傳感器原理與應(yīng)用- 電感式

傳統(tǒng)傳感器原理及應(yīng)用TraditionalTransducers2023/8/201傳統(tǒng)傳感器

電參量型傳感器

電量型傳感器2023/8/202電參量型傳感器電阻式傳感器電感式傳感器電容式傳感器電參量型傳感器測量電路2023/8/203電感式傳感器(InductanceTransducer)是建立在電磁感應(yīng)的基礎(chǔ)上，利用線圈自感或互感的變化實(shí)現(xiàn)非電量的測量。這類傳感器的主要特征是具有線圈繞組

。利用磁路磁阻變化引起傳感器線圈的自感或互感變化來測量的傳感器，分別稱為自感式傳感器和互感式傳感器（又稱差動變壓器式傳感器），故又通稱為變磁阻式傳感器。電感式傳感器還包括基于電渦流效應(yīng)的渦流效應(yīng)的電渦流傳感器(ElectricEddyTransducer)，利用電磁感應(yīng)原理的感應(yīng)同步器(InductiveSynchronizer，將在數(shù)字傳感器中講述)等。電感式傳感器2023/8/204電感式傳感器

自感式傳感器（電參量型）

互感式傳感器—差動變壓器式（電量型）

電渦流式傳感器高頻反射式（電參量型）低頻透射式（電量型）2023/8/205應(yīng)用示例：自感式傳感器圖3.44自感式壓力傳感器2023/8/206測量原理自感系數(shù)L：自感式傳感器導(dǎo)磁體磁阻

空氣隙磁阻2023/8/207測量原理自感式傳感器的結(jié)構(gòu)類型：

變氣隙式自感傳感器

變面積式自感傳感器

螺管式自感傳感器自感式傳感器2023/8/208(1)

變氣隙式自感傳感器自感式傳感器測量特性：變氣隙自感式傳感器的輸出特性是非線性的。適合測量較小位移。為保證一定的測量范圍與線性度，對變氣隙式傳感器，常?。?/p>

δ0=lδ/2=0.1～0.5mm，△δ=(1/5～1/10)δ02023/8/209(2)

變面積式自感傳感器自感式傳感器測量特性：在忽略氣隙磁通邊緣效應(yīng)的條件下，其輸出特性呈線性，因而具有較大的線性范圍。與變氣隙式相比較，其靈敏度較低。欲提高靈敏度，需減小lδ，但同樣受到工藝和結(jié)構(gòu)的限制。2023/8/2010(3)

螺管式自感傳感器由平均半徑為r的螺管線圈、銜鐵和磁性套管等組成。隨著銜鐵插入的深度的不同將引起線圈泄漏路徑中磁阻的變化，從而使線圈的電感發(fā)生變化。自感式傳感器測量特性：靈敏度較前兩種低。具有較大的線性范圍，適用于較大位移測量。

2023/8/2011應(yīng)用特性自感式傳感器輸出為線圈的自感系數(shù)，是典型的電參量型傳感器。需要采用交流激勵電源，設(shè)計(jì)合理的電感到電壓轉(zhuǎn)換電路以實(shí)現(xiàn)測量。常見的測量轉(zhuǎn)換電路除交流電橋電路外，還有調(diào)幅電路、調(diào)頻電路、調(diào)相電路等各種調(diào)制電路。在自感式傳感器中，調(diào)幅電路用得較多，調(diào)頻和調(diào)相電路用得較少。自感式傳感器是被廣泛采用的一種電磁機(jī)械式傳感器，它除可直接用于測量直線位移、角位移的靜態(tài)和動態(tài)量外，還可以它為基礎(chǔ)，做成多種用途的傳感器，用以測量力、壓力、轉(zhuǎn)矩、物位等等。

自感式傳感器2023/8/2012差動式自感傳感器由單一式結(jié)構(gòu)對稱組合，構(gòu)成差動式自感傳感器，可改善其性能：靈敏度提高非線性補(bǔ)償對電源電壓與頻率的波動及溫度變化等外界影響也有補(bǔ)償，提高了傳感器的穩(wěn)定性。自感式傳感器應(yīng)用特性2023/8/2013差動式自感傳感器的結(jié)構(gòu)類型L2L1(a)變氣隙差動型L1L2(b)變面積差動型L1L2(c)雙螺線管差動型圖3.48差動式自感傳感器典型結(jié)構(gòu)2023/8/2014應(yīng)用案例(1)：差動電感式壓力傳感器C形彈簧管調(diào)機(jī)械零點(diǎn)螺釘線圈1

