传感检测技术及其应用第5章

1、2022-2-212022-2-212了解电感式传感器的工作原理；了解电感式传感器的工作原理；了解自感式传感器、互感式感传感器和电涡流式传了解自感式传感器、互感式感传感器和电涡流式传感器的特点；感器的特点；了解自感式传感器、互感式感传感器和电涡流式传了解自感式传感器、互感式感传感器和电涡流式传感器的应用感器的应用2022-2-213 电感式传感器电感式传感器是以电和磁为媒介，利用磁场是以电和磁为媒介，利用磁场的变化引起线圈的电感量或互感量的变化，把非的变化引起线圈的电感量或互感量的变化，把非电量转化为电量的装置（基于电磁感应原理）。电量转化为电量的装置（基于电磁感应原理）。 按照转换方式的不同

2、可分为自感式（包括可按照转换方式的不同可分为自感式（包括可变磁阻式与涡流式）和互感式（差动变压器式）变磁阻式与涡流式）和互感式（差动变压器式）两种。两种。2022-2-214 自感式传感器是利用线圈自身电感的改变来实现自感式传感器是利用线圈自身电感的改变来实现非电量与电量的转换。主要有非电量与电量的转换。主要有变气隙型变气隙型、变面积型变面积型、螺管插铁型螺管插铁型。一一、变磁路气隙式电感传感器变磁路气隙式电感传感器组成组成：线圈、铁芯和衔铁组：线圈、铁芯和衔铁组成。在铁芯与衔铁之间存在成。在铁芯与衔铁之间存在气隙气隙。2022-2-215根据磁路理论，磁通为：根据磁路理论，磁通为：原理分析：

3、原理分析：根据电磁感应定律，当线圈中通以电流根据电磁感应定律，当线圈中通以电流I I时，产生磁通，其大小与电流成正比，线圈的自感时，产生磁通，其大小与电流成正比，线圈的自感量量L L为为线圈电感。线圈电感。；式中式中LI WIWL 1)-(5 流过过线圈的电激励产励产生的磁通线圈匝数； 。磁通通过路径的磁阻磁通通过路径的磁阻式中式中mmRRWI 2)-(5 2022-2-216线圈自感可用下式计算：线圈自感可用下式计算：磁路的磁阻主要是气隙磁路的磁阻主要是气隙产生的气隙磁阻，产生的气隙磁阻，）。）。气隙长度（气隙长度（；空气的导磁系数，空气的导磁系数，气隙磁路的横截面积；气隙磁路的横截面积；式

4、中式中）（m )/(104 45 27-000 mHAARRm 联立式（联立式（5 51 1）、（）、（5 52 2）、（）、（5 54 4），线圈的电），线圈的电感量为感量为）。）（气气隙隙总总长长度度（式式中中m25)-(5 022 llAWRWLm 2022-2-2171 , 11 2)(200020201 若若LLAWAWLLL线圈电感变化量（气隙减小）线圈电感变化量（气隙减小） 非线性误差非线性误差%100)(2fe灵敏度和线性度之间存在矛盾；一般变气隙式电感传感器只能在较小的气灵敏度和线性度之间存在矛盾；一般变气隙式电感传感器只能在较小的气隙范围内变化微小的位移。隙范围内变化微小的

5、位移。 因此只适用于微小位移量的检测，一般约为因此只适用于微小位移量的检测，一般约为0.0011 mm。上式说明：当活动衔铁的位移很小时，线圈的电感上式说明：当活动衔铁的位移很小时，线圈的电感变化量与位移量成线性关系。变化量与位移量成线性关系。 其灵敏度其灵敏度为为 0LLkL 2022-2-218 原理原理1.1.灵敏度是一常数；灵敏度是一常数；2.2.在一定范围内不存在非线性；在一定范围内不存在非线性；3.3.当正反方向变化相同的当正反方向变化相同的x x时，其电感变化量具有对时，其电感变化量具有对称性。但当称性。但当xaxa时就不再存在直线关系，其线性范围时就不再存在直线关系，其线性范围

