傳感器與檢測技術-課件第三章

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第3章電感式傳感器2023/7/261第3章電感式傳感器2023/7/272電感式傳感器電感式傳感器可用來測量位移、壓力、流量、振動等非電量，其主要特點是結構簡單、工作可靠、靈敏度高；測量精度高、輸出功率較大；可實現(xiàn)信息的遠距離傳輸、記錄、顯示和控制，在工業(yè)自動控制系統(tǒng)中被廣泛應用。但其靈敏度、線性度和測量范圍相互制約；傳感器自身頻率響應低，不適用于快速動態(tài)測量。電感式傳感器是建立在電磁感應的基礎上，利用線圈自感或互感來實現(xiàn)非電量的檢測。本章主要介紹：自感式傳感器（利用自感原理）；差動變壓器式傳感器（利用互感原理）；電渦流式傳感器（利用渦流原理）。2023/7/262電感式傳感器電感式傳感器可用來測量位移、2023/7/2733.1自感式傳感器

自感式傳感器由線圈、鐵心和銜鐵三部分組成。鐵心和銜鐵由導磁材料制成。自感式傳感器是把被測量的變化轉換成自感L的變化，通過一定的轉換電路轉換成電壓或電流輸出。按磁路幾何參數(shù)變化形式的不同，自感式傳感器可分為變氣隙式、變截面積式和螺線管式三種2023/7/2633.1自感式傳感器自感式傳感器由線圈、2023/7/274內容3.1.1基本工作原理3.1.2自感式傳感器的測量電路3.1.3自感式傳感器應用2023/7/264內容3.1.1基本工作原理2023/7/275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F2023/7/265電感傳感器的基本工作原理演示氣隙變小，電2023/7/2763.1.1基本工作原理線圈的自感量等于線圈中通入單位電流所產生的磁鏈數(shù)，即線圈的自感系數(shù)為磁鏈，為磁通（Wb），I為流過線圈的電流（A），N為線圈匝數(shù)。根據(jù)磁路歐姆定律：，為磁導率，S為磁路截面積，為磁路總長度。2023/7/2663.1.1基本工作原理線圈的自感量等2023/7/277線圈的電感量

為磁路的磁阻

變磁阻式傳感器2023/7/267線圈的電感量2023/7/278結論只要被測非電量能夠引起空氣隙長度或等效截面積發(fā)生變化，線圈的電感量就會隨之變化。電感式傳感器從原理上可分為變氣隙長度式和變氣隙截面式兩種類型，前者常用于測量直線位移，后者常用于測量角位移。2023/7/268結論只要被測非電量能夠引起空氣隙長度或等2023/7/279自感式傳感器2023/7/269自感式傳感器2023/7/27101．變氣隙式（閉磁路式）自感傳感器

