3.3 常用的传感器-电感式

测试技术基础 第二章常用的传感器 2 第四节电感式传感器 把被测量转换为电感变化的一种传感器 基于电磁感应原理 把被测量转化为电感量的一种装置 3 3电感式传感器 可用来测位移 压力 振动等参数 3 分类 电感式传感器 自感型 电涡流式 互感型 差动变压器式 3 3电感式传感器 压磁式 4 传感器由线圈 铁心和衔铁组成 其工作原理是基于机械量变化会引起线圈磁回路磁阻的变化 从而导致自感量变化这一现象 1 自感式传感器 线圈的电感可用下式表示 如果空气隙较小 且忽略磁路铁损时 磁路总磁阻为 因此有 1 自感传感器 5 由于电感传感器的铁心一般工作在非饱和状态下 其磁导率远大于空气隙的磁导率 因此铁心磁阻远较气隙磁阻小 因此 自感系数L与气隙 成反比 与气隙导磁面积A0成正比 1 自感传感器 6 变间隙式 传感器灵敏度为 气隙 愈小 则灵敏度S愈高 由于S不是常数 会产生非线性误差 因此这种传感器常规定在较小气隙变化范围内工作 设气隙变化为 0 0 由于气隙变化甚小 即 远小于 0时 一般要求小与10倍以上 S进一步近似为 此时S可近似为常数 因此 这种传感器一般只适用于小位移测量 其初始间隙一般取0 1 0 5mm 的最大值一般取的1 5 1 自感传感器 7 传感器灵敏度为 变面积型自感传感器的自感与面积成线性关系 但这种传感器的灵敏度较低 变面积式 1 自感传感器 8 对于变间隙式 改善非线性 提高灵敏度的方法如下 接成差动型 差动变气隙式自感传感器结构由两个电气参数和磁路完全相同的线圈组成 当衔铁移动时 一个线圈的自感增加 另一个线圈的自感减少 形成差动形式 如将这两个差动线圈分别接入测量电桥邻臂 即可改善非线性 提高灵敏度 同时可以减小或消除由于温度变化 电源波动 外界干扰等因素引起的测量误差 1 自感传感器 差动气隙式传感器工作行程很小 若取 0 2mm 则行程为 0 2 0 5 mm 较大行程的位移测量 常利用螺管式自感传感器 9 螺管式 螺管型电感传感器的衔铁随被测对象移动 线圈磁力线路径上的磁阻发生变化 线圈电感量也因此而变化 线圈电感量的大小与衔铁插入线圈的深度有关 根据结构形式 自感传感器可分为 气隙型 螺线管 1 自感传感器 可以看出 插入铁芯后 线圈电感的相对增量均与铁芯的插入深度X成正比 如果螺管内磁场强度均匀分布的范围大 就可以获得较大的线性位移传感器 从理论上 线性范围可以做的很大 但因实际制作的限制 目前已设计出了大于30cm的线性位移传感器 为了提高灵敏度和线性度 常采用差动螺管式电感传感器 10 螺管式 1 自感传感器 差动式螺管式传感器是一种开磁路的电感传感器 磁路中相当部分是空气 无明显的边界 因此分析复杂 主要特点是可构成较长的线性区 用于测量大线位移 缺点是灵敏度比变气隙传感器低 体积较大 11 变间隙型灵敏度较高 但非线性误差较大 且制作装配比较困难 变面积型灵敏度较前者小 但线性较好 量程较大 使用比较广泛 螺管型灵敏度较低 但量程大且结构简单易于制作和批量生产 是使用最广泛的一种电感式传感器 1 自感传感器 12 2 互感式传感器 差动变压器式传感器 工作原理 电磁感应中的互感现象 即变压器原理 互感M与两线圈的相对位置及周围介质的导磁能力等因素有关 表明两线圈之间的耦合程度 2 互感传感器 13 这种传感器的两个次级线圈接成差动式输出 称为差动变压器式传感器 2 互感传感器 差动变压器式传感器 差动变压器分气隙型和螺管型两种 目前多采用螺管型差动变压器 其基本元件有衔铁 初级线圈 次级线圈和线圈框架等 初级线圈作为差动变压器激励用 相当于变压器的原边 而次级线圈由结构尺寸和参数相同的两个线圈反相串接而成 相当于变压器的副边 14 差动变压器的输出电压为交流 它与衔铁位移成正比 用交流电压表测量其输出值只能反映衔铁位移的大小 不能反映移动的方向 2 互感传感器 初级线圈加入交流电压时 两次级线圈中分别产生感应电流e1 e2 15 同时由于两个次级线圈结构不对称 以及初级线圈铜损电阻 铁磁材料不均匀 线圈间分布电容等原因 会造成交流电压输出存在一定的零点残余电压 即当衔铁处于中间位置时 输出电压不为零 因此为补偿零点残余电压 同时使输出值能反映铁芯位移的方向 常采用差动相敏检波电路 差动变压器式传感器具有测量范围宽 100um 250um 线性度好 线性度误差在 0 1 0 25 之间 分辨力高 0 1um 灵敏度高等优点 将压力 重量等物理量转换成位移的变化 则该传感器可用于测量压力 重量等物理量 2 互感传感器 16 何谓涡流 在许多电工设备中都存在大块导体 如发电机和变压器的铁心和端盖等 当这些大块导体处在变化的磁场中时 其内部都会感应出电流 这些电流的特点是 在大块导体内部自成闭合回路 呈旋涡状流动 因此 称之为涡旋电流 简称涡流 例如 含有圆柱导体芯的螺管线圈中通有交变电流时 