-電感式傳感器-課件

2023/7/201第4章電感式傳感器把被測參量轉(zhuǎn)換為電感變化的傳感器自感式電感傳感器互感式傳感器電渦流式傳感器☆☆☆☆☆☆inductance2023/7/202電感傳感器的基本工作原理演示F220V準(zhǔn)備工作2023/7/203電感傳感器的基本工作原理演示氣隙變小，電感變大，電流變小F2023/7/204第四章電感式傳感器原理：利用磁路磁阻變化，引起傳感器線圈的電感（自感L或互感M）的變化。優(yōu)點結(jié)構(gòu)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)境要求不高分辨力較高穩(wěn)定性好缺點頻率響應(yīng)低不宜于快速動態(tài)測量inductor2023/7/205按磁路幾何參數(shù)變化

變氣隙式、變面積式、螺管式按線圈組成方式

單一式，差動式電感式傳感器種類自感式傳感器互感式傳感器電渦流式傳感器分類今日要點

電渦流式傳感器自感式傳感器

互感式傳感器

實際工程應(yīng)用案例今日要點測量電路

※交流電橋式測量電路

※變壓器式交流電橋

※

諧振式測量電路

自感式傳感器

※變氣隙式自感傳感器

※變面積式自感傳感器

※螺旋型自感傳感器

2023/7/2084.1自感式傳感器(變磁阻式傳感器)一、變氣隙式自感傳感器單一式1—線圈，2—鐵心3—銜鐵線圈自感：W—線圈的匝數(shù)，Rmi—i段的磁阻RM—磁路總磁阻第i段磁路的平均長度第i段磁路的橫截面積第i段磁路的導(dǎo)磁率又self-inductor2023/7/209當(dāng)時所以：：氣隙的厚度：磁路導(dǎo)磁率：磁路相對導(dǎo)磁率：空氣的導(dǎo)磁率d磁阻鐵芯銜鐵磁阻氣隙磁阻2023/7/2010一般情況下：∴要改變Lδ

氣隙厚度

S0氣隙截面積

氣隙導(dǎo)磁率在中2023/7/2011（i）當(dāng)銜鐵下移：<<D1dd-=0LLLD0ddD=L0當(dāng)單一變氣隙式自感傳感器輸出特性2023/7/201201dd-=D-=DL0Lk當(dāng)銜鐵上移同理靈敏度：L0δ0L0-ΔLδ

0+ΔδL0+ΔLδ

0-ΔδLδ∴2023/7/2013

由此可見,變間隙式電感傳感器的測量范圍與靈敏度及線性度相矛盾,所以變隙式電感傳感器用于測量微小位移時是比較精確的。為了減小非線性誤差,實際測量中廣泛采用差動變間隙式電感傳感器。2023/7/2014靈敏度：差動式傳感器結(jié)構(gòu)圖①差動式比單線圈式的靈敏度高一倍。②差動式的非線性項等于單線圈非線性項乘以（Δδ/δ0）因子,線性度得到明顯改善。

差動變氣隙式自感傳感器輸出特性L1L2結(jié)論2023/7/2015例題分析已知變氣隙電感傳感器的鐵心截面積S=1.5cm2，磁路長度L=20cm，相對磁導(dǎo)率μr=5000，氣隙厚度δ0=0.5cm，Δδ=±0.1mm，真空磁導(dǎo)率μ0=4π×10-7H/m，線圈匝數(shù)w=3000，單一式傳感器的靈敏度ΔL/Δδ，若做成差動結(jié)構(gòu)形式，其靈敏度將如何變化？解：2023/7/2016二、變面積型自感傳感器單一式D±=SSS0D±=WSSL2)(200dm=WSL02200dm忽略

RF初始電感：單一式變面積型12δaΔ3+2023/7/2017差動式差動式變截面積+2023/7/2018三、螺旋型自感傳感器1—螺管線圈2—銜鐵3—磁性套筒假設(shè)線圈的長徑比L/r>>1線圈內(nèi)部的磁場認(rèn)為是均勻的則：空心線圈的電感l(wèi)0—線圈的長度，r—線圈的半徑W—線圈的匝數(shù)+2023/7/2019插入后其覆蓋的那部分線圈局部電感增大,據(jù)推導(dǎo)xSWLcxr-=D20)1(mmWX：線圈覆蓋匝數(shù)式中SC：銜鐵面積2πrc

x：銜鐵插入線圈的長度xlrWcr·-=2220)1(pmmxSWLcxr-=D20)1(mm∴聯(lián)系L0和L表達式得()-=DlxrrL0Lcr221m.+2023/7/2020單一式線圈沿軸向位置移動差動式令銜鐵處于線圈1，2的中間位置+2023/7/2021當(dāng)銜鐵處于中間位置時，x1=x2=x0,L1=L2若偏離中心位置時：三種自感傳感器的比較變面積式、螺旋式傳感器線性度好，示值范圍大變氣隙式傳感器非線性強，示值范圍小變氣隙式傳感器靈敏度高，螺旋式傳感器最低螺旋式比變面積式傳感器互換性好+2023/7/2022

