传感器原理及应用-第4章.ppt

,传感器原理及应用PrinciplesandApplicationsofSensors,主讲：王殿生教授,第四章,作业,第二版教材86-87页：练习题：4-2，4-4，4-9第三版教材84-85页：练习题：4-2，4-4，4-10,第4章电感式传感器,电感式传感器的定义一种利用线圈自感和互感的变化实现非电量电测的装置。电感式传感器的感测量位移、振动、压力、应变、流量、比重等。电感式传感器的种类根据转换原理：自感式（変磁阻式）、互感式（差动变压器式）、电涡流式三种；根据结构形式：气隙型、面积型和螺管型。,第4章电感式传感器,电感式传感器的优点结构简单、可靠分辨率高机械位移0.1m，甚至更小；角位移0.1角秒。输出信号强，电压灵敏度可达数百mV/mm。重复性好，线性度优良在几十m到数百mm的位移范围内，输出特性的线性度较好，且比较稳定。能实现远距离传输、记录、显示和控制,电感式传感器的不足存在交流零位信号，不宜高频动态测量。,第4章电感式传感器,4.1变磁阻式电感传感器4.2差动变压器式电感传感器4.3电涡流式传感器4.4电感式传感器的应用,一、变磁阻式传感器工作原理二、变磁阻式传感器基本类型三、变截面式自感传感器输出特性四、变间隙式自感传感器输出特性五、差动式自感传感器六、自感式传感器的等效电路七、自感式传感器的测量电路,4.1变磁阻式电感传感器,变磁阻式传感器即自感式电感传感器：利用线圈自感量的变化来实现测量的。传感器结构：线圈、铁芯和衔铁三部分组成。,一、变磁阻式传感器工作原理,4.1变磁阻式电感传感器,线圈中电感量：,工作原理：铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成，在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为，传感器的运动部分与衔铁相连。当被测量变化时，使衔铁产生位移，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感量变化。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。,总磁阻,线圈匝数,一、变磁阻式传感器工作原理,4.1变磁阻式电感传感器,气隙截面积A保持不变，则L为的单值函数，构成变气隙厚度式自感传感器。,保持气隙间距不变，A随被测量（如位移）变化，构成变气隙面积式自感传感器。,一、变磁阻式传感器工作原理二、变磁阻式传感器基本类型三、变截面式自感传感器输出特性四、变间隙式自感传感器输出特性五、差动式自感传感器六、自感式传感器的等效电路七、自感式传感器的测量电路,4.1变磁阻式电感传感器,变磁阻式传感器即自感式电感传感器的基本类型：,二、变磁阻式传感器基本类型,4.1变磁阻式电感传感器,（1）变气隙厚度式（2）变气隙面积式变截面式和螺管式,变气隙厚度式,螺管式,变气隙截面式,一、变磁阻式传感器工作原理二、变磁阻式传感器基本类型三、变截面式自感传感器输出特性四、变间隙式自感传感器输出特性五、差动式自感传感器六、自感式传感器的等效电路七、自感式传感器的测量电路,4.1变磁阻式电感传感器,三、变截面式自感传感器输出特性,4.1变磁阻式电感传感器,气隙截面面积A0时自感系数,当传感器截面增加A时，则输出电感为,因此，输出电感的变化与截面面积的变化成线性关系。,三、变截面式自感传感器输出特性,4.1变磁阻式电感传感器,当传感器截面减小A时，同理有,输出电感灵敏度与初始截面面积的成反比关系。,因此既可确定衔铁位移量的大小又可确定方向。,输出电感灵敏度,三、变截面式自感传感器的输出特性,4.1变磁阻式电感传感器,一、变磁阻式传感器工作原理二、变磁阻式传感器基本类型三、变截面式自感传感器输出特性四、变间隙式自感传感器输出特性五、差动式自感传感器六、自感式传感器的等效电路七、自感式传感器的测量电路,4.1变磁阻式电感传感器,四、变间隙式自感传感器输出特性,4.1变磁阻式电感传感器,气隙厚度0时自感系数,当衔铁上移时，传感器气隙减小，即=0-，则输出电感为,四、变间隙式自感传感器输出特性,4.1变磁阻式电感传感器,当/0R，则有Z1+Z2j(L1+L2),电感式传感器的测量电路：交流电桥、变压器式交流电桥以及谐振式等。