传感器第三章 变阻抗式传感器原理与应用.ppt

,第3章变阻抗式传感器原理与应用,3.1自感式传感器3.2差动变压器3.3电容式传感器3.4电涡流式传感器3.5压磁式传感器,3.1自感式传感器,3.1.1工作原理3.1.2变气隙式自感传感器3.1.3变面积式自感传感器3.1.4螺线管式自感传感器3.1.5自感式传感器测量电路3.1.6自感式传感器应用举例,3.1.1工作原理,线圈自感,线圈总磁链,单位：韦伯；I通过线圈的电流，单位：安培；W线圈的匝数；Rm磁路总磁阻，单位：1/亨。,a)气隙型b)截面型c)螺管型自感式传感器原理图,li各段导磁体的长度；Ui各段导磁体的磁导率；Si各段导磁体的截面积；空气隙的厚度；U0真空磁导率S空气隙截面积,变气隙型传感器变截面型传感器,线圈中放入圆形衔铁可变自感螺管型传感器。,3.1自感式传感器,3.1.1工作原理3.1.2变气隙式自感传感器3.1.3变面积式自感传感器3.1.4螺线管式自感传感器3.1.5自感式传感器测量电路3.1.6自感式传感器应用举例,3.1.2变气隙式自感传感器,通常气隙的磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻,L与之间是非线性关系,当衔铁处于初始位置时，初始电感量为,当衔铁上移时，则，代入式（3.1.6）式并整理得,上式用泰勒级数展开成如下的级数形式,同理，当衔铁随被测物体的初始位置向下移动时，有：,对式（3.1.11）（3.1.13）作线性处理，即忽略高次项后可得,灵敏度为,变间隙式自感传感器的测量范围与灵敏度及线性度是相矛盾的，因此变隙式自感式传感器适用于测量微小位移场合。为了减小非线形误差，实际中广泛采用差动变隙式电感传感器,差动变隙式电感传感器,1-铁芯；2-线圈；3-衔铁,当衔铁向上移动时，两个线圈的电感变化量L1、L2,对上式进行线性处理，即忽略高次项得,灵敏度k0为,（1）差动变间隙式自感传感器的灵敏度是单线圈式传感器的两倍。（2）单线圈是忽略以上高次项，差动式是忽略以上高次项，因此差动式自感式传感器线性度得到明显改善。,3.1自感式传感器,3.1.1工作原理3.1.2变气隙式自感传感器3.1.3变面积式自感传感器3.1.4螺线管式自感传感器3.1.5自感式传感器测量电路3.1.6自感式传感器应用举例,3.1.3变面积式自感传感器,传感器气隙长度保持不变，令磁通截面积随被测非电量而变，设铁芯材料和衔铁材料的磁导率相同，则此变面积自感传感器自感L为,灵敏度,变面积式自感传感器在忽略气隙磁通边缘效应的条件下，输入与输出呈线性关系；因此可望得到较大的线性范围。但是与变气隙式自感传感器相比，其灵敏度降低。,3.1自感式传感器,3.1.1工作原理3.1.2变气隙式自感传感器3.1.3变面积式自感传感器3.1.4螺线管式自感传感器3.1.5自感式传感器测量电路3.1.6自感式传感器应用举例,3.1.4螺线管式自感传感器,1-螺线管线圈；2-螺线管线圈；3-骨架；4-活动铁芯,L10，L20分别为线圈、的初始电感值；,当铁芯移动（如右移）后，使右边电感值增加，左边电感值减小,根据以上两式，可以求得每只线圈的灵敏度为,两只线圈的灵敏度大小相等，符号相反，具有差动特征。,式(3.1.21)和式(3.1.24)可简化为,3.1自感式传感器,3.1.1工作原理3.1.2变气隙式自感传感器3.1.3变面积式自感传感器3.1.4螺线管式自感传感器3.1.5自感式传感器测量电路3.1.6自感式传感器应用举例,3.1.5自感式传感器测量电路,1.调幅电路2.调频电路3.调相电路4.自感传感器的灵敏度,1.