由電感式可知，變氣隙長度式傳感器的線性度差、示值范圍窄、自由行程小，但在小位移下靈敏度很高，常用于小位移的測量。1—線圈2—鐵芯3—銜鐵2023/7/26101．變氣隙式（閉磁路式）自感傳感器由2023/7/27112．螺線管式（開磁路式）自感式傳感器螺線管式自感式傳感器常采用差動式。它是在螺線管中插入圓柱形鐵芯而構成的。其磁路是開放的，氣隙磁路占很長的部分。有限長螺線管內部磁場沿軸線非均勻分布，中間強，兩端弱。插入鐵芯的長度不宜過短也不宜過長，一般以鐵芯與線圈長度比為0.5、半徑比趨于1為宜。鐵磁材料的選取決定于供橋電源的頻率，500Hz以下多用硅鋼片，500Hz以上多用薄膜合金，更高頻率則選用鐵氧體。從線性度考慮，匝數(shù)和鐵芯長度有一最佳數(shù)值，應通過實驗選定。2023/7/26112．螺線管式（開磁路式）自感式傳感器2023/7/2712結構差動式電感傳感器對外界影響，如溫度的變化、電源頻率的變化等基本上可以互相抵消，銜鐵承受的電磁吸力也較小，從而減小了測量誤差。1—測桿2—銜鐵3—線圈2023/7/2612結構差動式電感傳感器對外界影響，如溫度2023/7/2713特性從輸出特性曲線（如圖4-5所示）可以看出，差動式電感傳感器的線性較好，且輸出曲線較陡，靈敏度約為非差動式電感傳感器的兩倍。1、2—L1、L2的特性3—差動特性2023/7/2613特性從輸出特性曲線（如圖4-5所示）可2023/7/27143.1.2自感式傳感器的測量電路自感式傳感器的測量電路用來將電感量的變化轉換成相應的電壓或電流信號，以便供放大器進行放大，然后用測量儀表顯示或記錄。測量電路有交流分壓式、交流電橋式和諧振式等多種，常用的差動式傳感器大多采用交流電橋式。交流電橋的種類很多，差動形式工作時其電橋電路常采用雙臂工作方式。兩個差動線圈Z1和Z2分別作為電橋的兩個橋臂，另外兩個平衡臂可以是電阻或電抗，或者是帶中心抽頭的變壓器的兩個二次繞組或緊耦合線圈等形式。2023/7/26143.1.2自感式傳感器的測量電路自感2023/7/27151．變壓器交流電橋電橋有兩臂為傳感器的差動線圈的阻抗，所以該電路又稱為差動交流電橋變壓器式交流電橋電路圖2023/7/26151．變壓器交流電橋電橋有兩臂為傳感器2023/7/2716分析設O點為電位參考點，根據(jù)電路的基本分析方法，可得到電橋輸出電壓為當傳感器的活動鐵芯處于初始平衡位置時，兩線圈的電感相等，阻抗也相等，即，其中表示活動鐵芯處于初始平衡位置時每一個線圈的阻抗。電橋輸出電壓，電橋處于平衡狀態(tài)。2023/7/2616分析設O點為電位參考點，根據(jù)電路的基本2023/7/2717變化時當鐵芯向一邊移動時，則一個線圈的阻抗增加，2023/7/2617變化時當鐵芯向一邊移動時，則一個線圈的2023/7/2718變化后的電壓當傳感器線圈為高Q值時，則線圈的電阻遠小于其感抗當活動鐵芯向另一邊（反方向）移動時差動式自感傳感器采用變壓器交流電橋為測量電路時，電橋輸出電壓既能反映被測體位移量的大小，又能反映位移量的方向，且輸出電壓與電感變化量呈線性關系。2023/7/2618變化后的電壓當傳感器線圈為高Q值時，則2023/7/27192．帶相敏整流的交流電橋上述變壓器式交流電橋中，由于采用交流電源，則不論活動鐵芯向線圈的哪個方向移動，電橋輸出電壓總是交流的，即無法判別位移的方向。常采用帶相敏整流的交流電橋.

2023/7/26192．帶相敏整流的交流電橋上述變壓器式2023/7/2720結構帶相敏整流的交流電橋電路2023/7/2620結構帶相敏整流的交流電橋電路2023/7/2721（1）初始平衡位置時當差動式傳感器的活動鐵芯處于中間位置時，傳感器兩個差動線圈的阻抗Z1=Z2=Z0，其等效電路如圖所示。鐵芯處于初始平衡位置時的等效電路2023/7/2621（1）初始平衡位置時當差動式傳感器的活2023/7/2722（2）活動鐵芯向一邊移動時當活動鐵芯向線圈的一個方向移動時，傳感器兩個差動線圈的阻抗發(fā)生變化，等效電路如圖4-9所示。鐵芯向線圈一個方向移動時的等效電路2023/7/2622（2）活動鐵芯向一邊移動時當活動鐵芯2023/7/2723結果在Ui的正半周在Ui的負半周2023/7/2623結果在Ui的正半周在Ui的負半周2023/7/2724只要活動鐵芯向一方向移動，無論在交流電源的正半周還是負半周，電橋輸出電壓均為正值。2023/7/2624只要活動鐵芯向一方向移動，無論在交流電2023/7/2725（3）活動鐵芯向相反方向移動時當活動鐵芯向線圈的另一個方向移動時，用上述分析方法同樣可以證明，無論在的正半周還是負半周，電橋輸出電壓均為負值。2023/7/2625（3）活動鐵芯向相反方向移動時當活動鐵2023/7/2726應用采用帶相敏整流的交流電橋，其輸出電壓既能反映位移量的大小，又能反映位移的方向，所以應用較為廣泛。1—理想特性曲線2—實際特性曲線2023/7/2626應用采用帶相敏整流的交流電橋，其輸出電2023/7/27273.1.3自感式傳感器應用用于測量位移，還可以用于測量振動、應變、厚度、壓力、流量、液位等非電量。2023/7/26273.1.3自感式傳感器應用用于測量位2023/7/27281．自感式測厚儀采用差動結構，其測量電路為帶相敏整流的交流電橋。當被測物體的厚度發(fā)生變化時，引起測桿上下移動，帶動可動鐵芯產生位移，從而改變了氣隙的厚度，使線圈的電感量發(fā)生相應的變化。此電感變化量經過帶相敏整流的交流電橋測量后，送測量儀表顯示，其大小與被測物的厚度成正比。1—可動鐵芯2—測桿3—被測物體2023/7/26281．自感式測厚儀采用差動結構，其測量2023/7/27292．位移測量測量時測頭的測端與被測件接觸，被測件的微小位移使銜鐵在差動線圈中移動，線圈的電感值將產生變化，這一變化量通過引線接到交流電橋，電橋的輸出電壓就反映被測件的位移變化量。1—引線2—線圈3—銜鐵4—測力彈簧5—導桿6—密封罩7—測頭2023/7/26292．位移測量測量時測頭的測端與被測件2023/7/2730其他電感測微頭2023/7/2630其他電感測微頭2023/7/27313.2差動變壓器式傳感器把被測的非電量變化轉換為線圈互感變化的傳感器稱為互感式傳感器。因這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且其二次繞組都用差動形式連接，所以又叫差動變壓器式傳感器，簡稱差動變壓器。有變隙式、變面積式和螺線管式等在非電量測量中，應用最多的是螺線管式的差動變壓器，它可以測量1～100mm范圍內的機械位移，并具有測量精度高、靈敏度高、結構簡單、性能可靠等優(yōu)點。2023/7/26313.2差動變壓器式傳感器把被測的非電2023/7/27323.2.1基本工作原理變隙式差動變壓器原理圖螺線管式差動變壓器原理圖2023/7/26323.2.1基本工作原理變隙式差動2023/7/2733輸出特性當鐵芯位于中心位置，輸出電壓U2并不等于零，這個電壓稱為零點殘余電壓

