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1、电感式传感器,勤朴忠实,3.2 电感式传感器,电感式传感器是基于电磁感应原理，利用线圈自感或互感的变化实现非电量测量的。常配以不同的敏感元件来测量位移、压力、振动等物理参数。 根据工作原理不同，可分为自感式、互感式和涡流式三种类型。 其主要特点是： （1）结构简单、工作可靠、寿命长； （2）灵敏度高，能分辨0.01m的位移变化； （3）精度高，线性好，非线性误差一般为0.05%-0.1%。,3.2.1自感式传感器,一、气隙型 自感式传感器也称为变隙式自感传感器，它是根据铁芯线圈磁路气隙的改变，引起磁路磁阻的改变，从而改变线圈自感的大小；气隙参数的改变分为变气隙长度和变气隙截面积S两种。,N：线
2、圈匝数；Rm：磁路总磁阻(铁芯与衔铁磁阻和空气隙磁阻),气隙式自感传感器，因为气隙较小(l为0.11mm)，所以，认为气隙磁场是均匀的，若忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为 li：铁芯磁路上第i段的长度； A0：气隙等效截面积； Ai：铁芯磁路上第i段的横截面积； i：铁芯第i段磁导率； 0：真空磁导率， 0=410-7Hm； x：空气隙厚度 A0:气隙等效截面积,(1) 变气隙式自感传感器,由于自感传感器的铁芯一般在非饱和状态下，其磁导率远大于空气的磁导率，因此铁芯磁阻远较气隙磁阻小，所以上式可简化为,可见，自感L是气隙截面积和长度的函数，即Lf(A,x) 如果A保持不变，则L为x的单值函数，构成
3、变隙式自感传感器；若保持x不变，使A随位移变化，则构成变截面式自感传感器。其特性曲线如图。,L=f（A）,L=f（x）,x,L,A,L=f(x)为非线性关系。当x0时，L为，考虑导磁体的磁阻，当x0时，并不等于，而具有一定的数值，在x较小时其特性曲线如图中虚线所示。如上下移动衔铁使面积S改变，从而改变L值时,则Lf(A)的特性曲线为一直线。,灵敏度,(2)变面积式自感传感器,也可认为是有效线圈匝数变化引起自感变化。,(3)螺管式自感传感器,有单线圈和差动式两种结构形式。 单线圈螺管型传感器的主要元件为一只螺管线圈和一根圆柱形铁芯。传感器工作时，因铁芯在线圈中伸入长度的变化，引起螺管线圈自感值的
4、变化。当用恒流源激励时，则线圈的输出电压与铁芯的位移量有关。,螺管线圈内磁场分布曲线,r,x,l,1.0,0.8,0.6,0.4,0.2,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,H（ ）,IN,l,x（l）,铁芯在开始插入（x=0）或几乎离开线圈时的灵敏度，比铁芯插入线圈的1/2长度时的灵敏度小得多。这说明只有在线圈中段才有可能获得较高的灵敏度，并且有较好的线性特性。,螺管式自感传感器的特点： 结构简单，制造装配容易； 由于空气间隙大，磁路的磁阻高，因此灵敏度低，但线性范围大； 由于磁路大部分为空气，易受外部磁场干扰； 由于磁阻高，为了达到某一自感量，需要的线圈匝数多，因而线圈分布电容大； 要
5、求线圈框架尺寸和形状必须稳定，否则影响其线性和稳定性。,三、差动自感传感器测量电路,（1） 差动交流测量电桥 下图是差动自感传感器基本交流测量电桥。阻抗Z1和Z2为传感器两线圈的等效阻抗，供桥电源由带中心抽头的变压器次级线圈供给。,输出电压，以d为参考点,当感抗远大于直流电阻时：,由上分析可知，输出电压的大小反映动铁位移的大小，输出电压的极性反映动铁位移的方向。,互感型传感器的工作原理是利用电磁感应中的互感现象，将被测量(位移)转换成感应电势的变化。由于常采用两个次级线圈组成差动式，故又称差动变压器式传感器。实际中多采用螺管线圈型差动变压器。,传感器输出电压(调幅波)反映了位移的大小及方向，但