调幅电路,(1)变压器电路,输出空载电压,初始平衡状态，Z1=Z2=Z,u0=0衔铁偏离中间零点时,使用元件少，输出阻抗小,获得广泛应用,传感器衔铁移动方向相反时,空载输出电压,两种情况的输出电压大小相等，方向相反，即相位差180为了判别衔铁位移方向，就是判别信号的相位，要在后续电路中配置相敏检波器来解决。,(2)相敏检波电路,当衔铁偏离中间位置而使Z1=Z+Z增加，则Z2=Z-Z减少。这时当电源u上端为正，下端为负时，电阻R1上的压降大于R2上的压降；当u上端为负，下端为正时，R2上压降则大于R1上的压降，电压表V输出上端为正，下端为负。,非相敏整流和相敏整流电路输出电压比较(a)非相敏整流电路；（b）相敏整流电路,使用相敏整流，输出电压U0不仅能反映衔铁位移的大小和方向，而且还消除零点残余电压的影响，,(3)谐振式调幅电路,电路的灵敏度很高，但是线性差，适用于线性要求不高的场合。,2.调频电路,传感器自感变化将引起输出电压频率的变化,灵敏度很高，但线性差，适用于线性要求不高的场合,3.调相电路,传感器电感变化将引起输出电压相位变化,4.自感传感器的灵敏度,传感器结构灵敏度转换电路灵敏度,总灵敏度,第一项决定于传感器的类型第二项决定于转换电路的形式第三项决定于供电电压的大小,气隙型、变压器电桥传感器,传感器灵敏度的单位为mV/(mV)电源电压为1V，衔铁偏移1m时，输出电压为若干毫伏,3.1自感式传感器,3.1.1工作原理3.1.2变气隙式自感传感器3.1.3变面积式自感传感器3.1.4螺线管式自感传感器3.1.5自感式传感器测量电路3.1.6自感式传感器应用举例,3.1.6自感式传感器应用举例,自感式位移传感器自感式压力传感器,1.自感式位移传感器,1传感器引线2铁心套筒3磁芯4电感线圈5弹簧6防转件7滚珠导轨8测杆9密封件10玛瑙测端,2.自感式压力传感器,变隙式自感压力传感器结构图,变隙差动式电感压力传感器,Endthe3.1,3.2差动变压器,差动变压器是把被测的非电量变化转换为传感器线圈的互感系数的变化。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组常用差动的形式连接，故称之为差动变压器式传感器。,3.2差动变压器,3.2.1工作原理及分类3.2.2变隙式差动变压器3.2.3差动变压器应用,.工作原理,-活动衔铁；-导磁外壳；-骨架；-匝数为W1初级绕组；-匝数为W2a的次级绕组；-匝数为W2b的次级绕组,.基本特性,当次级开路时有,初级线圈激励电流,根据电磁感应定律，次级绕组中感应电势的表达式为,次级两绕组反相串联，且考虑到次级开路，则,输出电压有效值,基本特性分析：,（1）当活动衔铁处于中间位置时M1=M2=M则U2=0（2）当活动衔铁向W2a方向移动时M1=M+M,M2=M-M故（3）当活动衔铁向W2b方向移动时M1=M-M，M2=M+M故,差动变压器输出电压特性曲线,(a)、(b)变隙式差动变压器；(c)、(d)螺线管式差动变压器；(e)、(f)变面积式差动变压器,3.2差动变压器,3.2.1工作原理及分类3.2.2变隙式差动变压器3.2.3差动变压器应用,3.2.2变隙式差动变压器,1.工作原理2.输出特性3.主要性能4.零点残余电压及消除方法5.转换电路,变隙式差动变压器,当一次侧线圈接入激励电压后，二次侧线圈将产生感应电压输出互感变化时，输出电压将作相应变化,两个初级绕组的同名端顺向串联，而两个次级绕组的同名端则反向串联。,当没有位移时，衔铁C处于初始平衡位置，它与两个铁芯的间隙为a0=b0=0两个次级绕组的互感电势相等，即e2a=e2b。