第4章胡向东传感器与检测技术PPT.ppt

第4章电感式传感器,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,电感式传感器的工作基础：电磁感应即利用线圈电感或互感的改变来实现非电量测量,分为变磁阻式、变压器式、涡流式等特点：工作可靠、寿命长灵敏度高，分辨力高精度高、线性好性能稳定、重复性好,4.1变磁阻式传感器（自感式）,4.1.1工作原理变磁阻式传感器由线圈、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，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。,线圈中电感量可由下式确定：,根据磁路欧姆定律：,式中,Rm为磁路总磁阻。,（4-1）,（4-2）,气隙很小，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,（4-3）,通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻，即,（4-4）,则式（4-3）可写为,（4-5）,联立式（4-1）、式（4-2）及式（4-5），可得,（4-6）,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A0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A0的传感器。目前使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器。,4.1.2输出特性L与之间是非线性关系，特性曲线如图5-2所示。,图4-2变隙式电压传感器的L-特性,分析：当衔铁处于初始位置时，初始电感量为,（4-7）,当衔铁上移时，传感器气隙减小，即=0，则此时输出电感为,（4-8）,当/01时（台劳级数）：,（4-9）,可求得电感增量L和相对增量L/L0的表达式，即,(4-10),(4-11),同理，当衔铁随被测体的初始位置向下移动时，有,（4-12）,（4-13）,对式（4-11）、（4-13）作线性处理，即忽略高次项后，可得,（4-14）,灵敏度为,可见：变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾，因此变隙式电感式传感器适用于测量微小位移的场合。,（4-15）,与,衔铁上移切线斜率变大,衔铁下移切线斜率变小,与线性度,衔铁上移：,衔铁下移：,无论上移或下移，非线性都将增大。,差动变隙式电感传感器,为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变隙式电感传感器。,衔铁上移：两个线圈的电感变化量L1、L2分别由式（4-10）及式（4-12）表示，差动传感器电感的总变化量L=L1+L2,具体表达式为,对上式进行线性处理,即忽略高次项得,灵敏度K0为,比较单线圈式和差动式：差动式变间隙电感传感器的灵敏度是单线圈式的两倍。差动式的非线性项(忽略高次项)：单线圈的非线性项（忽略高次项)：由于/00，不论u0与uy是正半周还是负半周，负载电阻RL两端得到的电压始终为正。当x0时：u0与uy为同频反相。不论u0与uy是正半周还是负半周，负载电阻RL两端得到的输出电压表达式总是为,4.差动变压器式传感器的应用可直接用于位移测量，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。,电感式滚珠直径分选装置实现按滚珠直径大小分类并计数,图4.22差动变压器式加速度传感器原理图,差动变压器式加速度传感器:由悬臂梁和差动变压器构成。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，它的位移与被测加速度成正比，使加速度测量转变为位移的测量。当被测体带动衔铁以x(t)振动时，导致差动变压器的输出电压也按相同规律变化。,4.3电涡流式传感器（互感式）,4.3.1工作原理,电涡流式传感器原理图（a）传感器激励线圈;（b）被测金属导体,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。根据愣次定律，H2的作用将反抗原磁场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。线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。,式中,r为线圈与被测体的尺寸因子。测量方法：如果保持上式中其它参数不变，而只改变其中一个参数，传感器线圈阻抗Z就仅仅是这个参数的单值函数。通过与传感器配用的测量电路测出阻抗Z的变化量，即可实现对该参数的测量。,Z=F(,r,f,x),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,4.3.2基本特性,电涡流式传感器简化模型,电涡流传感器简化模型中，把在被测金属导体上形成的电涡流等效成一个短路环，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。,电涡流式传感器等效电路图,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，可列出如下方程：,解得等效阻抗Z的表达式为,线圈的等效品质因数Q值为,可见：因涡流效应，线圈的品质因素Q下降。,4.3.3电涡流传感器测量电路主要有调频式、调幅式电路两种。1.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，即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。振荡器的频率为,为了避免输出电缆的分布电容的影响，通常将L、C装在传感器内。此时电缆分布电容并联在大电容C2、C3上，因而对振荡频率f的影响将大大减小。,2.调幅式电路由传感器线圈L、电容器C和石英晶体组成。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io，LC回路输出电压,式中,Z为LC回路的阻抗。,当金属导体远离或去掉时，LC并联谐振回路谐振频率即为石英振荡频率fo，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，线圈的等效电感L发生变化，导致回