開關(guān)應(yīng)用實(shí)例一第五十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期六傳感器與檢測(cè)技術(shù)第三章電感式傳感器接近開關(guān)應(yīng)用實(shí)例二第五十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期六傳感器與檢測(cè)技術(shù)第三章電感式傳感器總結(jié)傳感元件或傳感器原始輸入量變換原理物理現(xiàn)象能量關(guān)系輸出量變磁阻式位移電磁感應(yīng)結(jié)構(gòu)型控制型自感系數(shù)差動(dòng)變壓器式位移電磁感應(yīng)結(jié)構(gòu)型控制型互感系數(shù)渦流式位移、厚度、電阻率磁導(dǎo)率渦流效應(yīng)結(jié)構(gòu)型控制型渦流第五十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期六傳感器與檢測(cè)技術(shù)第三章電感式傳感器第四節(jié)壓磁式傳感器一、壓磁效應(yīng)鐵磁材料在外力的作用下，材料的磁化強(qiáng)度