由于次级绕组反向串联，因此，差动变压器输出电压当被测体有位移时，与被测体相连的衔铁的位置将发生相应的变化，使ab两次级绕组的互感电势e2ae2b，输出电压电压的大小反映了被测位移的大小，通过用相敏检波等电路处理，使最终输出电压的极性能反映位移的方向。,1.工作原理,.输出特性,如果被测体带动衔铁移动,变隙式差动变压器输出特性理想特性；实际特性,结论：,供电电源首先要稳定，电源幅值的适当提高可以提高灵敏度K值;增加W2/W1的比值和减少0都能使灵敏度K值提高;以上分析的结果是在忽略铁损和线圈中的分布电容条件下得到的;以上结果是在假定工艺上严格对称前提下得到的，而实际上很难做到这一点;上述推导是在变压器副边开路的情况下得到的。,.主要性能,（1）灵敏度（2）线性度,（1）灵敏度,差动变压器在单位电压激励下，铁芯移动一个单位距离时的输出电压，以V/mm/V表示。理想条件下，差动变压器的灵敏度KE正比于电源激励频率f.,KE与f关系曲线,提高输入激励电压，将使传感器灵敏度按线性增加。,除了激励频率和输入激励电压对差动变压器灵敏度有影响外，提高线圈品质因数Q值，增大衔铁直径，选择导磁性能好，铁损小以及涡流损耗小的导磁材料制作衔铁和导磁外壳等可以提高灵敏度。,（2）线性度,线性度:传感器实际特性曲线与理论直线之间的最大偏差除以测量范围（满量程），并用百分数来表示。影响差动变压器线性度的因素:骨架形状和尺寸的精确性，线圈的排列，铁芯的尺寸和材质，激励频率和负载状态等。改善差动变压器的线性度:取测量范围为线圈骨架长度的1/10-1/4，激励频率采用中频，配用相敏检波式测量电路,4.零点残余电压及消除方法,零点残余电压危害：使传感器输出特性在零点附近的范围内不灵敏，限制着分辨力的提高。零点残余电压太大，将使线性度变坏，灵敏度下降，甚至会使放大器饱和，堵塞有用信号通过，致使仪器不再反映被测量的变化。,产生零点残余电压的原因,（1）由于两个二次测量线圈的等效参数不对称，使其输出的基波感应电动势的幅值和相位不同，调整磁芯位置时，也不能达到幅值和相位同时相同。（2）由于铁芯的B-H特性的非线性，产生高次谐波不同，不能互相抵消。（3）励磁电压波形中含有高次谐波。,减小零点残余电压措施：,提高框架和线圈的对称性，特别是两个二次线圈对称。采用适当的测量电路，一般可采用在放大电路前加相敏整流器。在电路上进行补偿，使零点残余电压最小，接近于零。线路补偿主要有：加串联电阻，加并联电容，加反馈电阻或反馈电容等。,补偿零点残余电压的电路,5.转换电路,能辨别移动方向消除零点残余电压（1）差动整流电路（2）相敏检波电路（3）直流差动变压器电路,（1）差动整流电路,(a)、(b)适用于高阻抗负载(c)、(d)适用于低阻抗负载电阻R0用于调整零点残余电压。,（2）相敏检波电路,（a）相敏检波电路原理图；（b）us、u2为正半周时等效电路；(c)us、u2为负半周时等效电路,相敏检波电路波形,(a）被测位移变化波形图；(b)差动变压器激励电压波形；(c)差动变压器输出电压波形；(d)相敏检波解调电压波形；(e)相敏检波输出电压波形,（3）直流差动变压器电路,应用场合：需要远距离测量，便携，防爆及同时使用若干个差动变压器，且需避免相互间或对其它仪器设备产生干扰的场合。,3.2差动变压器,3.2.1工作原理及分类3.2.2变隙式差动变压器3.2.3差动变压器应用,3.2.3差动变压器应用,1.力和力矩的测量2.微小位移的测量3.压力测量4.加速度传感器,1.力和力矩的测量,1线圈2衔铁3弹性元件,优点：承受轴向力时应力分布均匀；当长径比较小时，受横向偏心的分力的影响较小。,2.微小位移的测量,1测端2防尘罩3轴套4圆片簧5测杆6磁筒7磁芯8线圈9弹簧10导线,3.