3g电感式传感器ppt课件

1、1 被测机械量被测机械量电参数电参数 输出输出 力学量传感器的种类繁多，应用广泛，主要应用力学量传感器的种类繁多，应用广泛，主要应用于测力、测压、称重、测位移、测加速度、测扭矩、于测力、测压、称重、测位移、测加速度、测扭矩、测温度等检测系统。目前已成为生产过程检测以及实测温度等检测系统。目前已成为生产过程检测以及实现生产自动化不可缺少的手段之一。主要种类如下：现生产自动化不可缺少的手段之一。主要种类如下：测量电路2. 力敏传感器力敏传感器l应变式传感器应变式传感器l电感式传感器电感式传感器l电容式传感器电容式传感器l压电式传感器压电式传感器22.22.2 电感式传感器变磁阻）电感式传感器变磁阻

2、）l自感式传感器自感式传感器l 气隙型、螺管型自感传感器气隙型、螺管型自感传感器l 自感线圈的等效电路自感线圈的等效电路l 测量电路测量电路l差动变压器差动变压器l 结构原理与等效电路结构原理与等效电路l 误差因素分析误差因素分析l 测量电路测量电路l 应用应用l电涡流式传感器电涡流式传感器l 涡流效应涡流效应l 高频反射式电涡流传感器结构与原理高频反射式电涡流传感器结构与原理l 输出特性输出特性l 测量电路测量电路l 应用应用3原理：由被测量引起线圈自感或互感变化实现非电量电测。原理：由被测量引起线圈自感或互感变化实现非电量电测。可测参量：位移、振动、压力、应变、流量、比重等。可测参量：位移

3、、振动、压力、应变、流量、比重等。品种：按转换原理分：自感式和互感式品种：按转换原理分：自感式和互感式 按结构型式分：气隙型、面积型和螺管型按结构型式分：气隙型、面积型和螺管型优点：优点：结构简单、可靠，测量力小结构简单、可靠，测量力小衔铁为衔铁为(0.5200)10-5N时，磁吸力为时，磁吸力为(110)10-5N。分辨力、灵敏度高分辨力、灵敏度高线位移：线位移：0.1m或更小；角位移：或更小；角位移：0.1角秒。角秒。输出信号强，电压灵敏度可达数百输出信号强，电压灵敏度可达数百mV/mm 。重复性、线性度好重复性、线性度好在几十在几十m到数百到数百mm位移范围内，输出线性度较好，较稳定位移

4、范围内，输出线性度较好，较稳定缺乏：存在交流零位信号，不宜用于高频动态测量。缺乏：存在交流零位信号，不宜用于高频动态测量。 4一、一、 自感式传感器自感式传感器 （一气隙型自感传感器（一气隙型自感传感器结构组成：线圈结构组成：线圈1 1，衔铁，衔铁3 3和铁芯和铁芯2 2等。等。图中点划线表磁路，磁路中空气隙总长度为图中点划线表磁路，磁路中空气隙总长度为l l 。0.5l123x(a)气隙式 (b)变截面式m2RNL 根据磁路知识，线圈自感：N-线圈匝数；Rm-磁路总磁阻(铁芯与衔铁磁阻+空气隙磁阻)5 对于气隙式自感传感器，因气隙较小(l为0.11mm)，可认为气隙磁场均匀，若忽略磁路铁损，

5、则磁路总磁阻为： l1-铁芯磁路总长；l2-衔铁磁路长；S-隙磁通截面积； S1-铁芯横截面积；S2-衔铁横截面积；1-铁芯磁导率； 2-衔铁磁导率；0-真空磁导率，0=410-7H/m； l-空气隙总长。 由上二式得到：SlSlSlRm0222111 SlSlSlNRNLm0222111226电感传感器的基本工作原理演示电感传感器的基本工作原理演示F F220V准备工作准备工作先看一个实验：将一只380V交流接触器线圈与交流毫安表串联后，接到机床用控制变压器的36V交流电压源上，如下图。这时毫安表的示值约为几十毫安。用手慢慢将接触器的活动铁心称为衔铁往下按，我们会发现毫安表的读数逐渐减小。当

