第五章 电感式传感器.ppt

第第5 5章章 电感式传感器电感式传感器 5.1 5.1 5.2 5.2 差动变压器式传感器差动变压器式传感器 5.3 5.3 电涡流式传感器电涡流式传感器 电感传感器（inductance sensor）： 利用电磁感应原理将被测非电量转换成线圈自 感系数l或互感系数m的变化，进而由测量电路转换 为电压或电流的变化量。 被测量被测量 自感自感l(l(互感互感m) um) u（i i） 可用来测量位移、压力、流量、振动等非电量信 号。 各种电感式传感器各种电感式传感器 非接触式位移传感器 测厚传感器 电 感 粗 糙 度 仪 接近式传感器 电感式浮球传感器 5.1 变磁阻式传感器 5.1.1 结构与工作原理 变磁阻式传感器的结构如图 5.1.1 所示。它由线 圈、铁芯和衔铁三部分组成。 图5.1.1 变磁阻式传感器 s1 l1 l 1 w 2 3 l2 1线 圈 ； 2铁 芯(定 铁 芯)； 3衔 铁(动 铁 芯) s2 根据电感定义, 线圈 中电感量可由下式确定: 5.1 变磁阻式传感器 i w l 式中式中: i: i通过线圈的电流通过线圈的电流; ; w w线圈的匝数线圈的匝数; ; 穿过线圈的磁通。穿过线圈的磁通。 由磁路欧姆定律, 得 m r iw 式中：式中： r rm m为磁路总磁阻。为磁路总磁阻。 两式联立得两式联立得: : m r w l 2 (5-1) 5.1 变磁阻式传感器 对于空气间隙很小的时候可以认为气隙中的磁 场是均匀的。若忽略磁路磁损, 则磁路总磁阻为 (5-2) 0022 2 11 1 2 ss l s l rm 式中式中: : 11铁芯材料的磁导率铁芯材料的磁导率; 2; 2衔铁材料的磁导率衔铁材料的磁导率; ; 00空气的磁导率空气的磁导率; l1; l1磁通通过铁芯的长度磁通通过铁芯的长度; ; l2l2磁通通过衔铁的长度磁通通过衔铁的长度; s0; s0气隙的截面积气隙的截面积; ; s1s1铁芯的截面积铁芯的截面积; s2; s2衔铁的截面积衔铁的截面积; ; 气隙的厚度。气隙的厚度。 5.1 变磁阻式传感器 通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻, 即 22 2 00 11 1 00 2 2 s l s s l s 则式(5-2)可近似为 00 2 s rm 综上，则(5-1)变为 2 00 22 sw r w l m 5.1 变磁阻式传感器 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, 只要改变，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， 变磁导率和变气隙面积s0 变气隙厚度 5.1 变磁阻式传感器 5.1 变磁阻式传感器 变气隙面积式 5.1 变磁阻式传感器 测量原理：测量原理： 铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制 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。当衔铁移动时, 气隙厚 度发生改变, 引起磁路中磁阻变化, 从而导致电 感线圈的电感值变化, 因此只要能测出这种电感量 的变化, 就能确定衔铁位移量的大小和方向。 使用最广泛的是变气隙厚度变气隙厚度式电感传感器式电感传感器。 5.1 变磁阻式传感器 5.1.2 输出特性分析 由式 2 00 22 sw r w l m 可知l与之间是非 线性关系，特性曲 线如图5.1.2所示。 图5.1.2 变隙式电压传感器的l-特性 5.1 变磁阻式传感器 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，初始电感量为： 0 2 00 0 2 ws l 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， 代入上式 5.1 变磁阻式传感器 整理得 0 0 0 00 2 0 1 )(2 lsw lll 当/0u68 ，则u20；而当衔铁 在零位以下时，则有u240时, u2与us同频同相, 当位移x0时,u2与us为同频同相,当u2与us均为正半 周时,见图5.2.7(a), 环形电桥中二极管vd1、d4 截止, vd2、vd3导通, 则可得图5.2.7(b)的等效电 路。 