压力测量,微压力传感器1-接头；2-膜盒；3-底座；4-线路板；5-差动变压器线圈；6-衔铁；7-罩壳；8-插头；9-通孔,传感器与弹性敏感元件（膜片、膜盒和弹簧管等）相结合，可以组成开环压力传感器和闭环力平衡式压力计,4.加速度传感器,1悬臂梁；2差动变压器,Endthe3.2,3.3电容式传感器,3.3.1电容式传感器的工作原理3.3.2电容式传感器主要性能3.3.3电容式传感器的特点和设计要点3.3.4电容式传感器等效电路3.3.5电容式传感器测量电路3.3.6电容式传感器的应用3.3.7容栅式传感器,3.3.1电容式传感器的工作原理,1.工作原理及类型2.变面积型电容传感器3.变介电常数型电容传感器4.变极距型电容式传感器,什么是电容器？,电容器有两个用介质（固体、液体或气体）或真空隔开的电导体构成。,电容,导体上的电荷,导体之间的电压差,1.工作原理,S极板相对覆盖面积；d极板间距离；r相对介电常数；0真空介电常数（8.85pF/m）；电容极板间介质的介电常数。,等位环结构,带有等位环的平板电容传感器原理1、2电极3等位环,2.变面积型电容传感器,当动极板相对于定极板沿着长度方向平移时，其电容变化量化为,C与x间呈线性关系,电容式角位移传感器,当=0时,当0时,传感器电容量C与角位移间呈线性关系，但如果输出是，则是非线性关系。,3.变介电常数型电容式传感器,初始电容,电容式液位传感器,电容与液位的关系为：,当L=0时，传感器的初始电容,当被测电介质进入极板间L深度后，引起电容相对变化量为,电容变化量与电介质移动量L呈线性关系,4.变极距型电容传感器,非线性关系,若d/d103kv/mm)或塑料膜来改善电容器耐压性能,差动结构也可提高灵敏度,2.非线性,变极距型,将上式展开成泰勒级数得,d取值不能大，否则将降低灵敏度,采用差动形式，并取两电容之差为输出量,差动式的非线性得到了很大的改善，灵敏度也提高了一倍,如果采用容抗作为电容式传感器输出量,被测量与d成线性关系,无需满足,3.3电容式传感器,3.3.1电容式传感器的工作原理3.3.2电容式传感器主要性能3.3.3电容式传感器的特点和设计要点3.3.4电容式传感器等效电路3.3.5电容式传感器测量电路3.3.6电容式传感器的应用3.3.7容栅式传感器,3.3.3传感器的特点和设计要点,1.特点2.设计要点,1、特点,优点:1.温度稳定性好（电容值与电极材料无关本身发热极小）2.结构简单、适应性强3.动态响应好4.可以实现非接触测量、具有平均效应,动态响应好,极板间的静电引力很小，需要的作用能量极小可测极低的压力和力，很小的速度、加速度。可以做得很灵敏，分辨率非常高，能感受0.001mm甚至更小的位移可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻，减小了惯性其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆赫的频率下工作，特别适合动态测量。介质损耗小，可以用较高频率供电系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数，如测量振动、瞬时压力等。,缺点：,1、输出阻抗高、负载能力差传感器的电容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几十到几百皮法，使传感器的输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗高达106108。