6、衔铁与固定铁心之间的气隙等于零时，毫安表的读数只剩下十几毫安。 7电感传感器的基本工作原理演示电感传感器的基本工作原理演示气隙变小，电感变大，电流变小气隙变小，电感变大，电流变小F F8 自感传感器的铁芯一般处于非饱和状态，其磁导率远大于空气磁导率，使铁芯磁阻远小于气隙磁阻，所以上式可简化为： lSNL02可见：1)自感是气隙截面积和长度的函数，即Lf(S,l)；2)若S不变，则L为l的单值函数，构成变隙式自感传感器；3)若保持l不变，S随位移变化，构成变截面式自感传感器。其特性曲线如下。9L=fS）L=fl）lLS L= f(l)为非线性关系。 当l0时，L为，考虑导磁体磁阻，l为0时，L并

7、不等于，而有一定数值。在l较小时其特性曲线如图中虚线所示。 若上下移动衔铁使面积S改变，从而改变L, 则Lf(S)的特性曲线为一直线。 10rx螺旋管铁心单线圈螺管型传感器结构图l（二）（二） 螺管型自感传感器螺管型自感传感器结构形式：单线圈、差动式结构形式：单线圈、差动式单线圈螺管型传感器的主要元件：一只螺管线圈、一根圆单线圈螺管型传感器的主要元件：一只螺管线圈、一根圆柱形铁芯。传感器工作时，因铁芯在线圈中伸入长度的变柱形铁芯。传感器工作时，因铁芯在线圈中伸入长度的变化，引起螺管线圈自感变化。用恒流源激励时，则线圈的化，引起螺管线圈自感变化。用恒流源激励时，则线圈的输出电压与铁芯的位移量有关

8、。输出电压与铁芯的位移量有关。特点：结构简单、工作范围大，非线性严重。特点：结构简单、工作范围大，非线性严重。11 （三特性分析（三特性分析灵敏度和线性度灵敏度和线性度以变气隙性为例以变气隙性为例 当铁芯和衔铁用同一种导磁材料，且截面相同当铁芯和衔铁用同一种导磁材料，且截面相同时，因气隙时，因气隙l l一般较小，可认为气隙磁通截面与铁一般较小，可认为气隙磁通截面与铁芯截面相等，设磁路总长为芯截面相等，设磁路总长为 l l ，那么，那么 rrrmllSlllSR11100lS1llSR0rrm 01一般r1，所以：llKLL 1当气隙减少l时：(当ll/r)lKlNSRNLm 202K=0N 2

9、S，12lllLLL 1自感的相对变化： 211llllllLL同理，总气隙长度增加l时，自感减小为L2，即 21lllllllllLL2lllllllLL 111上式改写为相对变化形式有：13若忽略高次项，则自感变化灵敏度为： lLlLKL ll 线性度为：lLL1L2 L0l0当气隙当气隙l变化时，自感变化与气隙变化呈非线性关系；变化时，自感变化与气隙变化呈非线性关系；气隙减少气隙减少l所引起的自感变化所引起的自感变化L1与气隙增加同样与气隙增加同样l所所引起的自感变化引起的自感变化L2并不相等，即并不相等，即L1L2.结论：14差动变气隙式自感传感器差动变气隙式自感传感器:由两个电气参数

10、和磁路完全由两个电气参数和磁路完全相同的线圈组成，衔铁相同的线圈组成，衔铁3上下上下移动时，一个线圈的自感增移动时，一个线圈的自感增加，另一个的自感减少，形加，另一个的自感减少，形成差动。将这两个差动线圈成差动。将这两个差动线圈分别接入测量电桥相邻臂，分别接入测量电桥相邻臂， 22112llllLLLLLEUSC1342RR(l- l)/2(l- l)/2当磁路总气隙改变l时，自感相对变化为：lLlLKL2 2 ll灵敏度为：，非线性为：差动式自感传感器的灵敏度比单线圈传感器提高一倍差动式自感传感器的灵敏度比单线圈传感器提高一倍差动式传感器的非线性失真小差动式传感器的非线性失真小 自感线圈不是