6、是有限的。是有限的。结论结论二、二、变磁路截面积式自感传感器变磁路截面积式自感传感器 2020bWaLxLkL axLbxWxabWabWLLL0020202022)(2传感器的传感器的灵敏度灵敏度2022-2-219三、三、螺管插铁型电感传感器螺管插铁型电感传感器)() 1(1 ) 1(42022222rrllLrllrlWLccmccm式中：式中：L L单个线圈的电感量；单个线圈的电感量； L L0 0空心螺管线圈的电感量，空心螺管线圈的电感量， W W单个线圈的匝数；单个线圈的匝数； r r线圈的平均半径；线圈的平均半径； r rc c柱形衔铁的半径；柱形衔铁的半径； l l 单个螺管线

7、圈长度；单个螺管线圈长度； l lc c柱形衔铁插入到单个螺管内的长度；柱形衔铁插入到单个螺管内的长度； 铁芯的有效磁导率。铁芯的有效磁导率。原理原理：单个线圈电感量与衔铁插入长度关系为：单个线圈电感量与衔铁插入长度关系为m 222204lWrL 2022-2-2110传感器的传感器的灵敏度灵敏度：螺管线圈螺管线圈电感变化量电感变化量20)()1(rrlxLLcm 20)(1(rrlLxLkcmL 总结总结：结构简单、易制造，灵敏度低，适于较大位移：结构简单、易制造，灵敏度低，适于较大位移（数毫米）测量。（数毫米）测量。2022-2-2111四、四、差动电感传感器差动电感传感器 自感式传感器是

8、单线圈工作，存在的问题：自感式传感器是单线圈工作，存在的问题：没有信号输入时，仍有输出；外界干扰时输出产生误没有信号输入时，仍有输出；外界干扰时输出产生误差；灵敏度低等差；灵敏度低等。 差动自感式传感器可以克服这些缺点。由两个结差动自感式传感器可以克服这些缺点。由两个结构、材料和电气参数相同自感传感器构成。构、材料和电气参数相同自感传感器构成。2022-2-2112 10022212 L)(AWLLL 3211LL 3221LL 对差动式传感器，当共用衔铁位移时，两线圈对差动式传感器，当共用衔铁位移时，两线圈的间隙按的间隙按 0 0、 0 0+ +变化，即一个线圈自感增加，变化，即一个线圈自感

9、增加，另一个减小。另一个减小。当当/ / 11时：时：1.1. 工作原理工作原理 1002111)( 2 LAWLLL2022-2-2113LLLLL2124221 LLkL2 灵敏度灵敏度，为原来的两倍。，为原来的两倍。非线性误差非线性误差降低了一个数量级。降低了一个数量级。 %10022%10023 LLef2022-2-21142.2.交流电桥交流电桥 初始条件初始条件是电桥的固定臂。是电桥的固定臂。而而432121021),(,ZZZZLL 电桥处于平衡状态，输出电桥处于平衡状态，输出U USCSC=0=0。当衔铁偏移当衔铁偏移时，时，)(100101LLjRZZZ RZZLjRZZZ

10、且且4300021, )(200202LLjRZZZ ，则，则srsrscUZZZZZUZZZZZZZZU)2(2)(2102143213241 LLLLjLj 212211,Z,Z所所以以，因因 2022-2-2115所以上式为所以上式为002LjRLjUUsrsc ，将，将00 LL代入后代入后02 srscUU上式表明输出电压与衔铁的位移成正比，其相位与运上式表明输出电压与衔铁的位移成正比，其相位与运动方向有关，如图所示，其优点为：动方向有关，如图所示，其优点为：从理论上消除了零位输出误差；从理论上消除了零位输出误差；灵敏度提高一倍；灵敏度提高一倍；线性度得到改善；线性度得到改善；差动形

11、式可以提高外界的干扰。差动形式可以提高外界的干扰。2022-2-21163.3.变压器交流电桥变压器交流电桥电桥的工作臂是电桥的工作臂是Z1、Z2，另外，另外两个臂是变压器的次级线圈，两个臂是变压器的次级线圈，输出取自输出取自A、B两点，两点，B点为线点为线圈的中心，并接地。圈的中心，并接地。UUZZZUUUBAsc21211 0,0021 SCULjZZZ 初始时，初始时，当衔铁偏离当衔铁偏离 时，时，LLLLLjZZZLLjZZZ 212020210101),(),( 02LLUUsc 2022-2-2117同理，当衔铁偏移同理，当衔铁偏移时，可推导出时，可推导出02LLUUsc 综合上两

