传感器与检测技术的理论基础PPT电子课件教案-第4章 电感式传感器.ppt

4.1变磁阻式传感器4.2差动变压器式传感器4.3电涡流式传感器,返回主目录,主要内容,概述,电感式传感器利用电磁感应定律将被测非电量（如位移、压力、流量、振动）转换为电感系数或互感系数的变化。按传感器结构可分为：自感式、互感式、电涡流式。,各种电感式传感器,概述,概述电感应用,电感传感器测量滚珠直径，实现按误差分装塞选,优点：有结构简单,工作可靠,测量精度高,零点稳定,输出功率较大等一系列优点,缺点：其主要缺点是灵敏度、线性度和测量范围相互制约,传感器自身频率响应低,不适用于快速动态测量。这种传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制,在工业自动控制系统中被广泛采用。,这类传感器的主要特征是具有线圈绕组。,结构:由线圈、铁芯、衔铁三部分组成。铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为;传感器运动部分与衔铁相连，衔铁移动时发生变化，引起磁路的磁阻Rm变化，使电芯线圈的电感值L变化；只要改变气隙厚度或气隙截面积就可以改变电感。,4.1变磁阻式传感器（自感式）4.1.1工作原理,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。设Rm磁路总磁阻。对于变隙式传感器,因为气隙很小,所以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,磁阻是磁路对磁通具有阻碍作用的物理量,4.1变磁阻式传感器（自感式）4.1.1工作原理,Rm=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;,4.1变磁阻式传感器（自感式）4.1.1工作原理,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,即则可近似为Rm=,线圈自感可按下式计算：,式中：W线圈匝数；Rm磁路总磁组；So气隙的截面积；气隙厚度；o导磁率（真空、空气）,4.1变磁阻式传感器（自感式）4.1.1工作原理,衔铁位移引起的电感变化为：,电感初始气隙0处初始电感量为L0,0,L,L0,L0+L0,L0L0,4.1变磁阻式传感器（自感式）4.1.1工作原理,4.1变磁阻式传感器（自感式）4.1.2输出特性,/1时，用泰勒级数展开,衔铁下移时,衔铁上移时,对上式作线性处理忽略高次项时,讨论：传感器测量范围与灵敏度和线性度相矛盾；变间隙式电感传感器用于小位移比较精确；一般/=0.1-0.2；为减小非线性误差，实际测量中多采用差动式。,定义灵敏度,4.1变磁阻式传感器（自感式）4.1.2输出特性,差动式原理：,差动变隙式由两个相同的线圈和磁路组成。当被测量通过导杆使衔铁上下位移时，两个回路中磁阻发生大小相等、方向相反的变化，形成差动形式。,4.1变磁阻式传感器（自感式）4.1.2输出特性,对上式进行线性处理并忽略高次项：差动式灵敏度为：,电感的变化为：,4.1变磁阻式传感器（自感式）4.1.2输出特性,讨论：比较单线圈，差动式的灵敏度提高了一倍；差动式非线性项比单线圈多乘了(/)因子；不存在偶次项，因/0,不论u2与u0是正半周还是负半周，负载RL两端得到的电压uL始终为正。当x0时,u2与u0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u0是正半周还是负半周,负载电阻RL两端得到的输出电压uL表达式总是为,4.2差动变压器式传感器（互感式）4.2.4差动变压器式传感器及测量电路,所以上述相敏检波电路输出电压uL的变化规律充分反映了被测位移量的变化规律,即uL的值反映位移x的大小,而uL的极性则反映了位移x的方向。,4.2差动变压器式传感器（互感式）4.2.4差动变压器式传感器及测量电路,（3）集成相敏检波电路,4.2差动变压器式传感器（互感式）4.2.4差动变压器式传感器及测量电路,4.2差动变压器式传感器（互感式）4.2.4差动变压器式传感器及测量电路,4.2差动变压器式传感器（互感式）4.2.5应用举例,差动变压器式传感器可直接用于位移测量，也可以用来测量与位移有关的任何机械量，如振动，加速度，应变等等。,1.压差计当压差变化时，腔内膜片位移使差动变压器次级电压发生变化，输出与位移成正比，与压差成正比。,4.2差动变压器式传感器（互感式）4.2.5应用举例,2.