11、一个纯电感，除了电感量L之外，还存在线圈的铜耗、铁心的涡流及磁滞损耗。ReRhCLIoRc自感线圈等效电路Re 铜损电阻；Rc 铁心涡流损耗；Rh 铁心的磁滞损耗；C 分布等效电容线圈 绕组间）。（四自感线圈的等效电路（四自感线圈的等效电路 1、铜损电阻24CNlRdCCLQR无功功率有功功率1CCCCRKDQLf2CCRKL导线直径为d，电阻率为，匝数为N的线圈电阻值为：l 线圈平均匝长。l 线圈铜损电阻仅取决于导线材料及线圈的几何尺寸，与频率无关。对于串联电阻Rc的线圈，在特定频率f下的品质因数Qc：损耗因数l 损耗因数与激励频率成反比。当Rc、L一定时，为一常数。2、涡流损耗电阻Re 由

12、于交变磁场的存在将使铁心中产生涡流，并造成涡流损耗。涡流损耗的平均功率为：2222memf a B VPKf 交变磁化频率； Bm 磁感应强度幅值；V 铁心体积； K 与铁心形状有关的系数；m 铁磁材料电阻率；a 单片厚度或直径。 因Re为一个与电感L并联的电阻，因而：222LeeefLIUPRR22eemmeDL Ra fKK f 由铁心涡流损耗引起的损耗因数：Ke 与铁心材料、形状有关。l 涡流损耗引起的损耗因数与频率 f 成正比。3、磁滞损耗电阻Rh铁心磁滞损耗功率：3043hmPSlH f（近似经验公式） 与材料有关的瑞利系数；0 空气磁导率； S 铁心截面积； l 铁心长度； Hm

13、磁强度幅值；2222303LhhmUL I fRPSlH23hhmrhDL RHKr 铁心材料的相对磁导率。磁滞损耗因数：l 磁滞损耗因数是一个与频率无关的常数，一般很小。4、总损耗因数及品质因数cehcehDDDDKfK fK电感线圈总的损耗因数为：DDeff mDhDCDC+ DeDC+ De+ Dh可见，fm是对应于最小的总损耗因数时的最佳频率，且Dc=De。mcefKKmin2hceDKK K铁心线圈电感的品质因数为总损耗因数的倒数。11cehQDKfKfK在 fm处，品质因数的极大值为：max12hceQKK K5、并联电容C的影响一般在高频时考虑，可以忽略。24设 Z1=Z2=Z=

14、RS+jL；R1=R2=R RS1=RS2=RS； L1=L2=LE为桥路电源，ZL是负载阻抗。工作时，Z1=Z+Z和Z2=Z-Z，电桥输出为：交流电桥原理图ZLR1R2Z2Z1L1L2RS1RS2USCE（五测量电路（五测量电路1、交流电桥、交流电桥为主要测量电路。为提高灵敏度，改善线性度，为主要测量电路。为提高灵敏度，改善线性度，自感传感器一般采用差动形式。自感传感器一般采用差动形式。Z1、Z2为工作臂，为工作臂，即线圈阻抗，即线圈阻抗，R1、R2为电桥平衡臂。电桥平衡条为电桥平衡臂。电桥平衡条件：件： 2121RRZZ ZRZZZZEULLSC 225其输出电压幅值： LjRLjREZZ

