计算机硬件及网络三章电感式传感器ppt课件

第二章 电感式传感器 电感式传感器是把被测物理量如位移、力 等参量转化成自感L、互感M变化的一种传感 器。 类型 互感式 涡流式 自感式 气隙型 截面型 螺管型 差动变压动变压 器式 n结构简单、可靠，测量力小，电磁吸引力数量级为10-3 N ； n灵敏度高，最高分辨力达0.1m ； n测量精确度高，输出线性度可达0.1% ； n输出功率较大，在某些情况下可不经放大直接接二次仪表 。 主要缺点： n传感器本身的频率响应不高，不适于快速动态测量； n对激磁电源的频率和幅度的稳定度要求较高; n传感器分辨力与测量范围有关，测量范围大，分辨力低， 反之则高。 电感式传感器的主要优点： 一、自感式传感元件 1工作原理与结构 电磁感应定律：当一个线圈中电流i变化时，该电流产生的 磁通也随之变化，因而在线圈本身产生感应电势el，这种 现象称之为自感。产生的感应电势称为自感电势。 自感式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔 铁由导磁材料制成，在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度 为，传感器的运动部分与衔铁相连。 自感式传感器 根据对电感的定义，线圈中电感量： 式中：线圈总磁链； I通过线圈的电流； W线圈的匝数； 穿过线圈的磁通（通过某一截面积的磁力线总数=B*S ） 式中：Rm磁路总磁阻。 由磁路欧姆定律， 得 对于变隙式传感器， 气隙很小，可视气隙中的磁场是均匀 的。 若忽略磁路磁损， 则磁路总磁阻为 式中： 1铁芯材料的导磁率；2衔铁材料的导磁率； l1磁通通过铁芯的长度；l2磁通通过衔铁的长度； S1铁芯的截面积；S2衔铁的截面积； 0空气的导磁率；S0气隙的截面积; 气隙的厚度。 通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻， 即 自感式位移传感元件 上式表明，当线圈匝数为常数时，电感L仅仅是磁路 中磁阻Rm的函数，改变或S0均可导致电感变化，因此变 磁阻式传感器又可分为变气隙厚度的传感器和变气隙面 积S0的传感器。 目前使用最广泛的是变气隙厚度式电感 传感器。 由上式可知L与之间是 非线性关系， 特性曲线 下图所示： 变隙式电压传感器的L-特性 (1)变变气隙型 设电感传感器初始气隙为0，初始电感量为L0，衔铁位移 引起的气隙变化量为， 当衔铁处于初始位置时，初始电感 量： 当衔铁上移时，传感器气隙减小，即=0-， 则此时输出电感为L=L0+L， 得 当/02LC且2LC U68 ，则U2 0；而当衔铁在零位以下时， 则有U24 U68，则U2 0。U2的正负表示衔铁位移的方向。 差动整流电路具有结构简单, 不需要考虑相位调整和零点残 余电压的影响 , 分布电容影响小和便于远距离传输等优点，因 而获得广泛应用。 . . 三、 涡流式传感器 电涡流：金属导体置于变化的磁场中，导体 内就会有感应电流产生，这种电流的流线在 金属体内自行闭合，呈涡漩状。 涡流效应：电涡流的产生消耗一部分磁场能 量，从而使激励线圈的阻抗发生变化的现象。 1工作原理与结构 线圈的阻抗变化与金属导体的几 何形状、电导率、磁导率、线圈的 几何参数、激励电流的频率及线圈 到被测金属导体的距离等参数有关 。 2 基本特性 电涡流式传感器简化模型 把在被测金属导体上形成的电涡流等效成一个短路环， 即假设电涡流仅分布在环体之内， 模型中h（电涡流的贯穿 深度）可由下式求得： 式中, f为线圈激磁电流的频率。 根据简化模型，可画出等效电路图。图中R2为电涡流短路 环等效电阻，其表达式为 根据基尔霍夫第二定律： 式中： 线圈激磁电流角频率； R1、L1线圈电阻和电感； L2短路环等效电感； R2短路环等效电阻； M互感系数。 由上式解得等效阻抗Z的表达式为 (3-44) 式中：Req线圈受电涡流影响后的等效电阻 Leq线圈受电涡流影响后的等效电感 线圈的等效品质因数Q值为 3、电涡流形成范围 (1)涡流的径向形成范围 线圈导体系统产 生的电涡流密度既是线 圈与导体间距离x的函数 ，又是沿线圈半径方向r 的函数。当x一定时，电 涡流密度J与半径r的关系 曲线如图所示。 电涡流径向形成范围大约在传感器线圈外径ras的1.8 2.5倍范围内，且分布不均匀。 电涡流密度在ri=0处为零。 电涡流的最大值在r=ras附近的一个狭窄区域内。 可以用一个平均半径为的短路环来集 中表示分散的电涡流（图中阴影部分）。 （2）. 电涡流强度与距离的关系 当x改变时，电涡流密度发生变化，即电涡流强度随距离x的 变化而变化。根据线圈导体系统的电磁作用， 可以得到金属 导体表面的电涡流强度为 式中： I1线圈激励电流； I2金属导体中等效电流； x线圈到金属导体表面距离； ras线圈外径。 电涡流强度与距离归一化曲线 由曲线可以看出： 电涡流强度与距离x 呈非线性关系，且随着x/ras 的增加而迅速减小。 当利用电涡流式传 感器测量位移时，只有在 x/ras1(一般取0.050.15) 的条件下才能得到较好的 线性和较高的灵敏度。 (3). 电涡流的轴向贯穿深度 贯穿深度：把电涡流强度减小到表面强度的1/e处的表面厚度 。 由于金属导体的趋肤效应，电磁场不能穿过导体的无限厚 度，仅作用于表面薄层和一定的径向范围内，并且导体中产生 的电涡流强度是随导体厚度的增加按指数规律下降的。 式中：d金属导体中某一点与表面的距离； Jd沿H1轴向d处的电涡流密度； J0金属导体表面电涡流密度， 即电涡流密度最大值 ； h电涡流轴向贯穿的深度（趋肤深度）。 图为电涡流密度轴向分布曲 线。由图可见，电涡流密度主要 分布在表面附近。 电涡流密度轴向分布曲线 由上可知，被测体电阻率愈大， 相对导磁率愈小，以及传感器线 圈的激磁电流频率愈低，则电涡 流贯穿深度h愈大。故透射式电 涡流传感器一般都采用低频激励 。 直接调频：把被测参数的变化直接转化为振荡 器频率的变化。 L 4、测量电路 阻抗分压压式调调幅电电路 震荡器 放大检波滤波 C R f e e e0 e1 e2 f0f1f3 = 1 2 e 1 2 e2 e1 涡流传感器 线圈框架 电缆外壳 插头 涡流传感器结构图 五、电电感式传传感器的应应用 测测位移 电感测微仪 电感式接近传感器（金属） 涡流式传感器 案例：轴振动测量 案例：连续油管的椭圆度测量