第02章傳感器感測技術(shù).ppt

1、本章內(nèi)容： 1.電感式傳感器的基本概念、分類； 2.各類電感式傳感器的工作原理及特性； 3.相應(yīng)的測量電路； 4.應(yīng)用。 要求： 1.掌握電感式傳感器的特點(diǎn)、分類； 2.掌握各類電感式傳感器的基本工作原理； 3.了解各類電感式傳感器的應(yīng)用。,第二章 電感式傳感器,2.1電感式傳感器 一、歸屬于R、L、C傳感技術(shù)一類。 二、定義 將被測量轉(zhuǎn)換成電感或互感變化的傳感器。 （是一種結(jié)構(gòu)型傳感器。） 三、特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡單可靠；靈敏度高；輸出功率大（1vA5vA）；工作可靠；可在工業(yè)頻率下穩(wěn)定工作。但靈敏度、線性度和測量范圍相互制約。,四、應(yīng)用范圍 測量力、力矩、壓力、位移、速度、振動等參數(shù)。 即可用于動

2、態(tài)測量，又可用于靜態(tài)測量，但不適于快速動態(tài)測量。 五、分類 按其轉(zhuǎn)換方式不同劃分： 1、自感型電感式傳感器； 2、互感型電感式傳感器。,2.2自感型電感式傳感器 按工作原理不同可劃分為兩類： 1、可變磁阻式傳感器； 2、渦流式傳感器。,一、可變磁阻式傳感器 1、結(jié)構(gòu) 由線圈、鐵芯和銜鐵等組成。 為鐵芯和銜鐵之 間的空氣隙。 銜鐵與被測物連接。,2、工作原理 被測物移動，帶動 銜鐵，鐵芯與銜鐵間 空氣隙變化，磁阻變 化，線圈電感值發(fā)生變化。,3、轉(zhuǎn)換原理 線圈通過電流I ，產(chǎn)生磁通 。關(guān)系式：,式中， W線圈匝數(shù)； L自感。 根據(jù)磁路歐姆定理有：,其中，F(xiàn)m 磁動勢； Rm 磁路總磁阻。,推導(dǎo)有

3、：,若空氣隙較小，不考慮磁路的鐵損和鐵心磁阻，總磁阻為：,式中： 氣隙長度，m； 0空氣磁導(dǎo)率，0=410-7 ，H/m； A0空氣隙導(dǎo)磁截面積，。,自感表達(dá)式：,自感L 與氣隙d 的大小成反比，與空氣隙導(dǎo)磁截面積 A0 成正比。 改變其中任一量都可導(dǎo)致電感的變化。,由：,推出：,4、分類 根據(jù)改變量的不同劃分為:,1）變氣隙厚度d 傳感器 a、L- d 特性 A0固定不變，d 改變，與d 成非線性關(guān)系。,b、原理 如用穩(wěn)定的交流電壓作為傳感器線圈的勵磁電源，當(dāng)物體帶動銜鐵與鐵芯發(fā)生相對位移變化時，線圈的電感量就發(fā)生相應(yīng)變化，流過線圈的電流I和氣隙d 有如下關(guān)系：,U為交流電壓，w為交流電源角

4、頻率。 在實(shí)際測量中，測得電流I，即可知道位移量的大小。,c、變氣隙厚度d 傳感器的靈敏度S,靈敏度S與氣隙厚度的平方成反比。 d 愈小，靈敏度越高。 有非線性誤差，規(guī)定在較小的間隙范圍內(nèi)工作。若/01 ，靈敏度趨于定值，輸入和輸出近似呈線性關(guān)系。 適于測量微小位移的場合。,2）其他幾種常用可變磁阻式傳感器 a、可變導(dǎo)磁面積型,自感L 與空氣隙導(dǎo)磁截面積A0呈線性關(guān)系。 但其靈敏度較低。,b、差動型變隙式電感傳感器 由兩個完全相同的 電感線圈合用一個銜鐵 和相應(yīng)磁路組成。 被測物帶動銜鐵 左右移動，兩個磁回路中磁阻產(chǎn)生大小相等方向相反的變化（0+ ， 0），一個線圈電感量增加，另一個減小。 差

5、動組合改善線性特性，提高了輸出靈敏度。,c、單螺管線圈型 由螺管線圈和鐵芯 組成。鐵芯在線圈中運(yùn)動， 改變磁阻，線圈自感發(fā) 生變化。電感量與鐵芯插入線圈的長度成比例關(guān)系。 測量范圍大，靈敏度低，位移量可從數(shù)毫米到數(shù)百毫米。 適于大量程直線位移的測量。,d、雙螺管線圈差動型 由兩個相同螺管線圈 和鐵芯組成，靈敏度及線 性比單螺管線圈型較高。 動態(tài)測量范圍為0200mm，線性度為0.1%1%，分辨率小于0.01m。 廣泛用于機(jī)械位移測量及尺寸計量上。,5、可變磁阻式傳感器的特性 變隙式電感傳感器的測量范圍與靈敏度及線性度相矛盾。其靈敏度為：,實(shí)際測量時，常采用差動變隙式傳感器。 變面積式電感傳感器

6、的線性關(guān)系較好。,6、可變磁阻式傳感器的測量電路 主要有交流電橋式、變壓器式交流電橋、諧振式等測量電路。 a、交流電橋式測量電路,b、變壓器式交流電橋測量電路（無法判斷方向）,若傳感器銜鐵處于 中間位置， Z1=Z2=Z ， 若銜鐵上移， Z1=Z+Z，Z2=Z-Z ， ； 若銜鐵下移， Z1=Z-Z，Z2=Z+Z ， 。,，電橋平衡；,輸出電壓為：,7、可變磁阻式傳感器的應(yīng)用 一般用于靜態(tài)和動態(tài)的接觸式測量。 主要用于測量位移，也可測量振動、壓力、流量、負(fù)荷和液位等參數(shù)。 精密度小的位移測量，約0.001mm1mm。,如：可變氣隙式電感測微儀,其動態(tài)測量范圍為1mm，分辨率為1m，精度為3%