15、EUSSSC 22当ZL时，ELRLELRRLUSSSSC2222222222)(22LRRZS输出阻抗为： SSSSSCRRLLQjLLRRQQEU11111222SRLQ为自感线圈的品质因数。26桥路输出Usc含与电源E同相和正交两个分量。实测中只希望有同相分量，若使 或Q值较大，均能达此目的。实际中RS/RS一般很小，所以要求Q值大。当Q值很高时，Usc ； SSRRLLLLE2当Q值很低时，自感线圈感抗远小于电阻，相当于纯电阻(ZRs)，交流电桥即为电阻桥。此时输出电压为：Usc= 。 该电桥结构简单，其电阻R1、R2可用两个电阻和一个电位器组成，调零方便。 SSRRE227变压器电桥

16、原理图 2 2、变压器电桥、变压器电桥 平衡臂为供电的变压器的两个副边，当负载阻抗为无平衡臂为供电的变压器的两个副边，当负载阻抗为无穷大时，流入工作臂的电流为：穷大时，流入工作臂的电流为： 21ZZEI212122122ZZZZEEZZZEUSC 初始Z1=Z2=Z=RS+jL，平衡时，USC=0。双臂工作时，设Z1=ZZ，Z2=Z+Z，相当于差动式自感传感器的衔铁向一侧移动，那么：ZZEUSC2 同理反方向移动时，有ZZEUSC2 Z1Z2U SCE/2E/2EI28可见：衔铁向不同方向移动所产生的输出Usc大小相等、方向相反，即相位互差180，可反映衔铁移动方向。为了判别交流信号的相位，需

17、接入相敏检波电路。 优点：相对电阻平衡电桥，变压器桥元件少，输出阻抗小，优点：相对电阻平衡电桥，变压器桥元件少，输出阻抗小，桥路开路时电路呈线性；桥路开路时电路呈线性；缺点：变压器副边不接地，易引起来自原边的静电感应电缺点：变压器副边不接地，易引起来自原边的静电感应电压，使高增益放大器不能工作。压，使高增益放大器不能工作。 ELRLUSSC22222222LRZS变压器桥的输出电压幅值：输出阻抗为(变压器副边阻抗远小于电感阻抗，略去)：29 二、二、 差动变压器差动变压器（一结构原理与等效电路（一结构原理与等效电路有气隙型和螺管型两种，目前多采用螺管有气隙型和螺管型两种，目前多采用螺管型差动式

18、。型差动式。1 初级线圈;2.3次级线圈;4衔铁243123(a)气隙型(b)螺管型基本元件: 衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈框架等。初级线圈作为差动变压器的激励，相当于变压器原边，次级线圈由结构尺寸和参数相同的两个线圈反相串接而成，相当于变压器的副边。与变压器的不同处：（1磁路 （2副边连接30 理想情况下(忽略线圈寄生电容及衔铁损耗)，差动变压器的等效电路如图。初级线圈的复数电流值为：1111LjReI e1-初级线圈激励电压L1,R1-初级线圈电感和电阻M1,M1分别为初级与次级线圈1,2间的互感L21,L22两个次级线圈的电感R21,R22两个次级线圈的电阻激励电压的角频率； e1激励

19、电压的复数值；由于Il，使次级线圈中产生磁通：Rm1及Rm2分别为磁通通过初级线圈及两个次级线圈的磁阻，N1为初级线圈匝数。e2R 21R 22e21e22e1R1 M1M2L21L22L1I111121mRIN21122mRIN，3112221121IMjeIMje1111122212LjReMMjeeeN2为次级线圈匝数。因此空载输出电压： 在次级线圈中感应出的电压e21和e22分别为： 2121212121211212)(LRMe2LRMMMMeLReMMe11 22212221LLjRRZ2222122221LLRRZ其幅值为：输出阻抗：或其中，11212121mRNNINM21212

20、222mRNNINM，32副0e2e2e21e22x副原线圈差动变压器输出电势e2与衔铁位移x的关系。其中x表示衔铁偏离中心位置的距离。 螺管型线位移差动变压器的结构和输出特性图如下：33（二）（二） 误差因素分析误差因素分析1 1、激励电压幅值与频率的影响、激励电压幅值与频率的影响激励电源电压幅值的波动，会使线圈激励磁场的激励电源电压幅值的波动，会使线圈激励磁场的磁通发生变化，直接影响输出电势。而频率的波磁通发生变化，直接影响输出电势。而频率的波动，只要适当地选择频率，其影响不大。动，只要适当地选择频率，其影响不大。2 2、温度变化的影响、温度变化的影响周围环境温度的变化，引起线圈及导磁体磁