因此传感器负载能力差，易受外界干扰影响2、寄生电容影响大传感器的初始电容量很小，而传感器的引线电缆电容、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等“寄生电容”却较大，这一方面降低了传感器的灵敏度；另一方面这些电容(如电缆电容)常常是随机变化的，将使传感器工作不稳定，影响测量精度,2.设计要点,减小环境温度湿度等变化所产生的影响，保证绝缘材料的绝缘性能消除和减小边缘效应消除和减小寄生电容的影响，防止和减少外界干扰尽可能采用差动式电容传感器,低成本、高精度、高分辨率、稳定可靠和高的频率响应,(1)减小温度误差、保证高的绝缘性能,选材、结构、加工工艺电极：温度系数低的铁镍合金、陶瓷或石英上喷镀金或银（电极可做得薄，减小边缘效应）电极支架：选用温度系数小和几何尺寸长期稳定性好，并具有高绝缘电阻、低吸潮性和高表面电阻的材料，例如石英、云母、人造宝石及各种陶瓷等做支架电介质：空气或云母（介电常数温度系数近为0）传感器密封，用以防尘、防潮采用差动结构、测量电路来减小温度等误差,(2).消除和减小边缘效应,危害：灵敏度降低、产生非线性适当减小极间距，使电极直径或边长与间距比很大，可减小边缘效应的影响，但易产生击穿并有可能限制测量范围,(3)消除和减小寄生电容的影响，防止和减少外界干扰,（a）屏蔽和接地（b）增加初始电容值，降低容抗。（c）导线间分布电容有静电感应，因此导线和导线要离得远，线要尽可能短，最好成直角排列，若采用平行排列时可采用同轴屏蔽线。（d）尽可能一点接地，避免多点接地,(5)差动技术的运用,减小非线性误差提高传感器灵敏度减小寄生电容的影响温度、湿度等环境因素的影响,3.3电容式传感器,3.3.1电容式传感器的工作原理3.3.2电容式传感器主要性能3.3.3电容式传感器的特点和设计要点3.3.4电容式传感器等效电路3.3.5电容式传感器测量电路3.3.6电容式传感器的应用3.3.7容栅式传感器,3.3.4电容式传感器等效电路,L包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感；r由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成；C0为传感器本身的电容Cp为引线电缆、所接测量电路及极板与外界所形成的总寄生电容Rg是极间等效漏电阻极板间的漏电损耗和介质损耗、极板与外界间的漏电损耗和介质损耗,低频等效电路,传感器电容的阻抗非常大，L和r的影响可忽略等效电容C=C0+Cp，等效电阻ReRg,高频等效电路,电容的阻抗变小，L和r的影响不可忽略，漏电的影响可忽略，其中C=C0+Cp，而rer,由于电容传感器电容量一般都很小，电源频率即使采用几兆赫，容抗仍很大，而R很小可以忽略，因此,此时电容传感器的等效灵敏度为,当电容式传感器的供电电源频率较高时，传感器的灵敏度由kg变为ke，ke与传感器的固有电感（包括电缆电感）有关，且随变化而变化。,3.3电容式传感器,3.3.1电容式传感器的工作原理3.3.2电容式传感器主要性能3.3.3电容式传感器的特点和设计要点3.3.4电容式传感器等效电路3.3.5电容式传感器测量电路3.3.6电容式传感器的应用3.3.7容栅式传感器,3.3.5电容式传感器测量电路,(1)电桥电路(2)运算放大器电路(3)脉宽调制电路(4)调频电路(5)双T型电桥电路,(2).运算放大器式电路,最大特点：能克服变极距型电容传感器的非线性,Cx是传感器电容C是固定电容u0是输出电压信号,运算放大器式电路原理图,由运算放大器工作原理可知,结论：从原理上保证了变极距型电容式传感器的线性假设放大器开环放大倍数A=，输入阻抗Zi=因此仍然存在一定的非线性误差，但一般A和Zi足够大，所以这种误差很小。