7、。,如：氣隙式電感式壓力傳感器,電流表A指示值就是被測壓力的大小，可把電流表的刻度值用壓力校準(zhǔn)儀進(jìn)行標(biāo)定。,二、渦流式傳感器 1、利用電渦流效應(yīng)制成的傳感器。 2、工作原理 利用金屬體在交變磁場中的電渦流效應(yīng)。 電渦流效應(yīng)：根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場中或切割磁力線運(yùn)動時，導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生呈渦旋狀的感應(yīng)電流的現(xiàn)象。 3、按電渦流在導(dǎo)體內(nèi)的貫穿情況劃分：,主要由探頭和檢測 電路構(gòu)成。 探頭由線圈和骨架組成。 檢測電路由振蕩器、檢波器及放大器等組成。,4、基本結(jié)構(gòu)和工作原理,1）基本結(jié)構(gòu),振蕩器產(chǎn)生的高頻 電壓施加給靠近金屬板 一側(cè)的電感線圈，線圈 產(chǎn)生的高頻磁場作用于金屬板表面，

8、金屬板表面產(chǎn)生感應(yīng)渦流，導(dǎo)致線圈的電感及等效阻抗發(fā)生變化。 通過檢測電路得阻抗的變化量，以實(shí)現(xiàn)對被測導(dǎo)體位移量的檢測。,2）工作原理,渦流磁場使得原線圈等效阻抗發(fā)生變化。變化的程度與間距相關(guān)。 影響阻抗的相關(guān)因素:間距，電阻率，磁導(dǎo)率，激磁角頻率等。 用于位移、振動測量；材質(zhì)鑒別或探傷。,五、渦流式傳感器的特性 1、電渦流強(qiáng)度與距離的關(guān)系 電渦流強(qiáng)度隨距離的變化而變化，且呈非線性關(guān)系，隨距離的增加而減小。 2、被測導(dǎo)體對傳感器靈敏度的影響 被測導(dǎo)體的電阻率和相對磁導(dǎo)率越小，靈敏度越高，且被測導(dǎo)體的形狀和尺寸大小對靈敏度也有影響。 一般要求被測導(dǎo)體的厚度大于兩倍的渦流穿透深度。,六、檢測電路 根

9、據(jù)被測參數(shù)的不同，可分為Q值檢測電路、電橋電路、諧振電路（調(diào)頻式或調(diào)幅式）。 常用的是定頻調(diào)幅式檢測電路,振蕩器相當(dāng)于恒流源。 被測導(dǎo)體在傳感器測試范圍內(nèi)移動時，由于渦流效應(yīng)，線圈的電感隨之變化，諧振回路工作在失諧狀態(tài)，回路輸出的電壓隨距離越近而越來越小。 信號經(jīng)檢波、濾波和放大后輸給后續(xù)電路，可直接顯示位移量。,七、渦流式傳感器的應(yīng)用 可用于動態(tài)的非接觸測量。 主要用于位移、振幅、尺寸、厚度及無損探傷等參數(shù)的測量。 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、不受油污等介質(zhì)的影響等。 近年來，廣泛用于機(jī)械、冶金工業(yè)中。,如高頻渦流測厚儀,測量范圍寬、反應(yīng)時間快、動態(tài)精度高等優(yōu)勢。 適合在冶金工業(yè)冷軋機(jī)上對有色

10、帶材的尺寸自動檢測。測量范圍為0.155mm，測量精度為0.015mm，環(huán)境溫度為1540。,如渦流式轉(zhuǎn)速傳感器。,軸轉(zhuǎn)動時，間隙變化，經(jīng)測量電路處理，可得與轉(zhuǎn)速成正比的脈沖信號。,2.3互感型-差動變壓器式電感式傳感器 一、基本原理 利用電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象。 輸入交流電流i1，,M為比例系數(shù)，稱為互感。表明兩線圈的耦合程度。,感應(yīng)電動勢：,二、結(jié)構(gòu)形式 有變隙式、變面積式、螺線管式等。 應(yīng)用較多的是螺線管型差動變壓器，可測量1100mm機(jī)械位移，測量精度高，靈敏度高，性能可靠、結(jié)構(gòu)簡單等。,三、螺線管式差動變壓器 1、由初級線圈、次級線圈、鐵芯、活動銜鐵組成。 如示意圖,W為初級線圈， W

11、1和W2為方向相反的 次級線圈。 中間為活動銜鐵， 與被測物相連。,輸入電壓，產(chǎn)生感應(yīng)電勢 e1和e2 ，極性相反。 輸出電壓：e0 = e1 e2 。 銜鐵居中， e1 = e2 ， e0 = 0； 銜鐵上移， e1 e2 ， e0 0 ； 銜鐵下移， e1 e2 ， e0 0 。,2、工作原理,3、注意事項(xiàng) 1）差動變壓器式傳感器的輸出是交流量的電壓，不反映移動方向； 2）交流電壓輸出存在一定的零點(diǎn)殘余電壓。即銜鐵處于中間時，輸出不為零。,四、測量電路 1）差動整流電路 對兩次級的輸出整流，將其差值作為輸出。 2）相敏檢波電路 書P77 根據(jù)輸出電壓的大小確定x大小，根據(jù)輸出電壓的極性確定x的方向。,五、差動變壓器式傳感器的應(yīng)用 常用于測量位移、壓力、壓差、液位等參數(shù)。 線性測量范圍為2mm 200mm間，測量精度為0.2%0.