。它的存在使傳感器的輸出特性曲線不經過零點，造成實際特性和理論特性不完全一致。零點殘余電壓使得傳感器的輸出特性在零點附近不靈敏，給測量帶來誤差，它的大小是衡量差動變壓器性能好壞的重要指標。輸出特性曲線2023/7/2633輸出特性當鐵芯位于中心位置，輸出電壓U2023/7/2734零點電勢零點殘余電動勢使得傳感器在零點附近的輸出特性不靈敏，為測量帶來誤差。為了減小零點殘余電動勢，可采用以下方法。（1）盡可能保證傳感器尺寸、線圈電氣參數(shù)和磁路對稱。（2）選用合適的測量電路。（3）采用補償線路減小零點殘余電動勢。2023/7/2634零點電勢零點殘余電動勢使得傳感器在零點2023/7/2735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。另外，其測量值中將包含零點殘余電壓。為了達到能辨別移動方向及消除零點殘余電動勢目的，實際測量時，常常采用差動整流電路和相敏檢波電路。2023/7/2635測量電路差動變壓器輸出的是交流2023/7/27361．差動整流電路是把差動變壓器的兩個次級輸出電壓分別整流，然后將整流的電壓或電流的差值作為輸出，這樣二次電壓的相位和零點殘余電壓都不必考慮。差動整流電路同樣具有相敏檢波作用，圖中的兩組（或兩個）整流二極管分別將二次線圈中的交流電壓轉換為直流電，然后相加。由于這種測量電路結構簡單，不需要考慮相位調整和零點殘余電壓的影響，且具有分布電容小和便于遠距離傳輸?shù)葍?yōu)點，因而獲得廣泛的應用。但是，二極管的非線性影響比較嚴重，而且二極管的正向飽和壓降和反向漏電流對性能也會產生不利影響，只能在要求不高的場合下使用。一般經相敏檢波和差動整流后的輸出信號還必須經過低通濾波器，把調制的高頻信號衰減掉，只允許銜鐵運動產生的有用信號通過。2023/7/26361．差動整流電路是把差動變壓器的兩個2023/7/2737典型電路差動整流電路2023/7/2637典型電路差動整流電路2023/7/27382．差動檢波電路差動相敏檢波電路等效電路2023/7/26382．差動檢波電路差動相敏檢波電路等2023/7/2739（2）工作原理傳感器銜鐵上移 傳感器銜鐵下移 2023/7/2639（2）工作原理傳感器銜鐵上移 2023/7/2740（3）波形圖相敏檢波電路波形圖2023/7/2640（3）波形圖相敏檢波電路波形圖2023/7/27413.2.3差動變壓器式傳感器的應用差動變壓器不僅可以直接用于位移測量，而且還可以測量與位移有關的任何機械量，如振動、加速度、應變、壓力、張力、比重和厚度等。2023/7/26413.2.3差動變壓器式傳感器的應用2023/7/2742差動變壓器式傳感器的應用差動變壓器式加速度傳感器是由懸臂梁和差動變壓器構成，其結構如圖所示。

