第4章 电感式传感器.ppt

电感式传感器 主讲 翟长远2020 1 25 2020 1 25 传感器原理与应用 2 目录 4 1自感式电感传感器4 2差动变压器式传感器4 3电涡流式传感器 2020 1 25 传感器原理与应用 3 电感式传感器利用电磁感应原理将非电量转换成自感系数L或者互感系数M的变化 优点 结构简单工作可靠测量精度高缺点 灵敏度 线性度和测量范围相互制约 自身频率响应低 不适于快速动态测量 2020 1 25 传感器原理与应用 4 4 1 1自感式电感传感器工作原理 变磁阻式传感器 2020 1 25 传感器原理与应用 5 4 1 1自感式电感传感器工作原理 线圈中电感量 线圈总磁链 线圈的匝数 通过线圈的电流 由磁路欧姆定律 穿过线圈的磁通 磁路总磁阻 磁动势 2020 1 25 传感器原理与应用 6 4 1 1自感式电感传感器工作原理 假定气隙中磁场均匀 忽略磁损 总磁阻为 i 各种材料的导磁率li 磁通通过各种材料的长度Ai 各种材料的截面积 气隙的厚度 可忽略 2020 1 25 传感器原理与应用 7 4 1 2自感式电感传感器分类 自感式电感传感器变气隙厚度 变气隙面积A0 气隙截面积 气隙厚度 2020 1 25 传感器原理与应用 8 4 1 3变气隙厚度式传感器特性 变隙式电压传感器的L 特性 L与 之间是非线性关系 返回 2020 1 25 传感器原理与应用 9 4 1 3变气隙厚度式传感器特性 初始电感量 衔铁上移 所以 灵敏度 测量范围与灵敏度及线性度相矛盾 特性图 2020 1 25 传感器原理与应用 10 4 1 4变气隙厚度式差动传感器 变隙厚度式差动传感器原理图 传感器原理图 2020 1 25 传感器原理与应用 11 4 1 4变气隙厚度式差动传感器 电桥式测量电路 Z1 Z Z1 Z2 Z Z2 电感的总变化量 2020 1 25 传感器原理与应用 12 4 1 4变气隙厚度式差动传感器 忽略高次项 灵敏度 结论灵敏度是单线圈的2倍 线性度得到明显改善 2020 1 25 传感器原理与应用 13 4 1 5自感式传感器的应用 变隙电感式压力传感器 变隙电感式压力传感器结构图 2020 1 25 传感器原理与应用 14 4 1 5自感式传感器的应用 变隙式差动电感压力传感器 图4 10变隙式差动电感压力传感器 2020 1 25 传感器原理与应用 15 4 2差动变压器式传感器 互感式传感器把测量的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器 差动变压器式传感器根据变压器的基本原理 并且次级绕组接成差动形式的传感器 2020 1 25 传感器原理与应用 16 4 2 1差动变压器式传感器分类 差动变压器式传感器变隙式 变面积式 螺线管式 2020 1 25 传感器原理与应用 17 4 2 2螺线管式差动变压器工作原理 螺线管式差动变压器结构 结构 2020 1 25 传感器原理与应用 18 4 2 2螺线管式差动变压器工作原理 等效电路 差动变压器等效电路 2020 1 25 传感器原理与应用 19 4 2 2螺线管式差动变压器工作原理 输出特性定性分析衔铁上移时M1 M2E2a E2b衔铁下移时M1 M2E2a E2b当衔铁处于中间位置时理论输出电压为0实际电压不为零 该电压称为零点残余电压 2020 1 25 传感器原理与应用 20 4 2 2螺线管式差动变压器工作原理 差动变压器输出电压的特性曲线 2020 1 25 传感器原理与应用 21 4 2 3螺线管式差动变压器特性 当次级开路时 初级线圈电流 次级绕组感应电动势 2020 1 25 传感器原理与应用 22 4 2 3螺线管式差动变压器特性 输出特性定量分析当衔铁处于中间位置时衔铁上移时衔铁下移时 M1 M2 M Uo 0 M1 M MM2 M M M1 M MM2 M M 2020 1 