圆柱导体芯中出现的感应电流或涡流 如图所示 该涡流又将产生一个反作用与线圈的交变磁场 从而使线圈的阻抗发生变化 这种现象称为涡流效应 3 电涡流传感器 电涡流传感器利用涡流效应将被测机械量的变化转换成线圈阻抗的变化 从而进行位移 厚度 转速等参数的测量 17 交变电流频率越高 涡流的集肤效应越显著 即涡流穿透深度越小 其穿透深度 可见 涡流穿透深度与激励电流频率有关 所以根据激励频率高低 涡流传感器可分为 高频反射式和低频透射式两大类 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 由于结构简单 灵敏度高 频响范围宽 不受油污等介质的影响 并能进行非接触测量 适用范围广 用来测量位移 厚度 转速 等参数 以及用于无损探伤领域 由于目前高频反射式电涡流传感器应用广泛 因此本节主要介绍高频反射式电涡流传感器 18 高频反射式 如图所示 金属板置于一只线圈的附近 它们之间相互的间距为 当线圈输入一交变电流i1时 便产生交变磁通量 1 金属板在此交变磁场中会产生感应电流i2 这种电流在金属体内是闭合的 所以称之为 涡电流 或 涡流 这种涡电流也将产生交变磁场 2 与 1的线圈的磁场变化方向相反 2总是抵抗变化 由于涡流磁场 2的作用使原线圈的等效阻抗发生变化 涡电流式传感器是利用涡流效应 将非电量转换为阻抗的变化而进行测量的 1MHz 19 一般讲 线圈的阻抗变化与金属导体的电阻率 磁导率 线圈与金属导体的距离以及线圈激励电流的频率等参数有关 即 线圈阻抗是这些参数的函数 可写成 20 若能控制其中大部分参数恒定不变 只改变其中一个参数 这样阻抗就能成为这个参数的单值函数 涡流式传感器的特点是结构简单 易于进行非接触的连续测量 灵敏度较高 适用性强 因此得到了广泛的应用 利用变换量 等的综合影响 可以做成探伤装置等 其应用大致有下列四个方面 利用位移作为变化量 可以测被测量位移 厚度 振动 转速等传感器 也可做成接近开关 计数器等 利用材料电阻率作为变换量 可以做成温度测量 材质判别等传感器 利用磁导率作为变换量 可以做成测量应力 硬度等传感器 21 非接触电涡流式位移 振动传感器 具有非接触测量 线性范围较宽 灵敏度高 抗扰动能力强 无介质影响 稳定可靠 易于处理等优点 广泛应用于冶金 化工 航天等行业中 进行位移 振动 转速 厚度 表面不平度等机械量的检测 22 大直径电涡流探雷器 23 涡流振动测量 涡流转速测量 24 4 压磁式传感器 利用铁磁材料的压磁效应将被测力引起的磁导率的变化转换为电信号 压磁效应 某些铁磁物质在外界机械力的作用下 其内部产生机械应力 使磁化强度矢量重新取向从而改变应力方向的磁导率的现象称为压磁效应 其一般规律是 当某些材料受拉时 在受力方向上磁导率增高 而在与作用力相垂直的方向上磁导率降低 受压力时与之相反 25 铁磁材料的相对导磁率变化与应力 之间的关系为式中 铁磁材料的磁导率 BS 饱和磁感应强度 s 材料的饱和伸缩比从上式可知 用于压磁式传感器的铁磁材料要求能承受大的应力 磁导率高 饱和磁感应强度小 常用的材料是硅钢片与铁镍软磁合金 由于后者价贵且性能不够稳定 目前大都采用硅钢片 26 压磁式传感器的工作原理 压磁式测力传感器的压磁元件由硅钢片粘叠而成 硅钢片上冲有四个对称的孔 孔1 2间绕有激磁绕组W12 孔3 4间绕有测量绕组W34 当激磁绕组W12通过一定的交变电流时 铁心中就产生磁场 此时由于磁通不与测量线圈交链 因此不会产生感应电势 当有外力作用时 由于各向磁导率的变化 受压方向磁导率下降 磁阻增大 磁场分布呈椭圆形 且一部分通过了测量线圈 如图 c 所示 压力越大 通过测量线圈的磁通越多 因此测量线圈输出的感应电势将随压力的变化而变化 27 由压磁元件1 弹性支架2 传力钢球3组成 压磁式传感器结构 压磁式传感器具有输出功率大 抗干扰能力强 过载性能好 结构和电路简单 能在恶劣环境下工作 寿命长等一系列优点 目前 这种传感器已成功地用在冶金 矿山 造纸 印刷 运输等各个工业部门 例如用来测量轧钢的轧制力 钢带的张力 纸张的张力 吊车提物的自动测量 配料的称量 金属切削过程的切削力以及电梯安全保护等 28 29 利用涡电流传感器测量物体位移时 如果被测物体是塑料材料 此时能否进行位移测量 为了能对物体进行位移测量应采取什么措施 思考 30 31 作业 2 10 32 电涡流的应用 在我们日常生活中经常可以遇到 干净 高效的电磁炉 33 电磁炉内部的励磁线圈 34 电磁炉的工作原理 高频电流通过励磁线圈 产生交变磁场 在铁质锅底会产生无数的电涡流 使锅底自行发热 烧开锅内的食物 35 36 相敏检波电路图中调制电压er和e同频 经过移相器使er和e保持同相或反相 且满足er e 调节电位器R可调平衡 图中电阻R1 R2 R0 电容C1 C2 C0 输出电压为UCD 当铁芯下移时