上面分析時，將自感線圈看成理想的純電感，實際上存在損耗。RC——線圈銅耗電阻Re——鐵心渦流損耗電阻Rh——磁滯損耗電阻C——線圈的寄生電容更換電纜后必須重新校準(zhǔn)或采用并聯(lián)電容調(diào)準(zhǔn)等效電路四、等效電路2023/7/2023交流電橋測量電路

五、測量電路交流電橋式測量電路交流電橋測量電路,電源電壓為UAC、輸出電壓為U0

。把傳感器的兩個線圈作為電橋的兩個橋臂Z1和Z2,另外二個相鄰的橋臂用純電阻代替。

當(dāng)：電橋平衡時U0=02023/7/20241.交流電橋式測量電路對于高Q值（Q=ωL/R）的差動式電感傳感器,其輸出電壓：

將ΔL=2L0（Δδ/δ0）代入，得出電橋輸出電壓與Δδ有成正比。2023/7/20252023/7/20262.變壓器式交流電橋變壓器式交流電橋測量電路如圖所示,電橋兩臂Z1、Z2為傳感器線圈阻抗,另外兩橋臂為交流變壓器次級線圈的1/2阻抗。當(dāng)負(fù)截阻抗為無窮大時,橋路輸出電壓變壓器式電橋測量電路2023/7/2027當(dāng)傳感器的銜鐵處于中間位置，即：Z1=Z2=Z時有=0,電橋平衡。當(dāng)傳感器銜鐵上移時，即Z1=Z-ΔZ,Z2=Z+ΔZ,此時當(dāng)傳感器銜鐵下移時

由于是交流電壓,輸出指示無法判斷位移方向,必須配合相敏檢波電路來解決。2023/7/20283.諧振式測量電路諧振式測量電路有諧振式調(diào)幅電路、諧振式調(diào)頻電路如圖所示。諧振式調(diào)幅電路諧振式調(diào)頻電路2023/7/2029

在調(diào)幅電路中,傳感器電感L與電容C、變壓器原邊串聯(lián)在一起,接入交流電源,變壓器副邊將有電壓輸出,輸出電壓的頻率與電源頻率相同,而電壓幅值隨著電感L而變化。關(guān)系曲線表明,其中L0為諧振點的電感值,此電路靈敏度很高,但線性差,適用于線性要求不高的場合。諧振式調(diào)幅電路2023/7/2030

調(diào)頻電路的基本原理是傳感器電感L變化將引起輸出電壓頻率的變化。一般是把傳感器電感L和電容C接入一個振蕩回路中。當(dāng)L變化時,振蕩頻率隨之變化,根據(jù)f的大小即可測出被測量的值。特性曲線表明,它具有明顯的非線性關(guān)系。諧振式調(diào)頻電路今日要點測量電路

※差動整流電路

※相敏檢波電路互感式傳感器（差動變壓器式）

※

工作原理

※輸出特性

※測量電路

☆☆2023/7/20324.2互感式傳感器(差動變壓式)

被測量使銜鐵移動，引起初次級線圈間的互感變化，形成輸出電壓的變化。M1M2差動變壓器等效電路mutual-inductor2023/7/203311LjrUIw+=&&11一、工作原理輸出電壓輸出阻抗M1M2差動變壓器等效電路2023/7/2034①當(dāng)銜鐵處中間位置②當(dāng)銜鐵偏離中間位置2023/7/2035實際特性曲線理論特性曲線ΔU0零點殘余電壓差動變壓器

輸出電壓特性曲線+2023/7/2036實際上,當(dāng)銜鐵位于中心位置時,差動變壓器輸出電壓并不等于零,我們把差動變壓器在零位移時的輸出電壓稱為零點殘余電壓。零點殘余電壓主要是由傳感器的兩次級繞組的電氣參數(shù)與幾何尺寸不對稱，以及磁性材料的非線性等問題引起的。零點殘余電壓一般在幾十毫伏以下，在實際使用時，應(yīng)設(shè)法減小。2023/7/2037(a,b,c)變氣隙式、(d,e)變面積式、(f)螺旋式差動變壓器結(jié)構(gòu)2023/7/2038二、測量電路：差動變壓器輸出的是交流電壓,若用交流電壓表測量,只能反映銜鐵位移的大小,而不能反映移動方向。測量值中將包含零點殘余電壓。為了達到能辨別移動方向和消除零點殘余電壓的目的,實際測量時,常常采用差動整流電路和相敏檢波電路。09:4139橋路聯(lián)接橋路的靈敏度是反串聯(lián)接法的一半，由于有Rω，則無需調(diào)零電路。結(jié)論1.差動整流電路22212UUU-=反串聯(lián)接)(21)(2122212222212UUUUUU-=-+=1U22U21U2UU22U21U0UR1R2RW+2023/7/2040全波電流輸出當(dāng)銜鐵位于零位當(dāng)銜鐵位于零位以上當(dāng)銜鐵位于零位以下Iab＝I1－I2I1＝I2Iab＝0I1>I2Iab>0I1<I2Iab<0半波電流輸出2023/7/2041電流輸出型電路，用在低阻抗負(fù)載場合電壓輸出型電路，用在高阻抗負(fù)載場合注意當(dāng)銜鐵位于零位當(dāng)銜鐵位于零位以上當(dāng)銜鐵位于零位以下Uab＝Uac－UbcUac＝UbcUab＝0Uac>UbcUab>0Uac<UbcUab<0全波電壓輸出半波電壓輸出2023/7/20422.相敏檢波電路u0的幅值要遠(yuǎn)大于輸入信號u2的幅值,以便有效控制四個二極管的導(dǎo)通狀態(tài)。u0和u2由同一振蕩器供電，保證二者同頻、同相或反相。輸入檢測信號u2參考信號u02023/7/2043★設(shè)位移Δx>0u2與u0同頻同相★若u2與u0均為正半周