,(3).差动脉冲调宽电路,利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化通过低通滤波器就能得到对应被测量变化的直流信号,差动脉冲调宽电路原理图,uAB经低通滤波后，就可得到一直流电压U0为,式中UA、UBA点和B点的矩形脉冲的直流分量；T1、T2分别为C1和C2的充电时间；U1触发器输出的高电位。,C1、C2的充电时间,式中Ur触发器的参考电压,设R1=R2=R，则得,结论：输出的直流电压与传感器两电容差值成正比,设电容C1和C2的极间距离和面积分别为d1、d2和S1、S2,差动变极距型差动变面积型,特性：差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容式传感器并具有理论上的线性特性,(4)调频电路,当被测信号为零时，C=0，振荡器有一个固有振荡频率f0，,当被测信号不为零时，c0，此时频率为,具有较高的灵敏度，可测至0.01m级位移变化量易于用数字仪器测量，并与计算机通讯，抗干扰能力强,(5)二极管双T型电路,电源为正半周D1短路D2开路，电容C1被充电影响不予考虑，电容C2的电压初始值为UE,若二极管理想化，当电源为正半周时，电路等效成一阶电路,供电电压是幅值为UE、周期为T、占空比为50%的方波可直接得到电容C2的电流iC2如下:,在R+(RRL)/(R+RL)C2T/2时，电流iC2的平均值IC2可以写成,故在负载RL上产生的电压为,同理，可得负半周时电容C1的平均电流IC1为,电路的特点:,线路简单，可全部放在探头内，大大缩短了电容引线、减小了分布电容的影响；电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高度稳定；输出阻抗为R，而与电容无关，克服了电容式传感器高内阻的缺点；适用于具有线性特性的单组式和差动式电容式传感器。,优点：,采用直流电源，其电压稳定度高不存在稳频、波形纯度的要求也不需要相敏检波与解调等对元件无线性要求经低通滤波器可输出较大的直流电压对输出矩形波的纯度要求也不高,3.3电容式传感器,3.3.1电容式传感器的工作原理3.3.2电容式传感器主要性能3.3.3电容式传感器的特点和设计要点3.3.4电容式传感器等效电路3.3.5电容式传感器测量电路3.3.6电容式传感器的应用3.3.7容栅式传感器,3.3.6电容式传感器的应用,(1)电容式差压传感器(2)电容式振动位移传感器(3)电容式加速度传感器,电容式差压传感器,结构简单、灵敏度高、响应速度快(约100ms)能测微小压差(00.75Pa)、真空或微小绝对压力需把膜片的一侧密封并抽成高真空(10-5Pa)即可,电容式位移传感器应用,1、5固定极板2壳体3簧片4质量块6绝缘体精度较高，频率响应范围宽，量程大，可以测很高的加速度,电容式加速度传感器,电荷平衡式位移传感器,可变电压VM与测头的位置成比例已在类似于孔径测量仪等便携式测量工具中应用。