12、式有综合上两式有02LLUUsc 结论：结论：a a）以上交流电桥，变压器电桥其输出正比于）以上交流电桥，变压器电桥其输出正比于 L L/ /L L0 0。b b）输出为交流信号，其方向、大小需通过整流、滤）输出为交流信号，其方向、大小需通过整流、滤波后才能获得相应直流信号。波后才能获得相应直流信号。4 4、相敏整流相敏整流2022-2-2118 互感式传感器互感式传感器又称变压器式传感器，是把非电量又称变压器式传感器，是把非电量的变化转换成线圈相互的互感量的变化，然后再经过的变化转换成线圈相互的互感量的变化，然后再经过成为电信号输出。成为电信号输出。 结构形式主要有三种：螺管型差动变压器、结

13、构形式主要有三种：螺管型差动变压器、 型型差动变压器及旋转变压器。但差动变压器及旋转变压器。但目前常用目前常用的是螺管型差的是螺管型差动变压器。动变压器。 一、一、螺管型差动变压器螺管型差动变压器 螺管型差动变压器按绕组排列形式可分为二段螺管型差动变压器按绕组排列形式可分为二段式、三段式、四段式、五段式等。式、三段式、四段式、五段式等。 1.1.原理原理2022-2-21192022-2-2120 如上图左是三段绕组螺管型差动变压器，上图如上图左是三段绕组螺管型差动变压器，上图右是其等效电路。由等效电路可得右是其等效电路。由等效电路可得 主要由线圈绕组（初级绕组和次级绕组）、可移主要由线圈绕组

14、（初级绕组和次级绕组）、可移动衔铁、导磁外壳三大部分组成。动衔铁、导磁外壳三大部分组成。 2022-2-212112122212111112221121)(IMMjEEELjREIIMjEIMjE 1112122212)(LjREMMjEEE 所以有所以有当衔铁处于中间位置时当衔铁处于中间位置时M M1 1=M=M2 2，E E2 2=0=0当衔铁偏离中间位置时，设当衔铁偏离中间位置时，设M M1 1M+M+M M1 1，M M2 2M MM M 2，M1 M1 M 2M 2 M M，有，有 11122LjREMjE 位移量与位移量与M M有近似线性关系。有近似线性关系。2022-2-2122

15、2.2.主要特性主要特性（1 1）输出特性输出特性 差动变压器输出电压可用下式计算：差动变压器输出电压可用下式计算：)1(2212xkxkE （2 2）线性度线性度E2- -差动变压器输出电压有效值；差动变压器输出电压有效值；x- -衔铁位移量；衔铁位移量；k1 1- -与差动变压器结构尺寸和电参数与差动变压器结构尺寸和电参数 有关的系数；有关的系数；k2 2- -与差动变压器结构尺寸有关的系数。与差动变压器结构尺寸有关的系数。)1(2212xkxkE 当式当式中中kx2 21lMHz)(lMHz)激励电流，产生的高频磁场作用激励电流，产生的高频磁场作用于金属板的表面，由于集肤效应，在金属板表

16、面于金属板的表面，由于集肤效应，在金属板表面将形成涡电流。与此同时，该涡流产生的交变磁将形成涡电流。与此同时，该涡流产生的交变磁场又反作用于线圈，引起线圈自感场又反作用于线圈，引起线圈自感L L或阻抗或阻抗Z ZL L的变的变化，其变化与距离该金属板的电阻率化，其变化与距离该金属板的电阻率、磁导率、磁导率、激励电流、激励电流i i，及角频率，及角频率等有关，若只改变距等有关，若只改变距离离x而保持其他系数不变，则可将位移的变化转换而保持其他系数不变，则可将位移的变化转换为线圈自感的变化，通过测量电路转换为电压输为线圈自感的变化，通过测量电路转换为电压输出。高频反射式涡流传感器多用于位移测量。出