5.2 差动变压器式传感器 根据变压器的工作原理，考虑到o、m分别为变 压器t1、t2的中心抽头，则 1 2 2221 2 21 2 2 n u uu n u uu s ss 式中，n1 , n2分别为变压器t1、t2的变压比。 5.2 差动变压器式传感器 x0： u2与us同频同相，二者均为正半周时，由图 5.2.7（b），利用电路分析中的叠加定理，可得： )2( 1 2 l l o rrn ur u u2与us均为负半周时，由图5.2.7（c）可得输 出电压uo表达式与正半周相同。 结论：只要位移x0，不论u2与us是正半周还是 负半周，负载电阻rl两端得到的电压uo始终为正。 5.2 差动变压器式传感器 x0： u2与us为同频反相。采用上述相同的分析方法 不难得到当x0时，不论u2与us是正半周还是负 半周，负载电阻rl两端得到的输出电压uo表达式总 是为 )2( 1 2 l l o rrn ur u 所以上述相敏检波电路输出电压uo的变化规律充 分反映了被测位移量的变化规律, 即uo的值反映位移 x的大小, 而u0的极性则反映了位移x的方向。 5.2 差动变压器式传感器 下图是用于小位移测量的差动相敏检波电路工作原理。 5.2 差动变压器式传感器 5.2.4. 差动变压器式传感器的应用 差动变压器式传感器可以直接用于位移测量， 也可以测量与位移有关的任何机械量，如振动、 加速度、应变、比重、张力和厚度等。 5.2 差动变压器式传感器 它可以作为精密测量仪的主要部件，对零件 进行多种精密测量工作，如内径、外径、不平 行度、粗糙度、不垂直度、振摆、偏心和椭圆 度等；作为轴承滚动自动分选机的主要测量部 件，可以分选大、小钢球、圆柱、圆锥等；用 于测量各种零件膨胀、伸长、应变等。 图为测量液位的原理图。 当某一设定液位使铁芯处于 中心位置时，差动变压器输 出信号uo=0；当液位上升或下 降时，uo0，通过相应的测 量电路便能确定液位的高低。 1 1位移测量位移测量 5.2 差动变压器式传感器 5.2 差动变压器式传感器 2 2振动和加速度测量振动和加速度测量 测量时，将悬臂梁底座及 差动变压器的线圈骨架固 定，而将衔铁的a端与被测 振动体相连。 此时传感器 作为加速度测量中的惯性 元件，它的位移与被测加位移与被测加 速度成正比速度成正比，使加速度测加速度测 量转变为位移的测量量转变为位移的测量。 1 1 b 2 a x(t) 1悬 臂 梁 ； 2差 动 变 压 器 1-悬臂梁；2-差动变压器 差动变压器加速度计结构 5.2 差动变压器式传感器 3 3压力测量压力测量 差动变压器和弹性敏感元件组合，可以组成开 环压力传感器。由于差动变压器输出是标准信号， 常称为变送器。 这种微压力变送器，经分档可测(4+6)104 n/m2的压力，输出信号电压为050mv，精度1.0 级、1.5级。 外力作用下，变形使 差动变压器的铁芯微 位移，变压器次极产 生相应电信号。 5.2 差动变压器式传感器 4. 4.电感式滚珠直径分选装置电感式滚珠直径分选装置 5.2 差动变压器式传感器 1.差动螺线管式电感传感器主要由两个 的螺 线管连接， 初始状态处于对称位置组成，因而 两个螺线管的初始 相等。 2. 通常用差动螺线管式传感器测量（ ） a、电压 b、磁场强度 c、位移 d、压力 3. 差动螺线管式电感传感器的配用测量电路有（ ） a、直流电桥 b、变压器式交流电桥 c、带相敏整流的交流电桥 d、运算放大器电路 4. 螺线管式差动变压器传感器主要由 、 和 组成。 差动连接 铁芯 电感 c c 活动衔铁 导磁外壳 骨架 5. 把被测非电量的变化转换成线圈互感变化的互感式传 感器是根据 的基本原理制成的，其二次绕组都用 形式连接，所以又叫差动变压器式传感器。 6. 螺线管式差动变压器传感器在活动衔铁位于 位 置时，输出电压应该为零，实际不为零，称它 为 。 