,3.3电容式传感器,3.3.1电容式传感器的工作原理3.3.2电容式传感器主要性能3.3.3电容式传感器的特点和设计要点3.3.4电容式传感器等效电路3.3.5电容式传感器测量电路3.3.6电容式传感器的应用3.3.7容栅式传感器,3.3.7容栅式传感器,(1)基本类型及工作原理(2)容栅传感器电极的结构形式(3)信号处理方式(4)容栅式传感器应用,(1)基本类型及工作原理,长容栅圆容栅,片状柱状,长容栅,n动尺栅级片数a,b栅极片长度和宽度,柱状圆容栅,r2,r1圆盘栅极片外半径和内半径a每条栅极片对应的圆心角（rad）,(2)容栅传感器电极的结构形式,（a）直电极反射式（b）直电极透射式（c）反射式L型电极,(a)直电极反射式,结构形式简单，使用方便，移动过程中，导轨的误差对测量精度影响较大,(b)直电极透射式,测量调整方便、安装误差和运行误差的影响降低、制造安装困难,(c)反射式L型电极,增大反射电极的面积，增加耦合的电容量，提高传感器的灵敏度，增强抗干扰能力和提高稳定性,(3)信号处理方式,鉴幅式测量电路系统可达到0.001mm分辨力，主要在测长仪上使用，鉴相式测量电路系统分辨力为0.01mm，主要在电子数字显示卡尺等数显量具上使用。,（a）鉴幅式测量系统,（b）鉴相式测量系统,式中，Um发射电极激励信号基波电压幅值；发射电极激励信号基波电压的频率。,设,设,反映了传感器输出电压相位的变化规律，而又与位移x有关，故通过测量输出电压的相位，就可间接的测量位移的大小。鉴相式测量电路具有较强的抗干扰能力。鉴相式测量电路在理论上还存在非线性误差，同时由于激励电压含有高次谐波，影响了测量精度。,(4)容栅式传感器应用,主要应用于量具、量仪和机床数显装置。角位移容栅传感器已在电子数显千分尺及机床分度盘中应用。线位移容栅传感器已在电子数显卡尺、数显深度尺、数显高度尺、机床数显标尺中应用,Endthe3.3,3.4电涡流式传感器,当导体置于变化的磁场中或在固定磁场中运动时，导体内都要产生感应电动势形成电流，这种电流在导体内闭合的，称为涡流。,穿透深度,式中,导体电阻率(cm)；r导体相对磁导率；交变磁场频率(Hz)。,电涡流式传感器,3.4.1高频反射式涡流传感器3.4.2低频透射式涡流传感器3.4.3涡流式传感器的应用,3.4.1高频反射式涡流传感器,1.基本原理2等效电路3.传感器的结构4.测量电路,1.基本原理,线圈置于金属导体附近：线圈中通以高频信号i1正弦交变磁场H1金属导体内就会产生涡流涡流产生电磁场反作用于线圈，改变了电感,电感变化程度取于线圈L的外形尺寸，线圈L至金属板之间的距离，金属板材料的电阻率和磁导率以及的频率等,2等效电路,电感LE表示金属板对涡流呈现的电感效应电阻RE表示在金属板上的涡流损耗互感系数M表示LE与原线圈L之间的相互作用R为原线圈L的损耗电阻C为线圈与装置的分布电容,考虑到涡流的反射作用，L两端的阻抗ZL可用下式表示,式中,信号源的角频率；K耦合系数，K2=M2(LLE)。,表3.4.1不同频率时的感抗分量与电阻分量,计算邻近高频线圈的金属板呈现的电感效应与涡流损耗之间的数量关系可以进行估计。,金属板对涡流呈现的电感效应可以用许多大小不同的电感线圈按一定方式结合起来的总效应来等效。,由于RLE则式(3.4.2)可以简化为,ZL的虚部与金属板的电阻率无关，而仅与耦合系数K有关，即仅与线圈至金属板之间的距离有关,在实际条件下，即K1，并有RLE可以认为式(3.4.2)在特定条件下(测量信号频率较高，金属板电阻率较小且变化范围不大)存在着以下的关系,3.传感器的结构,线圈框架3框架衬套4支架5电缆6插头,4.测量电路,定频测距电路调频测距电路,定频测距电路,将Lx的关系转换成Ux。的关系。通过检波电压U的测量，就可以确定距离x的大小。这里Ux，曲线与金属板电阻率的变化无关。,若去掉金属板，则L=L(即x趋于时的L值)。如果在保持幅值不变的情况下，改变正弦振荡器的频率，则可以得到U曲线，即传感器回路的并联谐振曲线,谐振频率为,有金属板时，设振荡器的频率为f0。若改变金属板与传感器之间的距离x，则Ux曲线,当x足够大时(此时L=L，U=U)，回路处于并联谐振状态。