VD1、ＶD4截止

VD2、VD3導(dǎo)通可得等效電路：

(n1,2是T1,2的變壓比)2023/7/2044★當(dāng)u2、u0均為負(fù)半周

VD2、VD3截止

VD1、VD4導(dǎo)通

只要位移Δx>0,不論u2與u0是正半周還是負(fù)半周,負(fù)載RL兩端得到的電壓uL均為正。結(jié)論：2023/7/2045同理，當(dāng)Δx<0時,u2與u0為同頻反相。采用上述相同的分析方法不難得到當(dāng)Δx<0時,不論u2與u0是正半周還是負(fù)半周,負(fù)載電阻RL兩端得到的輸出電壓uL表達式總是為負(fù)。

所以上述相敏檢波電路輸出電壓uL的變化規(guī)律充分反映了被測位移量的變化規(guī)律,即uL的值反映位移Δx的大小,而uL的極性則反映了位移Δx的方向。2023/7/2046優(yōu)點：實現(xiàn)非接觸式測量4.3電渦流式傳感器eddycurrent今日要點電渦流式傳感器

1、工作原理

2、電渦流傳感器分類

3、應(yīng)用舉例☆2023/7/2048一、基本原理1.電渦流效應(yīng)

成塊的金屬置于激勵線圈產(chǎn)生的交變磁場中，金屬體內(nèi)則產(chǎn)生感應(yīng)電流，電流流線呈閉合的水渦曲線——電渦流效應(yīng)。DXbd金屬導(dǎo)體線圈2R2rh2023/7/2049I2/I1X/DI2－金屬導(dǎo)體上的電渦流強度I1－激勵線圈中的電流X

－金屬導(dǎo)體表面至線圈的距離D－激勵線圈的外直徑2.金屬導(dǎo)體上的電渦流強度與距離的關(guān)系：I2正比于I1I2隨X/D的增加而減少式中X/D=0.025-0.075時線性好，靈敏度高2023/7/20503.由于趨膚效應(yīng)，電渦流只能在金屬導(dǎo)體靠近激勵線圈的表面薄層形成，電渦流的軸向滲透深度：ρ－金屬導(dǎo)體的電阻率μ－金屬導(dǎo)體的導(dǎo)磁率f

－激磁頻率h2r2R2R＝1.39D2r＝0.525D其中：R－電渦流區(qū)的外半徑r－電渦流區(qū)的內(nèi)半徑D－激勵線圈的外直徑金屬導(dǎo)體表面不應(yīng)少于激勵線圈外徑的兩倍。2023/7/20514.電渦流傳感器分類：I透射式電渦流傳感器工作過程：金屬板越厚U2越小渦流損失大d—金屬板的厚度h—渦流貫穿深度k—比例常數(shù)22111ULHIU????2023/7/2052II反射式電渦流傳感器：（i）工作過程（ii）等效電路互感M與線圈至導(dǎo)體的距離X成反比方向相反22111HIHIU????M。。1U1I2I+2023/7/2053iii）等效電路的電壓平衡方程Q0＝ωL1/R1Q0－為品質(zhì)因素式中：Z＝R+jωL為等效阻抗，即()()?íì=-+=-+0122212111IMjLjRIUIMjLjRIwwww11IUZ=;22222222122222222111?????íì+-=++==LRMLLLLRMRRRZIUwwwwM。。1U1I2I+2023/7/2054由上可知ρ為變量x

為變量μ為變量ρx

變化→其余參數(shù)不變→→其余參數(shù)不變→判別材質(zhì)位移，厚度，振動，轉(zhuǎn)速等應(yīng)力，硬度等探傷裝置→其余參數(shù)不變→→其余參數(shù)不變→產(chǎn)生渦流時，Q