6、因为交流信号，只有接入相应电路（相敏检波、差动整流等），才能提取出这两种信息。,感应电势,3.3.2 互感传式感器,1、输出电压特性 单个次级线圈输出电压与动铁位移的关系曲线如图（a）所示，图中Um为动铁4与次级线圈21或22完全耦合时的输出电压；此时该线圈磁路的磁阻最小，因而互感M最大，感应电动势e最大，因而其输出电压达到最大值Um。图中Uo为动铁4与次级某线圈完全不耦合时的输出电压，称之为残余电压。,二、工作特性,4、残余电压消除方法 差动变压器零点残余电压是由于结构及电磁特性不对 称等多方面影响造成的，消除或减小的方法主要是： （1）提高差动变压器的组成结构及电磁特性的对称性； （2）引
7、入相敏整流电路，对差动变压器输出电压进行处 理； （3）采用外电路补偿，如下图。,3.2.3 电涡流式传感器,电涡流指的是传感线圈的交变磁场在被测金属板上产生的感应电流，此电流在金属板平面上形成闭合回路，其大小与金属板平面的电阻率、磁导率、金属板厚b及传感线圈与金属板间距离有关。,基于法拉第电磁感应原理，当传感器线圈通以正弦交变电流 I1 时，线圈周围空间将产生正弦交变磁场 H1，被测导体内产生呈涡旋状的交变感应电流I2 ，称电涡流效应。电涡流产生的交变磁场H2与H1方向相反，它使传感器线圈等效阻抗发生变化。,（一）工作原理,电涡流沿金属板厚度b方向的贯穿深度h与激磁电源的频率f有关，频率越高
8、贯穿深度越小，此即电涡流的趋肤效应。通常把电涡流传感器按激磁电源频率高低分为两大类，高频反射式电涡流传感器和低频透射式电涡流传感器，前者用于非接触式位移变量的检测，后者仅用于金属板厚度的测量。,高频反射式涡流传感器多用于位移及与位移相关的厚度、振动等测量。,（1）高频反射式电涡流式传感器,高频(lMHz)激励电流产生的高频磁场作用于金属板的表面，由于集肤效应，在金属板表面将形成涡电流。与此同时，该涡流产生的交变磁场又反作用于线圈，引起线圈自感L或阻抗ZL的变化。,高频激励信号使线圈产生一个高频交变磁场i，当被测导体靠近时，在磁场作用范围的导体表层产生电涡流ie，而电涡流又将产生一交变磁场e阻碍
9、外磁场的变化。在被测导体内存在着电涡流损耗（当频率较高时，忽略磁损耗）。能量损耗使传感器的Q值和等效阻抗Z降低，因此当被测体与传感器间的距离d改变时，传感器的Q值和等效阻抗Z、电感L均发生变化，于是把位移量转换成电量。这便是电涡流传感器的基本原理。,其中： 金属电导率， 金属磁导率， r 线圈与被测物体的尺寸因子， f 激磁电流频率， x 线圈与导体间的距离,音频(20kHz)激励电流,低频透射式涡流传感器多用于测定材料厚度。,2、低频透射式电涡流式传感器,发射线圈L1和接收线圈L2分置于被测金属板的上下方。由于低频磁场集肤效应小，渗透深，当低频(音频范围)电压u1加到线圈L1的两端后，所产生
10、磁力线的一部分透过金属板,使线圈L2产生感应电动势u2。但由于涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势u2减少，当金属板越厚时，损耗的能量越大，输出电动势u2越小。因此，u2的大小与金属板的厚度及材料的性质有关.试验表明u2随材料厚度h的增加按负指数规律减少,因此，若金属板材料的性质一定，则利用u2的变化即可测厚度。,线圈L2 的感应电压与被测厚度的增大按负幂指数的规律减小，即,式中 被测金属板的厚度； h贯穿深度。,测量厚度时，激励频率应选得较低。频率太高，贯穿深度小于被测厚度，不利于进行厚度测量，通常选激励频率为1kHz左右。 测薄金属板时，频率一般应略高些，测厚金属板时，频率应低些。在测量电阻