,调频测距电路,当传感器线圈与被测物体间的距离x变化时，引起线圈的电感量L发生变化，从而使振荡器的频率改变，然后通过鉴频器将频率变化再变成电压输出。,调频式测量电路图,电容三点式振荡器射极输出器,传感器输出电缆的分布电容的影响不能忽视的。,钢板铜板,电涡流式传感器,3.4.1高频反射式涡流传感器3.4.2低频透射式涡流传感器3.4.3涡流式传感器的应用,3.4.2低频透射式涡流传感器,透射式涡流传感器原理线圈感应电势与厚度关系曲线,测厚的依据:E的大小间接反映了M的厚度t,当选用不同的测试频率时，渗透深度Q渗的值是不同的，从而使Et曲线的形状发生变化。,在t较小的情况下，Qs3曲线的斜率大于Qs1曲线的斜率；而在t较大的情况下，Qs1曲线的斜率大于Qs3曲线的斜率。测量薄板时应选较高的频率，测量厚材时应选较低的频率。,测试频率与材料关系,对于一定的测试频率，当被测材料的电阻率不同时，渗透深度Q渗的值也不相同，于是又引起Et曲线形状的变化，为使测量不同的材料时所得到的曲线形状相近，就需在变动时保持Q不变，这时应该相应地改变f。测较小的材料(如紫铜)时，选用较低的f(500Hz)而测较大的材料(如黄铜、铝)时，则选用较高的f(2KHz)，从而保证传感器在测量不同材料时的线性度和灵敏度。,电涡流式传感器,3.4.1高频反射式涡流传感器3.4.2低频透射式涡流传感器3.4.3涡流式传感器的应用,3.4.3涡流式传感器的应用,1位移测量,(a)汽轮机主轴的轴向位移测量示意图(b)磨床换向阀、先导阀的位移测量示意图(c)金属试件的热膨胀系数测量示意图,2振幅测量,(a)汽轮机和空气压缩机常用的监控主轴的径向振动的示意图(b)测量发动机涡轮叶片的振幅的示意图(c)通常使用数个传感器探头并排地安置在轴附近,3厚度测量,电涡流式厚度计的测量原理图,4转速测量,f频率值(Hz)；n旋转体的槽(齿)数；N被测轴的转速(rmin)。,5.涡流探伤,可以用来检查金属的表面裂纹、热处理裂纹以及用于焊接部位的探伤等。综合参数(x,)的变化将引起传感器参数的变化，通过测量传感器参数的变化即可达到探伤的目的。在探伤时导体与线圈之间是有着相对运动速度的，在测量线圈上就会产生调制频率信号,a)比较浅的裂缝信号b)经过幅值甄别后的信号,在探伤时，重要的是缺陷信号和干扰信号比。为了获得需要的频率而采用滤波器，使某一频率的信号通过，而将干扰频率信号衰减。,用涡流探伤时的测量信号,Endthe3.4,3.5压磁式传感器,3.5.1基本原理3.5.2传感器的形式3.5.3参数选取的基本原则3.5.4压磁传感器的误差,3.5.1基本原理,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，从而引起磁导率的改变。磁致伸缩:某些铁磁物质在外界磁场的作用下会产生变形，有些伸长，有些则压缩。,磁致伸缩,正磁致伸缩: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；负磁致伸缩:某些材料受拉时，在受力方向上磁导率降低，而在与作用力相垂直的方向上磁导率增高只有在一定条件下(如磁场强度恒定)压磁效应才有单值特性，但不是线性关系,铁磁材料的压磁应变灵敏度,表示方法与应变灵敏度系数表示方法相似,式中,磁导率的相对变化；l在机械力的作用下铁磁物质的相对变形,工业纯铁的和l的关系,压磁应力灵敏度,单位机械应力,所引起的磁导率相对变化,压磁传感器:用来测量压力、拉力、弯矩、扭转力(或力矩),变换链,3.5压磁式传感器,3.5.1基本原理3.5.2传感器的形式3.5.3参数选取的基本原则3.5.4压磁传感器的误差,