21、导率周围环境温度的变化，引起线圈及导磁体磁导率的变化，从而使线圈磁场发生变化产生温度漂移。的变化，从而使线圈磁场发生变化产生温度漂移。当线圈品质因数较低时，影响更为严重，因而，当线圈品质因数较低时，影响更为严重，因而，采用恒流源激励比恒压源激励有利。适当提高线采用恒流源激励比恒压源激励有利。适当提高线圈品质因数并采用差动电桥可以减少温度的影响。圈品质因数并采用差动电桥可以减少温度的影响。 34 3 3、零点残余电压、零点残余电压 差动变压器的衔铁处于中间位置时，理想条件下其输差动变压器的衔铁处于中间位置时，理想条件下其输出电压为零，但实际使用桥式电路时，在零点仍有一个微出电压为零，但实际使用桥

22、式电路时，在零点仍有一个微小电压小电压( (从零点几个到数十从零点几个到数十mV)mV)存在，称为零点残余电压。存在，称为零点残余电压。 下图为跨大了的零点残余电压的输出特性。零点残余下图为跨大了的零点残余电压的输出特性。零点残余电压的存在造成零点附近的不灵敏区；其输入到放大器内电压的存在造成零点附近的不灵敏区；其输入到放大器内会使放大器末级趋向饱和，影响电路正常工作等。会使放大器末级趋向饱和，影响电路正常工作等。 0e2x-xe20351 基波正交分量 2 基波同相分量 3 二次谐波 4 三次谐波 5 电磁干扰ee1e20e2012345(a)残余电压的波形 (b)波形分析tt残余电压波形及

23、分析残余电压波形及分析图中，图中，e1e1为差动变压为差动变压器初级的激励电压，器初级的激励电压，e20e20包含基波同相成包含基波同相成分、基波正交成分，分、基波正交成分，二次及三次谐波和幅二次及三次谐波和幅值较小的电磁干扰等。值较小的电磁干扰等。 36 零点残余电压产生原因：零点残余电压产生原因：基波分量基波分量 差动变压器两个次级绕组不可能完全一致，差动变压器两个次级绕组不可能完全一致，因此其等效电路参数互感因此其等效电路参数互感M、自感、自感L及损耗电阻及损耗电阻R不相不相同，从而使两个次级绕组的感应电势不等。又因初级线圈同，从而使两个次级绕组的感应电势不等。又因初级线圈中铜损电阻及导

24、磁材料的铁损和材质的不均匀，线圈匝间中铜损电阻及导磁材料的铁损和材质的不均匀，线圈匝间电容的存在等因素，使激励电流与所产生的磁通相位不同。电容的存在等因素，使激励电流与所产生的磁通相位不同。(次级线圈的电气和结构、材料参数不一致所致次级线圈的电气和结构、材料参数不一致所致)高次谐波 高次谐波分量主要由导磁材料磁化曲线的非线性引起。由于磁滞损耗和铁磁饱和的影响，使激励电流与磁通波形不一致而产生非正弦(主要是三次谐波)磁通，从而在次级绕组感应出非正弦电势。另外，激励电流波形失真，因其内含高次谐波分量，这样也将导致零点残余电压中有高次谐波成分。 37 零点残余电压消除方法：零点残余电压消除方法：1