7. 减少螺线管式差动变压器传感器零点残余电压最有 效的办法是尽可能保证传感器 、 和 相互对称。 变压器 差动 中心 零点残余电压 采用适当的测量电路 采用补偿线路 次级绕组结构的 5.3 电涡流式传感器 由法拉第电磁感应原理可知： 一个块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场 中作用切割磁力线运动时，导体内部会产生一圈圈 闭和的电流，这种电流叫电涡流，这种现象叫做电电 涡流效应涡流效应。 电涡流传感器能够对被测量进行非接触测量；具 有体积小, 灵敏度高, 频率响应宽等特点, 应用极其 根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。 5.3 电涡流式传感器 5.3.1 工作原理 图 5.3.1 为电涡流式传感器的原理图, 该图由传 感器线圈和被测导体组成线圈导体系统。 根据法拉第定律，当传感器线圈通以正弦交变电 流i1时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场h1，使 置于此磁场中的金属导体中感应电涡流i2，i2又产生 新的交变磁场h2。根据楞次定律，h2的作用将反作用 于原磁场h1，由于磁场h2的作用，涡流要消耗一部分 能量，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。 5.3 电涡流式传感器 图5.3.1 电涡流式传感器的原理图 5.3 电涡流式传感器 实验证明，电涡流效应的影响因子： （1）被测体：电阻率、磁导率以及几何形状； （2）线圈：激磁电流频率f； （3）线圈与导体间的距离x。 因此，传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗z的 函数关系式为： z=f(,r, f , x) 尺寸因子 5.3 电涡流式传感器 5.3.2 基本特性 电涡流传感器简化模型如图5.3.2。 ras 1 x h ra ri (r) 2 3 1 传感器线圈 2 短路环 3 被测金属导体 图5.3.2 电涡流式传感器简化模型 模型中把在被 测金属导体上 形成的电涡流 等效成一个短 路环 5.3 电涡流式传感器 电涡流传感器简化模型的等效电路如图5.3.3所示。 1 u l1l2 12 r1 r2 m 2 i 1 i 1传 感 器 线 圈 ；2电 涡 流 短 路 环 图中r2为电涡流短 路环等效电阻, 其 i a r r h r ln 2 2 图5.3.3 电涡流式传感器等效电路图 5.3 电涡流式传感器 根据基尔霍夫定律, 可列出如下方程： 0 22221 121111 iljirimj uimjiljir 由上述方程组可解得等效阻抗等效阻抗z z的表达式为的表达式为 eqeq ljr l lr m ljr lr m r i u z 2 2 2 22 2 22 12 2 2 22 2 22 1 1 1 5.3 电涡流式传感器 式中：req线圈受电涡流影响后的等效电阻等效电阻 leq线圈受电涡流影响后的等效电感等效电感 线圈的等效品质因数q值为： 2 2 2 22 2 22 1 r lr m rreq 2 2 2 22 2 22 1 l lr m lleq eq eq r l q 5.3 电涡流式传感器 5.3.3 电涡流形成范围 电涡流密度既是线圈与导体间距离距离x x的函数， 又是沿线圈半径方向半径方向r r的函数，即，即j=j(x,r)j=j(x,r)。 当x一定时，电涡流密度j与半径r的关系曲线 如图5.3.4所示。 图中j0为金属导体表面电涡流密度最大值。 jr为半径r处的金属导体表面电涡流密度。 1.电涡流的径向形成范围电涡流的径向形成范围 5.3 电涡流式传感器 图5.3.4 电涡流密度j与半径r的关系曲线 jr /j0 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 3210123 3 r/ri 2 h x ri ra ras 1 2 等效短路环 1 电涡流线圈 3 电涡流密度分布 5.3 电涡流式传感器 由图可知： 电涡流径向形成的范围大约在传感器线圈外径 ras的0.51.5 倍范围内, 且分布不均匀。 