振動傳感器及其測量電路1—彈性支撐2—差動變壓器2023/7/2642差動變壓器式傳感器的應用差動變壓器式加2023/7/2743差動變壓器式傳感器的應用力平衡式差壓計2023/7/2643差動變壓器式傳感器的應用力平衡式差壓計2023/7/2744差動變壓器式傳感器的應用力傳感器差動變壓器式力傳感器原理結構圖如圖所示。它是利用力作用下引起彈性元件形變，然后彈性元件的形變帶動差動變壓器的銜鐵運動，從而產生相應地電流或電壓輸出的原理制成的。2023/7/2644差動變壓器式傳感器的應用力傳感器2023/7/2745差動變壓器式傳感器的應用差動變壓器式電感測微儀2023/7/2645差動變壓器式傳感器的應用差動變壓器式電2023/7/27463.3電渦流傳感器根據(jù)法拉第電磁感應原理，塊狀金屬導體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運動時，導體內將產生呈渦旋狀的感應電流，此電流叫電渦流，這種現(xiàn)象稱為電渦流效應。根據(jù)電渦流效應制成的傳感器稱為電渦流式傳感器。按照電渦流在導體內的貫穿情況，此傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩類，但從基本工作原理上來說仍是相似的。電渦流式傳感器最大的特點是能對位移、厚度、表面溫度、速度、應力、材料損傷等進行非接觸式連續(xù)測量，另外還具有體積小、靈敏度高、頻率響應寬等特點，應用極其廣泛。2023/7/26463.3電渦流傳感器根據(jù)法拉第電磁感應2023/7/27473.3.1電渦流傳感器的工作原理高頻反射式傳感器采用高頻信號源，其原理及等效電路分別如圖所示。線圈置于金屬導體附近，線圈中通以高頻信號

，則會產生正弦交變磁場

，產生的交變磁場作用下方的金屬塊，金屬塊內就會產生渦流

，變化的渦流產生磁場

，又反作用于線圈，改變了線圈的電感。電感變化程度取于線圈的外形尺寸，線圈至金屬板之間的距離，金屬板材料的電阻率和磁導率以及電源頻率等。2023/7/26473.3.1電渦流傳感器的工作原理2023/7/2748為了充分有效地利用電渦流效應，對于平板型的被測體則要求被測體的半徑應大于線圈半徑的1.8倍，否則就要降低靈敏度。當被測物體是圓柱體時，被測導體直徑必須為線圈直徑的3.5倍以上，靈敏度才不受影響。一般來說，被測體的磁導率越高，電阻率越低，則傳感器的靈敏度越高。2023/7/2648為了充分有效地利用電渦流效應，對于平板2023/7/27493.3.2測量電路1．電橋電路在進行測量時，由于傳感器線圈的阻抗發(fā)生變化，使電橋失去平衡，而電橋不平衡造成的輸出信號被放大并檢波，就可得到與被測量成正比的輸出。其電路原理圖如圖3-20所示。2023/7/26493.3.2測量電路1．電橋電路2023/7/27503.3.2測量電路L1和L2為傳感器兩線圈，分別與選頻電容C1和C2并聯(lián)組成兩橋臂，電阻R1和R2組成另外兩橋臂。靜態(tài)時，電橋平衡，橋路輸出電壓為0。工作時，傳感器接近被測體，由于電渦流效應引起傳感器線圈電感變化，電橋失去平衡，有電壓輸出。經放大后送至檢波器檢波，輸出直流電壓U0，U0的大小正比于傳感器的移動量，以實現(xiàn)對位移量的測量。2023/7/26503.3.2測量電路L1和L2為傳2023/7/27513.3.2測量電路把傳感器線圈與電容并聯(lián)組成LC并聯(lián)諧振電路。當傳感器接近被測金屬導體時，線圈電感發(fā)生變化，LC回路的阻抗和諧振頻率將隨著L的變化而變化，因此可以利用測量回路阻抗或諧振頻率的方法間接反映出傳感器的被測量，相對應的就是調幅法和調頻法。2023/7/26513.3.2測量電路把傳感器線圈與2023/7/2752調幅式石英振蕩器產生穩(wěn)頻、穩(wěn)幅高頻振蕩電壓（100kHz～1MHz）用于激勵電渦流線圈。金屬材料在高頻磁場中產生電渦流，引起電渦流線圈端電壓的衰減，再經高放、檢波、低放電路，最終輸出的直流電壓Uo反映了金屬體對電渦流線圈的影響）。2023/7/2652調幅式石英振蕩器產生穩(wěn)頻、穩(wěn)幅高頻振蕩2023/7/27533．調頻（FM）式電路（100kHz～1MHz）當電渦流線圈與被測體的距離x改變時，電渦流線圈的電感量L也隨之改變，引起LC振蕩器的輸出頻率變化，此頻率可直接用計算機測量。如果要用模擬儀表進行顯示或記錄時，必須使用鑒頻器，將f轉換為電壓Uo。2023/7/26533．調頻（FM）式電路（100kHz～2023/7/27544.3.3電渦流傳感器的應用電渦流傳感器是以電渦流效應為原理的非接觸式位移、振動傳感器。可對進入尤其測量范圍內的金屬物體的運動參數(shù)

進行精密地非接觸測量。用于