線圈2銜鐵P圖3.49差動電感式壓力傳感器2023/8/2015應(yīng)用案例(2)：軸向式電感測微器圖3.50軸向式電感測微器2023/8/2016差動電感電橋測量電路圖3.51交流差動電感測量電橋2023/8/2017電感式滾柱直徑分選裝置圖3.52電感式滾柱直徑分選裝置2023/8/2018互感式傳感器應(yīng)用示例：圖3.53差動變壓器式力傳感器L1L21L22鐵心F變形部線圈下部上部2023/8/2019測量原理能將被測非電量轉(zhuǎn)換成線圈間互感系數(shù)M變化的傳感器通稱為互感式傳感器（MutualInductanceSensor），變壓器式傳感器和透射式電渦流傳感器都屬于此類?；ジ惺絺鞲衅髯儔浩鱾鞲衅鞅旧硎瞧浠ジ邢禂?shù)可變的變壓器。這種傳感器的二次線圈是兩個，接線方式又是差動的，故常稱之為差動變壓器式傳感器。2023/8/2020差動變壓器式傳感器工作原理由一個主線圈（一次線圈）和兩個次級線圈（二次線圈）構(gòu)成，兩個次級線圈差動連接。當(dāng)一次線圈接入激勵電壓后，二次線圈將產(chǎn)生感應(yīng)電壓。當(dāng)互感變化時，輸出差動電壓的幅值和相位發(fā)生變化?；ジ惺絺鞲衅鱈1L21L22銜鐵測量原理2023/8/2021差動變壓器傳感器的結(jié)構(gòu)類型(c)(a)(b)(c)變氣隙式

(d)(e)變面積式

(f)螺管式圖3.56各種差動變壓器傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖(a)Φ1Φ2(b)(d)δ0(e)(f)2023/8/2022零點(diǎn)殘余電壓

零點(diǎn)殘余電壓：理論分析可知，當(dāng)鐵芯位于中間位置時，差動變壓器輸出電壓峰值應(yīng)為零。但實(shí)際上并不一定為零，把差動變壓器在零位移時的輸出電壓稱為零點(diǎn)殘余電壓。零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生的原因主要是傳感器在制作時，兩個次級線圈的電氣參數(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。

互感式傳感器測量原理2023/8/2023應(yīng)用特性差動變壓器式傳感器的測量特性：直接輸出較大的電壓信號，是電量型傳感器。輸出電壓是反應(yīng)被測量大小和方向的調(diào)幅波，故需相應(yīng)的解調(diào)電路（相敏檢波電路、低通濾波電路等）以實(shí)現(xiàn)測量?；ジ惺絺鞲衅?023/8/2024應(yīng)用特性差動變壓器式傳感器具有精確度高、線性范圍大、穩(wěn)定性好和使用方便等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于位移的測量中。也可借助于彈性元件將壓力、重量等物理量轉(zhuǎn)換為位移的變化，故也將這類傳感器應(yīng)用于壓力、重量等物理量測量?；ジ惺絺鞲衅?023/8/2025應(yīng)用案例(1)：差動壓力變送器圖3.58差動壓力變送器2023/8/2026應(yīng)用案例(2)：張力測量控制系統(tǒng)圖3.59差動變壓器式張力測量控制系統(tǒng)2023/8/2027應(yīng)用示例：電渦流式通道安全檢查門電渦流式傳感器1-報(bào)警指示燈2-內(nèi)藏式電渦流線圈3-液晶彩顯4-X光及中子探測器圖像處理系統(tǒng)圖3.60電渦流式安全檢查門2023/8/2028測量原理電渦流式傳感器（ElectricEddyTransducer）是利用金屬導(dǎo)體在交變磁場中的電渦流效應(yīng)進(jìn)行工作的。其基本測量原理是基于電磁感應(yīng)原理，具有線圈結(jié)構(gòu)這一電感式傳感器的顯著特征。

電渦流式傳感器按照電渦流在導(dǎo)體內(nèi)的貫穿情況及傳感器結(jié)構(gòu)不同，可分成高頻反射式和低頻投射式兩大類。2023/8/2029電渦流效應(yīng)

閉合鐵芯（或一大塊導(dǎo)體）處于交變磁場中，交變的磁通量使閉合鐵芯（或一大塊導(dǎo)體）中產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流在金屬板內(nèi)自行閉合，類似于水渦流形狀，稱之為“渦電流”或“電渦流”，這種效應(yīng)稱為電渦流效應(yīng)。電渦流式傳感器金屬板iφi1圖3.25電渦流效應(yīng)原理圖x測量原理2023/8/2030電渦流效應(yīng)