,1、交流电桥式测量电路,电桥输出电压为,七、自感式传感器的测量电路,4.1变磁阻式电感传感器,线性处理后电桥输出电压为,1、交流电桥式测量电路,差动式传感器的电感灵敏度K0为,变间隙差动式电感传感器的灵敏度是单线圈式的两倍。差动式的线性度明显改善。,输出电压与成正比。,曲线1、2为两线圈各自电感特性；曲线3为两线圈差接时的电感特性；曲线4为差接后电桥输出电压与衔铁位移的特性曲线。,七、自感式传感器的测量电路,4.1变磁阻式电感传感器,1、交流电桥式测量电路,电桥输出特性：电桥输出电压大小与衔铁位移量有关，相位与衔铁移动方向有关。若设衔铁向上移动为负，则U0为负；衔铁向下移动为正，则U0为正，相位差180。,变压器式交流电桥测量电路，电桥两桥臂分别为传感器两线圈的阻抗，另外两桥臂分别为电源变压器的两次级线圈，其阻抗为次级线圈总阻抗的一半。,七、自感式传感器的测量电路,4.1变磁阻式电感传感器,2、变压器式交流电桥,测量时被测件与传感器衔铁相连，当衔铁处于中间位置，即Z1=Z2=Z时电桥输出电压为零，电桥平衡。,当负载阻抗为无穷大时，桥路输出电压为,当传感器衔铁上移时，Z1=Z+Z，Z2=Z-Z，若线圈的Q值很高，损耗电阻可忽略，则桥路输出电压为,七、自感式传感器的测量电路,4.1变磁阻式电感传感器,2、变压器式交流电桥,当衔铁上下移动相同距离时，电桥输出电压大小相等而相位相反。要判断衔铁方向需要经过相敏检波电路的处理。,当传感器衔铁下移时，Z1=Z-Z，Z2=Z+Z，桥路输出电压为,七、自感式传感器的测量电路,4.1变磁阻式电感传感器,2、变压器式交流电桥,衔铁中间位置,七、自感式传感器的测量电路,4.1变磁阻式电感传感器,3、相敏检波测量电路,衔铁上移L1增大，自感电动势增加；L2减小，自感电动势减少。,正半周E点电势高，F点低,负半周F点电势高，E点低,结论：无论是正半周还是负半周，衔铁上移时UGUH。,衔铁下移时，UGUH;衔铁上移时，UGU68，U20；衔铁下移时，U24U68，U20。U2的正负表示衔铁位移方向;U2的大小表示衔铁位移大小。,差动整流电路具有结构简单,不需要考虑相位调整和零点残余电压的影响,分布电容影响小和便于远距离传输等优点，因而获得广泛应用。,一、螺线管式差动变压器二、变隙式差动变压器三、差动变压器式传感器测量电路,4.2差动变压器式电感传感器,第4章电感式传感器,4.1变磁阻式电感传感器4.2差动变压器式电感传感器4.3电涡流式传感器4.4电感式传感器的应用,一、电涡流式传感器基本原理二、电涡流式传感器输出特性三、电涡流式传感器基本类型四、电涡流式传感器测量电路,4.3电涡流式传感器,一、电涡流式传感器基本原理,涡流式传感器的基本原理：利用金属导体在交流磁场中的电涡流效应。电涡流：若一金属板置于一只线圈的附近，当线圈输入一交变电流时，便产生交变磁通量，金属板在此交变磁场中会产生感应电流，这种电流在金属体内是闭合的，称之为电涡流或涡流。,若固定某些参数，就可根据涡流的变化测量另一个参数。,4.3电涡流式传感器,涡流的大小与金属板的电阻率、磁导率、厚度h、金属板与线圈的距离、激励电流角频率等参数有关。,激励线圈,金属导体,一、电涡流式传感器基本原理二、电涡流式传感器输出特性三、电涡流式传感器基本类型四、电涡流式传感器测量电路,4.3电涡流式传感器,二、电涡流式传感器输出特性,被测导体上形成的电涡流等效成一个短路环中的电流，短路环可认为是一匝短路线圈，电阻为R2、电感为L2。线圈与被测导体等效为两个相互耦合的线圈。线圈与导体间存在一个互感M，随线圈与导体间距的减小而增大。