25 传感器原理与应用 23 4 2 4差动变压器式传感器测量电路 差动变压器测量电路要求能同时分辨出移动方向和大小 能消除零点残留电压 全波差动整流电路分析无论两个线圈输出瞬时电压极性如何 整流电路的输出电压为 U2的正负表示衔铁位移的方向 电路图 2020 1 25 传感器原理与应用 24 返回 2020 1 25 传感器原理与应用 25 4 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用于测量位移测量与位移有关的机械量振动加速度应变张力厚度 2020 1 25 传感器原理与应用 26 4 2 4差动变压器式传感器的应用 差动变压器式加速度传感器 图4 21差动变压器式加速度传感器原理图 2020 1 25 传感器原理与应用 27 4 3电涡流式传感器 电涡流效应块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时 导体将产生呈旋涡状的感应电流 此电流叫电涡流 此现象称为电涡流效应 电涡流式传感器根据电涡流效应制成的传感器 分类 高频反射式和低频透射式特点 可以对位移 厚度 速度等进行非接触式连续测量 体积小 灵敏度高 频率响应宽 2020 1 25 传感器原理与应用 28 4 3 1电涡流式传感器工作原理 电涡流式传感器原理图 传感器线圈等效阻抗 Z F r f x 电阻率 磁导率 线圈和导体的尺寸因子 频率 线圈与导体的距离 测量方法 只改变一个参数 通过测量Z求该参数 2020 1 25 传感器原理与应用 29 4 3 2电涡流式传感器基本特性 电涡流式传感器简化模型 等效短路环 电涡流贯穿厚度 透射式采用低频激励 2020 1 25 传感器原理与应用 30 4 3 2电涡流式传感器基本特性 电涡流式传感器等效电路图 短路环等效电阻 2020 1 25 传感器原理与应用 31 4 3 2电涡流式传感器基本特性 等效电路方程 解电路方程可得等效阻抗 等效品质因数 2020 1 25 传感器原理与应用 32 4 3 3电涡流形成范围 电涡流密度J与半径r的关系曲线 电涡流的径向形成范围 等效模型 2020 1 25 传感器原理与应用 33 4 3 3电涡流形成范围 特点电涡流密度既是距离x的函数 又是沿线圈半径方向r的函数 电涡流径向形成范围约在传感器外半径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ras的短路环来集中表示分散的电涡流 图中阴影部分 2020 1 25 传感器原理与应用 34 4 3 3电涡流形成范围 电涡流强度与距离的关系 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 在x ras 1 一般0 05 0 15 时 有较好的线性和较高灵敏度 2020 1 25 传感器原理与应用 35 贯穿深度 4 3 3电涡流形成范围 电涡流的轴向贯穿深度贯穿深度 电涡流强度减小到表面强度的1 e处的表面厚度 电涡流密度 到表面的距离 电涡流密度最大值 2020 1 25 传感器原理与应用 36 4 3 4电涡流传感器测量电路 调频式电路 调频式测量电路 a 测量电路框图 b 振荡电路 2020 1 25 传感器原理与应用 37 4 3 4电涡流传感器测量电路 调幅式电路 调幅式测量电路示意图 f0 固有频率的变化 L的变化 Uo的变化 初始状态下谐振 2020 1 25 传感器原理与应用 38 4 3 5电涡流传感器的应用 低频透射式涡流厚度传感器 透射式涡流厚度传感器结构原理图 金属板越厚 U2越小 非接触式测量 测量范围 1 100mm分辨率 0 1um线性度 1 2020 1 25 传感器原理与应用 39 4 3 5电涡流传感器的应用 高频反射式涡流厚度传感器 高频反射式涡流测厚仪测试系统图 2020 1 25