电涡流密度在短路环半径r=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ras（ras=（ri+ra）/2）的 短路环来集中表示分散的电涡流（图中阴影部分）。 5.3 电涡流式传感器 2. 2. 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（用等效电流i2表示） 与线圈-金属块间距x的关系如下： 22 12 1 as rx x ii 线圈到金属导体表面距离 线圈激励电流 线圈外径 电涡流强度 5.3 电涡流式传感器 上式可用归一化曲线图5.3.5表示。 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 123456 i2 / i 1 x / ras 图5.3.5 电涡流强度与距离归一化曲线 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0.05 0.15)的条件下才能得到 较好的线性和较高的灵敏 度。 贯穿深度：电涡流强度减小到表面处1/e时的厚度。 金属导体有趋肤效应，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，且涡 流强度随导体厚度的增加按指数规律下降。 电流密度按指数衰减的分布规律可表示如下： 5.3 电涡流式传感器 3. 3. 电涡流的轴向贯穿深度电涡流的轴向贯穿深度 hd d ejj / 0 5.3 电涡流式传感器 模型中假设电涡流仅分布在环体之内, 模型中 电涡流的贯穿深度h由以下公式求得 f h r 0 其中其中 0真空磁导率，真空磁导率， r相对磁导率相对磁导率 电阻率，电阻率，f线圈激磁电流的频率线圈激磁电流的频率 图5.3.6 电涡流密度轴向分布曲线 jd j0 / e o h d j0 5.3 电涡流式传感器 由h表达式知，传感 器线圈激磁电流频率和电 涡流贯穿深度h成反比。 因此涡流式传感器主要有 两种类型：高频反射式 （应用广泛）和低频透射 式。故透射式电涡流传感 器一般都采用低频激励， 而反射式电涡流传感器采 用高频激励。 5.3 电涡流式传感器 5.3.4 用于电涡流传感器的测量电路主要有调频式、 调幅式电路两种。 1. 1. 调频式电路调频式电路 传感器线圈接入lc振荡回路，当传感器与被测 导体距离x改变时，在涡流影响下，传感器的(阻抗) 电感变化，将导致振荡频率的变化，该变化的频率 是距离x的函数f=l(x)，该频率可由数字频率计直接 测量，或者通过f-v变换，用数字电压表测量对应的 电压。 lc f 2 1 5.3 电涡流式传感器 频 率 计 f-v 电 压 表 振 荡 器 c l x (a) r1 r2c1 r3 r4 c2 c3 c4 r5 c6 r6 c5 c l(x) vcc (b) l1 v1 v2 f 图5.3.7 调频式测量电路 (a) 测量电路框图； (b) 振荡电路 t c1 c2 l c3 rerb2 cb rb1 rc 共基极接法共基极接法 vcc l c3 c1 c2 ci co t 5.3 电涡流式传感器 2. 2. 调幅式电路调幅式电路 石英晶体振荡电路如图5.3.8所示。 放 大检 波指 示 r io l c uo 图5.3.8 调幅式测量电路示意图 注：这是一个并联谐注：这是一个并联谐 振电路，谐振时呈现振电路，谐振时呈现 的是高阻抗特性。的是高阻抗特性。 5.3 电涡流式传感器 石英晶体振荡器起恒流源的作用，给谐振回路 提供一个频率（f0）稳定的激励电流i0，lc回路输 出电压 式中, z为lc回路的阻抗。 fo u zr z u 5.3 电涡流式传感器 当金属导体远离或被去掉时，lc并联谐振回 路谐振频率即为石英振荡频率f0，回路呈现的阻 抗最大，谐振回路上的输出电压也最大；当金属 导体靠近传感器线圈时，由于电涡流效应，线圈 的等效电感l发生变化，导致回路失谐，从而使输 出电压降低，因此， l的数值随距离x的变化而变 化；输出电压也随x而变化。