部分传感器原理3-电感式

三、电感式传感器,电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量（如位移、力、流量、振动）转化为电感量的一种装置。,分类:,电感式传感器,第三章常用传感器与敏感元件,主要优点：1）结构简单、工作可靠；2）灵敏度高，能分辨0.01m的位移变化；3）测量精度高、零点稳定、输出功率较大；4）可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；主要缺点：1）灵敏度、线性度和测量范围相互制约；2）自身频率响应低，不适用于快速动态测量。,电感式传感器特点,电感式传感器,1.自感型,当衔铁随被测量x变化而上、下移动时，其与铁心间的气隙发生变化，磁路磁阻随之变化，从而引起线圈电感量的变化；通过测量电路转换成与位移成比例的电量，实现了非电量到电量的变换。,（1）可变磁阻式,结构原理如右图所示,1线圈2铁心3衔铁,x,电感式传感器,线圈电感L由电工学可知，匝数为N的线圈电感为,式中Rm磁路总磁阻,如果空气气隙d较小，且不考虑磁路的铁损，则总磁阻Rm,式中l铁心导磁长度；m铁心导磁率；A铁心导磁截面积d气隙长度；m0空气导磁率；A0空气气隙导磁截面积,电感式传感器,线圈电感L由电工学可知，匝数为N的线圈电感为,式中Rm磁路总磁阻,如果空气气隙d较小，且不考虑磁路的铁损，则总磁阻Rm,因为铁心磁阻与空气气隙的磁阻相比较很小，计算时可以忽略不计，则上式可简化为,电感式传感器,自感型可变磁阻式传感器的自感L,变间隙型,传感器灵敏度：,S与气隙长度的平方成反比，d愈小，S愈高；同时存在非线性误差。为减小此误差，通常规定在较小间隙变化范围内使用，一般取Dd/d00.1。这种传感器适用于较小位移（0.0011mm）的测量。,电感式传感器,可变磁阻式传感器的典型结构,变间隙型,变面积型,单螺旋管线圈型,双螺旋管线圈型,用于电感测微计，常用测量范围为0300mm，最小分辨力为0.5mm，接在交流电桥的相邻两桥臂。,当铁心在线圈中运动时，改变磁阻，使线圈自感发生变化。这种传感器结构简单、制造容易，但灵敏度低，适用于较大位移（数毫米）测量。,电感式传感器,电感式接近传感器（金属）,电感式传感器,测量范围：20。基本误差：.。输出讯号：。传感器工作环境：温度：-2+相对湿度：RHRH灵敏度：0.45v/mm。传感器供电电源为DC15V，外形尺寸22228。,（2）涡流式,原理:涡电流效应,涡流式传感器是利用涡电流效应进行工作的。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。,涡电流：金属块放在变化的磁场中，穿过金属块的磁通量发生变化时，金属块内部就会产生感应电流，该电流在金属块内部形成闭合回路，就像旋涡一样，故称为涡电流。,电感式传感器,通常把电涡流传感器按激磁电源频率高低分为两大类：高频反射式电涡流传感器和低频透射式电涡流传感器，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。,高频反射式,原理图,根据楞次定律，涡电流的交变磁场F1与线圈的磁场F变化方向相反，F1总是抵抗F的变化。由于涡流磁场对导磁材料的作用以及气隙对磁路的影响，便原线圈的等效阻抗Z发生变化，变化程度与距离d有关。,电感式传感器,分析表明，影响高频线圈阻抗Z的因素，除了线圈与金属板间距离d以外，还有金属板的电阻率r，磁导率m以及线圈激磁圆频率w等。当改变其中某一因素时，即可达到不同的变换目的。例如，变化d，可作为位移、振动测量；变化r或m值，可作为材质鉴别或探伤等。,电感式传感器,高频反射式电涡流传感器测量电路,根据电涡流效应原理和等效电路,电涡流传感器输出的测量电路有以下两种形式。阻抗分压式调幅电路调频电路,电感式传感器,调频电路,d,dDd,金属板与传感器之间的距离,电感式传感器,调频式测量电路的原理是被测量变化引起传感器线圈电感的变化，而电感的变化导致振荡频率发生变化，频率变化间接反映了被测量的变化。见图电涡流式传感器外形图。,ST-1电涡流式传感器外形图,低频透射式电涡流传感器,电感式传感器,电涡流传感器可用于动态非接触测量，测量范围视传感器结构、线圈匝数和励磁频率而定，一般从(110)mm，最高分辨力可达0.1m。此外，具有结构简单、使用方便、不受油污等介质的影响等优点。因此，近年来涡流式位移和振动测量仪、测厚仪和无损检测探伤仪等在机械、冶金等部门中日益得到广泛应用，在径向振摆、回转轴运动误差、转速和厚度测量，以及在零件计数、表面裂纹和缺陷测量中都有应用，如图所示。,电感式传感器,电涡流传感器应用实例,电感式传感器,电涡流传感器产品,电感式传感器,案例：连续输油管的椭圆度测量,电感式传感器,案例：无损探伤,原理：裂纹检测，缺陷造成涡流变化。,火车轮检测,油管检测,电感式传感器,2.互感型差动变压器式电感传感器,M比例系数，称为互感（H）,工作原理:互感现象,如图所示,当线圈W1输入交流电流i1时，线圈W2产生感应电势e12，其大小与电流变化率i1成正比，即,电感式传感器,互感型差动变压器,输出电压：,电感式传感器,差动相敏测量电路原理,上图是一种用于小位移测量的差动相敏检波电路工作原理图。在没有输入信号时，让铁心处于中间位置，调节电阻R，使零点残余电压减小；当有输入信号时，铁心移上或移下，其输出电压经交流放大、相敏检波、滤波后得到直流输出，由表头指示输入位移量大小和方向。,电感式传感器,差动变压器式电感传感器具有精确度高(最高分辨力可达0.1mm)、线性范围大(可扩展到100mm)、稳定性好和使用方便的特点，被广泛用于直线位移测定。但其实际测量频率上限受到传感器机械结构的限制。借助于弹性元件可以将压力、重量