,电涡流式传感器等效电路,4.3电涡流式传感器,根据基尔霍夫第二定律，有,1、等效电路,二、电涡流式传感器输出特性,解方程得等效阻抗的表达式为,线圈受电涡流影响后的等效电感,4.3电涡流式传感器,线圈受电涡流影响后的等效电阻,2、等效阻抗与品质因数,线圈等效品质因数,特性参数影响因素：Q：L2,R2,L1,R1,MReq、Leq、Q是M2的函数,一、电涡流式传感器基本原理二、电涡流式传感器输出特性三、电涡流式传感器基本类型四、电涡流式传感器测量电路,4.3电涡流式传感器,三、电涡流式传感器的基本类型,电涡流式传感器可分为高频反射式和低频透射式两类。,4.3电涡流式传感器,高频信号激励传感器线圈产生高频交变磁场，当被测导体靠近线圈时，产生电涡流，而电涡流又产生一交变磁场阻碍外磁场的变化。,1、高频反射式,从能量角度分析，被测导体内存在着电涡流损耗，使传感器的Q值和等效阻抗Z降低。当被测体与传感器间距离改变时，传感器的Q和Z、电感L均发生变化，位移量转换成电量。,三、电涡流式传感器基本类型,4.3电涡流式传感器,发射线圈和接收线圈置于被测金属板上下方。当低频电压加到线圈1的两端后，产生磁场线的一部分透过金属板，使线圈2产生感应电动势。但涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势减少，当金属板越厚时，损耗的能量越大，输出电动势越小。,2、低频透射式,电动势的大小与金属板的厚度及材料的性质有关。电动势随材料厚度的增加按负指数规律减少。若金属板材料的性质一定，即可测厚度。,一、电涡流式传感器基本原理二、电涡流式传感器输出特性三、电涡流式传感器基本类型四、电涡流式传感器测量电路,4.3电涡流式传感器,三、电涡流式传感器测量电路,1、调频式电路,电涡流传感器的测量电路主要有调频式、调幅式电路和交流电桥等。,传感器线圈接入振荡回路，当传感器与被测导体距离改变时，在涡流影响下，传感器的电感变化，导致振荡频率的变化。,4.3电涡流式传感器,频率变化是距离的函数，频率可由数字频率计直接测量，或通过频率电压变换，用电压表测量对应的电压。,三、电涡流式传感器测量电路,2、调幅式电路,传感器线圈L、电容器C和石英晶体组成石英晶体振荡电路。,当金属导体远离传感器线圈时，谐振回路谐振频率fo，回路呈现的阻抗最大，谐振回路上的输出电压也最大；当金属导体靠近时，线圈的等效电感L发生变化，导致回路失谐，输出电压降低，L的数值随距离的变化而变化。因此，输出电压也随而变化。,4.3电涡流式传感器,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回路的阻抗为Z时输出电压,一、电涡流式传感器基本原理二、电涡流式传感器输出特性三、电涡流式传感器基本类型四、电涡流式传感器测量电路,4.3电涡流式传感器,第4章电感式传感器,4.1变磁阻式电感传感器4.2差动变压器式电感传感器4.3电涡流式传感器4.4电感式传感器的应用,载有交变电流的线圈产生交变磁场Hp，金属物平面感应出电涡流，产生交变涡流磁场Hs，均在检测线圈（反向差动线圈）中产生感应电动势。,一、电涡流式传感器应用,4.4电感式传感器的应用,1、无损金属材料探伤,被测金属物上无缺陷穿过检测线圈的两个线圈的磁通量相等，感应电势相互抵消，输出为零。,一、电涡流式传感器应用,4.4电感式传感器的应用,1、无损金属材料探伤,被测金属物上有缺陷穿过两个检测线圈的磁通量不相等，检测线圈输出感应电势不为零。,量程：030mm分辨率：0.1%,一、电涡流式传感器应用,4.4电感式传感器的应用,2、测量位移液位监控系统,3、测量位移汽轮机主轴的轴向窜动,薄膜厚度：d=X0-X等效电感：L=L0-L,一、电涡流式传感器应用,4.4电感式传感器的应用,4、测量转速,5、测量薄膜厚度,齿轮齿数,一、电涡流式传感器应用,4.4电感式传感器的应用,6、测量板材厚度,一、电涡流式传感器应用,4.4电感式传感器的应用,7、生产工件计数,一、电涡流式传感器应用,4.4电感式传感器的应用,8、接近传感器,一、电涡流式传感器应用,4.4电感式传感器的应用,8、接近传感器接近开关专用集成电路SC205,动态测量范围：1mm分辨率：1um精度：3%,二、自感和互感式传感器应用,4.4电感式