電渦流式傳感器電渦流效應(yīng)與被測導(dǎo)體的電阻率、磁導(dǎo)率、幾何形狀與表面狀況、線圈的幾何參數(shù)、勵磁電流頻率以及線圈與導(dǎo)體間的距離等參數(shù)有關(guān)?！姕u流檢測電渦流效應(yīng)的應(yīng)用：電磁屏蔽罩、電磁爐、非接觸式連續(xù)測量等。測量原理2023/8/2031電渦流的應(yīng)用——電磁爐電磁爐2023/8/2032電磁爐的工作原理

高頻電流通過勵磁線圈，產(chǎn)生交變磁場，在鐵質(zhì)鍋底會產(chǎn)生無數(shù)的電渦流，使鍋底自行發(fā)熱，燒開鍋內(nèi)的食物。電磁爐內(nèi)部的

勵磁線圈2023/8/2033大直徑電渦流探雷器

2023/8/2034電渦流不僅沿導(dǎo)體徑向分布不均勻，導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的渦流由于趨膚效應(yīng)，貫穿金屬導(dǎo)體的深度有限。電渦流式傳感器貫穿深度h隨激勵頻率f的升高而逐漸減小，頻率越低，貫穿深度越大。ρ、μ—導(dǎo)體的電阻率和相對磁導(dǎo)率；f—激勵頻率；k—比例常數(shù)。jm渦流密度Jjm/ehh1h2h3f1f2f3f3＞f2＞f10圖3.62

貫穿深度h與激勵頻率f的關(guān)系電渦流的貫穿深度：根據(jù)電渦流在導(dǎo)體內(nèi)的貫穿情況（是否穿透導(dǎo)體），電渦流傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩種結(jié)構(gòu)形式。

電渦流效應(yīng)

2023/8/2035電渦流式傳感器電渦流傳感器測厚思考：高頻反射式和低頻透射式電渦流傳感器有何區(qū)別？①測量原理②結(jié)構(gòu)型式③輸出信號④測量電路高頻反射式電渦流傳感器測厚低頻透射式電渦流傳感器測厚2023/8/2036高頻反射式電渦流傳感器

工作原理：基于電渦流效應(yīng)，當(dāng)傳感器線圈中有一高頻交變電流i通過時，在線圈周圍有交變磁通φ產(chǎn)生。此交變磁通通過附近的金屬板，金屬板中產(chǎn)生交變的電渦流i1。由于采用高頻激勵，此電渦流集中分布在導(dǎo)體表面。交變i1也將產(chǎn)生一個交變的新磁場φ1，φ1與φ方向相反，力圖削弱原磁場φ的變化，從而導(dǎo)致線圈的電感量L、阻抗Z和品質(zhì)因數(shù)Q發(fā)生變化。在一定范圍內(nèi)，通過測量L、Z或Q的變化就可實(shí)現(xiàn)測量。電渦流式傳感器2023/8/2037高頻反射式電渦流傳感器

結(jié)構(gòu)型式由一個扁平線圈構(gòu)成，并通以高頻交流激勵，通過測量該傳感器線圈的電參數(shù)，包括電感、阻抗和品質(zhì)因數(shù)的變化來進(jìn)行測量。電渦流式傳感器傳感器的測量范圍與這種傳感器線圈外徑有關(guān)，線圈外徑大時，線圈的磁場軸向分布范圍大，但磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化梯度??；線圈外徑小時則相反。

BP線圈1線圈2d1＞d2x0d1—線圈1的外經(jīng)；d2—線圈2的外徑圖3.28

線圈軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度分布2023/8/2038高頻反射式電渦流傳感器

被測體的影響：電渦流傳感器是利用線圈與被測導(dǎo)體之間的電磁耦合進(jìn)行工作的，被測導(dǎo)體材料的物理性質(zhì)、尺寸與形狀都與傳感器特性密切相關(guān)。被測導(dǎo)體的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率對傳感器的靈敏度有影響。被測體的大小和形狀也與靈敏度密切相關(guān)。從分析知，若被測體平面，為充分利用電渦流效應(yīng)，被測體環(huán)的直徑不應(yīng)小于線圈直徑的1.8倍；若被測體為圓柱體時，只有其直徑為線圈直徑的3.5倍以上，才不影響測量結(jié)果。對被測體厚度也有一定要求，一般厚度大于0.2mm則不影響測量結(jié)果(視激勵頻率而定)，銅鋁等材料更可減薄為70μm。應(yīng)用：非接觸式非電量檢測、探傷、材質(zhì)鑒別、溫濕度測量等。電渦流式傳感器2023/8/2039電渦流傳感器測位移及其應(yīng)用

2023/8/2040電渦流轉(zhuǎn)速測量

2023/8/2041轉(zhuǎn)速測量原理

若轉(zhuǎn)軸上開z個槽(或齒)，頻率計(jì)的讀數(shù)為f（單位為Hz），則轉(zhuǎn)軸