17、。高频反射式涡流传感器多用于位移测量。2.涡流传感器类型涡流传感器类型 （1 1）高频反射式）高频反射式2022-2-2146 低频透射式涡流传感器的工作原理低频透射式涡流传感器的工作原理如图所示，发射线圈如图所示，发射线圈1 1和接收线圈和接收线圈2 2分别分别置于被测金属板材料置于被测金属板材料G的上、下方。的上、下方。(2)(2)低频透射式低频透射式 由于低频磁场集肤效应小，渗透深，当低频（音频范围由于低频磁场集肤效应小，渗透深，当低频（音频范围) )电压电压e1 1加到线圈加到线圈1 1的两端后，所产生磁力线的一部分透过金的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板材料属板材料G, ,使线

18、圈使线圈2 2产生感应电动势产生感应电动势e2 2。但由于涡流消耗部。但由于涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势分磁场能量，使感应电动势e2 2减少，当金属板材料减少，当金属板材料G越厚时，越厚时，损耗的能量越大，输出电动势损耗的能量越大，输出电动势e2 2越小。因此，越小。因此，e2 2的大小与的大小与G G的的厚度及材料的性质有关，试验表明，厚度及材料的性质有关，试验表明，e2 2随材料厚度随材料厚度h h的增加按的增加按负指数规律减少负指数规律减少, ,如图所示，因此，若金属板材料的性质一定，如图所示，因此，若金属板材料的性质一定，则利用则利用e2 2的变化即可测量其厚度。的变化即可测量其

19、厚度。2022-2-2147 电涡流非电量的测量电涡流非电量的测量 检测深度的控制：由于存在集肤效应，电涡流检测深度的控制：由于存在集肤效应，电涡流只能检测解导体表面的各种物理参数。改变频率只能检测解导体表面的各种物理参数。改变频率f（），可控制检测深度。激励源频率一般设定在），可控制检测深度。激励源频率一般设定在100kHz-1MHz。频率越低，。频率越低，检测深度越深检测深度越深。 电涡流传感器，除了可以电涡流传感器，除了可以非接触测量距离非接触测量距离外，外，还有还有多种用途多种用途：如控制：如控制x、I、不变，就可以检测不变，就可以检测与表面电导率与表面电导率有关的有关的表面温度表面温

20、度、表面裂纹等参数表面裂纹等参数，或者用来检测与材料磁导率，或者用来检测与材料磁导率有关有关材料型号材料型号、表表面硬度面硬度等参数。等参数。2022-2-2148R Ij L Ij MIUj MIR Ij L I 1 11 121122220 3.3.等效电路等效电路 电涡流效应可以用等效电路的形式进行分析。电涡流效应可以用等效电路的形式进行分析。线圈是一个回路，线圈是一个回路，R1 1为其线圈电阻，为其线圈电阻，L1 1为线圈电感，为线圈电感，I1 1为激励电流，为激励电流，U1 1为激励电压；导体中的电涡流构为激励电压；导体中的电涡流构成另一回路，相当于一个短路环，成另一回路，相当于一个

21、短路环，R2 2为环路电阻，为环路电阻，L2 2为环路电感，为环路电感，I2 2是感生电涡流，如图所示，是感生电涡流，如图所示，M为为L1 1和和L2 2互感量。互感量。 如图所示，根据基尔霍夫如图所示，根据基尔霍夫定律，电路方程组为定律，电路方程组为2022-2-2149()() =()()SsSSUMMZRRjLLIRLRLRj LMRRRRRRLMLLLLLRL 22221121222221222222121222222212122222R2解方程可得传感器由于受电涡流效应影响的等效阻解方程可得传感器由于受电涡流效应影响的等效阻抗为抗为式中式中RS为考虑电涡流效应后，线圈等效电阻；为考虑

22、电涡流效应后，线圈等效电阻； LS为考虑电涡流效应后，线圈等效电感；为考虑电涡流效应后，线圈等效电感； 为电涡流环路反射到线圈内的等效电阻；为电涡流环路反射到线圈内的等效电阻； 为电涡流环路反射到线圈内的等效电感。为电涡流环路反射到线圈内的等效电感。L22022-2-2150 根据以上等效电路可做如下分析：根据以上等效电路可做如下分析： （1）线圈等效电阻：无论金属导体为何种金）线圈等效电阻：无论金属导体为何种金属材料，只要有电涡流产生就有属材料，只要有电涡流产生就有 。随着导体与线。随着导体与线圈间距离的减小，圈间距离的减小， 会越大，因此，会越大，因此，RSR1。 （2）线圈等效电感：线圈