输出电压经过放大、 检波后，由指示仪表直接显示出x的大小。 检测深度：由于电涡流只能检测导体表面的各种物理参数。 改变f，可控制检测深度。激励源频率设定在100khz1mhz。 频率越低，检测深度越深。 间距x的测量：如果控制阻抗z表达式中的其它参量不变，电 涡流线圈的阻抗z就成为间距x的单值函数，这样就成为非接 触测量位移的传感器。 其它用途：如果控制f，x不变，就可以用来检测与表面电导 率有关的表面温度，表面裂纹等参数，或者用来检测与材料 磁导率有关的材料型号、表面硬度等参数。 5.3 电涡流式传感器 5.3.5 涡流式传感器的应用 5.3 电涡流式传感器 1. 1.低频透射式涡流厚度传感器低频透射式涡流厚度传感器 图5.3.9为透射式涡流厚度传感器的结构原理图。 当在l1上加低频电压us时，l1上产生交变磁 通1。若两线圈间无金属板，则交变磁通直接 耦合至l2中，l2产生感应电压u0。 5.3 电涡流式传感器 l1 l2 1 1 s u 0 u 图5.3.9 透射式涡流厚度传感器结构原理图 如果将被测金属板放 入两线圈之间，则l1 线圈产生的磁场将导 致在金属板中产生电 涡流，并将贯穿金属 板。此时磁场能量受 到损耗，使到达l2的 磁通将减弱为1， 从而使l2产生的感应 电压u0下降。 发射传感器线圈 被测金属板 接收传感器线圈 金属板越厚，涡流 损失就越大，电压u0就 越小。因此，可根据u0 电压的大小得知被测金 属板的厚度。 透射式涡流厚度传 感器的检测范围可达 1100 mm， 分辨率为 0.1m，线性度为1%。 5.3 电涡流式传感器 2. 2. 高频反射式涡流厚度传感器高频反射式涡流厚度传感器 图5.3.10 高频反射式涡流测厚仪测试系统图 厚 度 给 定 系 统 s1 检 波 比 较 电 压 检 波 s2 加 法 器指 示 仪 表 带 材 x x1x2 5.3 电涡流式传感器 原理 在带材的上、下两侧对称设置两个特性完全相同 的涡流传感器s1和s2。s1和s2与被测带材表面之间 的距离分别为x1和x2。 分析s1： 高频信号施加于电感线圈s1上，线圈产生的高频电 磁场作用于金属板的上表面。由于趋肤效应，高 频电磁场不能透过具有一定厚度的金属板，而仅 作用于上表面的薄层内。 5.3 电涡流式传感器 金属板上表面感应的涡流所产生的电磁场反作用于 线圈，使其电感量发生变化，而该电感量与距离x1 有关。测出电感即可得距离x1。 同理可得下面的线圈s2与被侧件下表面的距离x2。 若带材厚度不变，则被测带材上、下表面之间的距 离总有x1+x2=常数的关系存在，两传感器的输出电 压之和为2uo，数值不变。 如果被测带材厚度改变量为，则两传感器 与带材之间的距离也改变一个，两传感器输 出电压此时为2uou。 u经放大器放大后，通过指示仪表即可指示 出带材的厚度变化值。带材厚度给定值与偏差指 示值的代数和就是被测带材的厚度。 5.3 电涡流式传感器 5.3 电涡流式传感器 3. 3. 图5.3.11所示为电涡流式转速传感器工作原理图。 在软磁材料制成的输入轴上加工一键槽，在距 输入表面d0处设置电涡流传感器， 输入轴与被测 旋转轴相连。 转轴转动到键槽时： 传感器与输入轴的距离变为d0+d，传感器 线圈阻抗随之变化，从而使振荡器的振荡频率发 生变化。该频率将反映转轴的转速。 5.3 电涡流式传感器 振 荡 器 高 频 放 大 器 检 波 器 整 形 电 路 d 输 入 轴 d0 传 感 器 fn 图5.3.11 电涡流式转速传感器工作原理图 这种转速传感器可实现非接触式测量，抗污染能力 很强，可安装在旋转轴近旁长期对被测转速进行监视。 最高测量转速可达600 000r/min（即每分钟60万转）。 5.3 电涡流式传感器 5.3 电涡流式传感器 5.3 电涡流式传感器 5.3 电涡流式传感器 5.3 电涡流式传感器 大直径电涡流探雷器 电涡流探头外形 5.3 电涡流式传感器 涡流探伤仪 涡流探伤仪是一种无损检测装置， 用于探测金属导体材料表面