液位测量,沉筒式液位计将水位变化转换成位移变化，再转换为电感的变化，差动变压器的输出反映液位高低。,3.电感测厚仪L1、L2是电感器传感器的两个线圈作为两个桥臂；四只二极管D1-D4组成相敏整流器；RP1调零电位器，RP2调电流表M满度；,被测厚度正常时电桥平衡无电流，被测厚度变化时电流M表方向偏转,根据电流方向确定衔铁移动方向。,4.2差动变压器式传感器（互感式）4.2.5应用举例,4.2差动变压器式传感器（互感式）4.2.5应用举例,4.3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，这种现象叫做电涡流效应。根据电涡流效应制作的传感器称电涡流传感器;电涡流传感器能够对被测量进行非接触测量;形成电涡流必须具备两个条件：存在交变磁场导电体处于交变磁场中,按照电涡流在导体内的贯穿情况,此传感器可分为高频反射式和低频透射式两类,4.3电涡流式传感4.3.1工作原理,把一个扁平线圈置于金属导体附近，当线圈中通以交变电流I1时，线圈周围空间产生交变磁场H1，当金属导体靠近交变磁场中时，导体内部就会产生涡流I2，这个涡流同样产生反抗H1的交变磁场H2。,4.3电涡流式传感4.3.2等效电路分析,根据涡流的分布，可以把涡流所在范围近似看成一个单匝短路次级线圈。当线圈靠近金属导体时，次级线圈通过互感M对初级作用。,等效电感为：,解方程得到传感器的等效阻抗,等效电阻为：,4.3电涡流式传感4.3.2等效电路分析,结论：凡是能引起R2L2M变化的物理量均可以引起传感器线圈R1、L1的变化。被测体（金属）的电阻率导磁率厚度d，线圈与被测体间的距离X，激励线圈的角频率等都通过涡流效应和磁效应与线圈阻抗Z发生关系,R2,L2,M,L1,R1,X,d,4.3电涡流式传感4.3.2等效电路分析,结论：、d、X、的变化使R1、L1发生变化，若控制某些参数不变，只改变其中一个参数，可使阻抗Z成为这个参数的单值函数。,等效阻抗与这些参数有函数关系：,4.3电涡流式传感4.3.2等效电路分析,4.3电涡流式传感4.3.3涡流的分布和强度,涡流的分布,因为金属存在趋肤效应，电涡流只存在于金属导体的表面薄层内,存在一个涡流区，实际上涡流的分布是不均匀的。涡流区内各处的涡流密度不同，存在径向分布和轴向分布。,金属,扁平线圈,涡流区,r/ros,1,h,ros,j,径向分布：涡流范围与涡流线圈外径有一固定比例关系，线圈外径确定后涡流范围也就确定了。线圈外径处，r=ros金属涡流密度最大；线圈中心处，r=0涡流密度为零(j=0)；r0.4ros处（以内）基本没有涡流；r=1.8ros线圈外径处涡流密度衰减到最大值的5%。涡流密度最大值在线圈外径附近一个狭窄区域内,4.3电涡流式传感4.3.3涡流的分布和强度,轴向分布：由于趋肤效应涡流只在表面薄层存在，沿磁场H方向（轴向）也是分布不均匀的。,h-趋肤深度-金属表面涡流密度,距离金属表面Z处涡流按指数规律衰减；,4.3电涡流式传感4.3.3涡流的分布和强度,强度：当线圈与被测体距离改变时，电涡流密度发生变化强度也要变化。金属导体表面的电涡流强度I2与距离X是非线性关系，随x/r上升而下降。,4.3电涡流式传感4.3.3涡流的分布和强度,4.3电涡流式传感4.3.4测量电路,变频调幅式电路原理,4.3电涡流式传感4.3.4测量电路,4.3电涡流式传感4.3.5电涡流传感器的应用,电涡流传感器目前主要应用于测位移、振动、转速、测厚度、测材料、测温度、电涡流探伤。特点：做非接触式测量。应用（1）测厚：低频透射式涡流厚度传感器高频反射式涡流厚度传感器（2）测转速（3）测振动（4）电涡流探伤,电涡流传感器,4.3电涡流式传感4.3.5电涡流传感器的应用,低频透射式涡流厚度传感器,4.3电涡流式传感4.3.5电涡流传感器的应用,高频反射式涡流厚度传感器,4.3电涡流式传感4.3.5电涡流传感器的应用,涡流转速测量,涡流振动测量,4.3电涡流式传感4.3.5电涡流传感器的应用,本章要点：,变磁阻式传感器（自感式）工作原理、测量电路（转换电路）；差动变压器式传感器（互感式）工作原理、等效电路及测量电路；零点残余电压的影响和补偿；电涡流传感器的工作原理及应用.,4.2差动变压器式传感器（互感式）,差动变压器结构形式,振荡器有时也称为信号发生器，振荡器有正弦波振荡器和非正弦信号发生器。正弦波振荡器有RC和LC正弦波震荡器两种。LC又可以分为LC选频放大器、变压器反馈式LC震荡器、三点式LC震荡器和石英晶振等。,补充：,补充：,图11.09电感三点式LC振荡器（CB）,图11.10电感三点式LC振荡器（CE）,