23、和导体间的距离越）线圈等效电感：线圈和导体间的距离越小，小， 越大，因此有越大，因此有LSL1。 （3）线圈原有的品质因数）线圈原有的品质因数 。当产生电。当产生电涡流影响后，线圈的品质因数涡流影响后，线圈的品质因数 ，显然，显然QSQ0。R2R2L2101LQR SSSLQR 2022-2-2151二、电涡流传感器基本结构二、电涡流传感器基本结构11电涡流线圈；电涡流线圈；22探头壳体；探头壳体；33壳体调节螺纹；壳体调节螺纹；44印刷电路板；印刷电路板；55夹持螺母；夹持螺母；66电源指示灯；电源指示灯；77阈值指示灯；阈值指示灯；88输出电缆；输出电缆；99电缆插头。电缆插头。2022-

24、2-21522022-2-2153三、电涡流传感器特性三、电涡流传感器特性 电涡流传感器线圈的阻抗受到多种参数的影响电涡流传感器线圈的阻抗受到多种参数的影响。因此，用固定几个参数不变，而控制一个参数改。因此，用固定几个参数不变，而控制一个参数改变来决定其阻抗，就可用来测量位移、温度和硬度变来决定其阻抗，就可用来测量位移、温度和硬度等。电涡流传感器的基本测量参数是位移，因此下等。电涡流传感器的基本测量参数是位移，因此下面重点分析位移型电涡流传感器的特性。面重点分析位移型电涡流传感器的特性。 （1）输出特性输出特性 输出电压与位移之间的关系：输出电压与位移之间的关系：距离小，电涡流效应显著，线圈距

25、离小，电涡流效应显著，线圈阻抗越小，输出电压值小；距离阻抗越小，输出电压值小；距离大时，涡流效应减弱，输出电压大时，涡流效应减弱，输出电压升高；距离很小或很大时，线性升高；距离很小或很大时，线性差。线性范围约为线圈直径的差。线性范围约为线圈直径的1/5-1/3。2022-2-2154 （2 2）灵敏度灵敏度 对于位移型涡流传感器，其灵敏度为单对于位移型涡流传感器，其灵敏度为单位位移输出电压的大小。其灵敏度受下列因位位移输出电压的大小。其灵敏度受下列因素的影响：素的影响： 1)1)受探头线圈尺寸的影响。线圈外经与受探头线圈尺寸的影响。线圈外经与内径之比增大，灵敏度提高，线性度好；线内径之比增大，

26、灵敏度提高，线性度好；线圈厚度减小，灵敏度也提高。圈厚度减小，灵敏度也提高。 2 2）受被测物体（导体）的形状和尺寸影）受被测物体（导体）的形状和尺寸影响。物体半径大于线圈外径的响。物体半径大于线圈外径的1.81.8倍时，才不倍时，才不影响灵敏度；厚度大于影响灵敏度；厚度大于0.2mm0.2mm以上。以上。 3 3）受被测材料特性的影响。电导率越高）受被测材料特性的影响。电导率越高灵敏度越高；磁导率越大，灵敏度降低。灵敏度越高；磁导率越大，灵敏度降低。 2022-2-2155 4) 4)受工作频率的影响。工作频率高，灵受工作频率的影响。工作频率高，灵敏度将提高，单输出电压幅值不一定增大。敏度将

27、提高，单输出电压幅值不一定增大。 四、电涡流传测量电路四、电涡流传测量电路 被测参量可以由涡流传感器转化为传感被测参量可以由涡流传感器转化为传感器线圈的器线圈的Q值、等效阻抗值、等效阻抗ZS S和等效电感和等效电感LS S等三等三个电参数。个电参数。 测量时，涡流传感器线圈电感和其并联测量时，涡流传感器线圈电感和其并联电容组成电容组成LC并联谐振回路。线圈等效电感的并联谐振回路。线圈等效电感的变化使并联谐振回路的谐振频率发生改变，变化使并联谐振回路的谐振频率发生改变，将被测量变换为电压或电流信号输出。并联将被测量变换为电压或电流信号输出。并联谐振回路的谐振频率为：谐振回路的谐振频率为： fLC 122022-2-2156 目前电涡流传感器常用的谐振电路有调目前电涡流传感器常用的谐振电路有调幅式、调频式两