11、率较小的材料时，应选较低的频率（如500Hz），测量较大的材料时，应选用较高的频率（如2kHz），从而保证在测量不同材料时能得到较好的线性和灵敏度。,电涡流式传感器的特点： 非接触测量，不易受油液介质影响； 结构简单，使用方便，灵敏度高，最高分辨率达0.05微米； 频率响应范围宽（010kHz），适合动态测量。,（二）测量电路交流电桥、谐振电路,根据电涡流效应原理和等效电路，电涡流传感器输出的测量电路有下述3种形式：,（1）谐振法,谐振法是依照LC电路谐振原理，实现对电涡流传感器输出信号测量的方法。根据LC谐振电路的幅值及频率特性，又分为调幅法和调频法。,调幅法,调幅法是以传感器线圈与调谐电容
12、组成并联LC调谐回路，由石英振荡器提供高频激磁电流，如下图所示，测量电路的输出电压uo正比于LC谐振电路的阻抗Z，激磁电流io和谐振阻抗Z越大，输出电压uo=iZ越高。,图中L为传感器线圈电感，与电容C组成并联谐振回路，晶体振荡器提供高频激励信号。在无被测导体时，LC并联谐振回路调谐在与晶体振荡器频率一致的谐振状态，这时回路阻抗最大，回路压降最大。,定频调幅电路框图,a.定频调幅电路,调频法 此法是以LC谐振回路的频率作为输出量，直接用频率计测量；或通过测量LC回路等效电感L，间接测量频率变化量。这种方法稳定性较差，几个PF的分布电容可能引起几个KHZ的频率变化，虽然可以通过扩大调频范围来提高
13、稳定性，但调频的范围不可能无限制扩大。,无被测导体时，振荡回路的Q值最高，振荡电压幅值最大，振荡频率为f0。当有金属导体接近线圈时，涡流效应使回路Q值降低，谐振曲线变钝，振荡幅度降低，振荡频率也发生变化。 当被测导体为软磁材料时，由于磁效应的作用，导磁率增加，谐振回路的等效电感L增加，LC回路谐振频率降低，曲线左移；被测导体为硬磁材料时，谐振频率升高，曲线右移。所不同的是，振荡器输出电压不是各谐振曲线与f0的交点，而是各谐振曲线峰点的连线。 由于并联谐振电路输出电压U0=i0Z，因而传感器线圈与被测体之间距离的变化，引起Z的变换，使输出电压跟随变化，从而实现位移量的测量，故称调幅法。,b.变频
14、调幅电路 定频调幅电路虽然有很多优点，并获得广泛应用，但线路较复杂，装调较困难，线性范围也不够宽。因此，人们又研究了一种变频调幅电路，这种电路的基本原理是将传感器线圈直接接入电容三点式振荡回路。当导体接近传感器线圈时，由于涡流效应的作用，振荡器输出电压的幅度和频率都发生变化，利用振荡幅度的变化来检测线圈与导体间的位移变化，而对频率变化不予理会。,前面介绍了三种不同工作原理的电感传感器，都可以用来直接测量位移量，亦可以测量能转换为位移量的其变化量，但各自应用的领域有所不同，下面介绍几个应用实例 一、电感测微仪 电感测微仪是一个差动式自感传感器测量微位移装置，其测量电路如后图所示。图中两传感器线圈
15、和两电阻组成交流测量电桥，电桥输出交流电压经放大后送相敏检波器，检波输出直流电压由直流电压表或显示器输出。,3.2.4 电感式传感器的应用,二、力平衡式差压计 力平衡式差压计是一个差动变压器测量电路，如图所示。图中N1、N2、N22分为差动变压器初级线圈和两次级线圈，V1、V2和C为半波整流电容滤波电路。当动铁处于中间位置时，膜盒亦在正中处，此时膜盒的上下压力相同，即P1=P2时，差动变压器输出电压U=0。当P1和P2大小不同时，膜盒产生位移，带动着动铁移动，此时差动变压器输出电压U不为0，其大小和极性即表示动铁位移的大小和方向，从而可测出2压力差。,无损探伤,测转速,测厚度,计数,测裂纹,二、简答 1. 调制与解调的目的是什么？ 2. 为什么交流电桥输出的调幅波不能简单地用二极管检波来解调，而必须用相敏检波器来解调? 3. 涡流的形成范围和渗透深度与哪些因素有关?,一、选择与填空题 1.电涡流传感器是利用 材料的电涡流效应工作的。 A.金属导体 B.半导体 C.非金属材料 2.高频反射式涡流传感器是基于 和 效应来实现信号的感受和变换的。 A.涡电流 B.纵向 C.横向 D.集肤 3.差动变压器式传感器工作时，如果铁芯做一定频率的往复运动，其输出电压是 波。 4.差动变压器式位移传感器是将被测位移量的变化转换成线圈_系数的变化,两个次级线圈要求 串接。,作业：电感式传感器,