25、1从设计和工艺上保证结构对称性从设计和工艺上保证结构对称性为保证线圈和磁路的结构对称性，先要提高加工精度，线为保证线圈和磁路的结构对称性，先要提高加工精度，线圈选配成对，采用磁路可调节结构。其次，选高磁导率、圈选配成对，采用磁路可调节结构。其次，选高磁导率、低矫顽力、低剩磁感应的导磁材料，并经过热处理，消除低矫顽力、低剩磁感应的导磁材料，并经过热处理，消除残余应力，提高磁性能的均匀性和稳定性。由高次谐波产残余应力，提高磁性能的均匀性和稳定性。由高次谐波产生的因素可知，磁路工作点应选在磁化曲线的线性段。生的因素可知，磁路工作点应选在磁化曲线的线性段。 2 2选用合适的测量线路选用合适的测量线路

26、采用相敏检波电路不仅可鉴别衔铁移动方向，而且消除衔铁在中间位置时，因高次谐波引起的零点残余电压掉。如图，采用相敏检波后衔铁反行程时的特性曲线由1变到2，从而消除了零点残余电压。e2+x-x210相敏检波后的输出特性38 3 3采用补偿线路采用补偿线路两个次级线圈感应电压相位不同，用并联电容可改变其两个次级线圈感应电压相位不同，用并联电容可改变其一的相位，也可将电容一的相位，也可将电容C C改电阻，如图改电阻，如图(a)(a)。R R的分流作用使的分流作用使流入传感器线圈的电流发生变化，从而改变磁化曲线工作流入传感器线圈的电流发生变化，从而改变磁化曲线工作点，减小高次谐波所产生的残余电压。点，减

27、小高次谐波所产生的残余电压。图图(b)(b)：串联：串联R R可调整次级线圈的电阻分量。可调整次级线圈的电阻分量。 e1e2CRe1e2CR(a)(b)调相位式残余电压补偿电路39并联电位器W用于电气调零，改变两次级线圈输出电压的相位。电容C(0.02F)可防止调整电位器时使零点移动。e1e2CR1R2W电位器调零点残余电压补偿电路40R或L补偿电路e1e2L0We1e2R0W(a)(b)接入R0(几百k)或补偿线圈L0(几百匝)。绕在差动变压器的初级线圈上以减小负载电压，避免负载不是纯电阻而引起较大的零点残余电压。 41（三测量电路（三测量电路 差动变压器输出为交流，与衔铁位移成正比。用交流

28、差动变压器输出为交流，与衔铁位移成正比。用交流电表测其输出只反映衔铁位移大小，不能反映移动方向，电表测其输出只反映衔铁位移大小，不能反映移动方向，因而，常用差动整流电路和相敏检波电路测量。因而，常用差动整流电路和相敏检波电路测量。1 1差动整流电路差动整流电路原理：基于半导体二级管单向导通原理解调。原理：基于半导体二级管单向导通原理解调。 若传感器的一个次级线圈的输出瞬时电压极性在若传感器的一个次级线圈的输出瞬时电压极性在f f点为点为“+”“+”，e e点为点为“”，则电流路径是，则电流路径是fgdchefgdche图图a a）。反之，）。反之，f f点为点为“”，e e点为点为“+”“+”

29、，电流路径是，电流路径是ehdcgfehdcgf。 可见，无论次级线圈的输出瞬时电压极性如何，可见，无论次级线圈的输出瞬时电压极性如何，R R上的上的电流总是从电流总是从d d到到c c。同理，可知另一个次级线圈的情况。同理，可知另一个次级线圈的情况。 总输出电压为总输出电压为USC=eabUSC=eabecdecd，波形见图，波形见图b b）。）。 42全波整流电路和波形图ttttttttt(b)(a)e1RRcabhgfdeU SC衔铁在零位以下e abeabe abe cdU SCe cdUSCUSCe cd衔铁在零位以上衔铁在零位432、相敏检波电路图为二极管相敏检波电路。图中UR为参

30、考电压，其频率与U0相同，相位与U0同相或反相，并且UR U0，即二极管的导通与否取决于UR，工作原理： (1)衔铁在中间位置时，U0= 0，电流表中无读数。(2)若衔铁向上移动：信号电压U0上正下负为正半周，假定参考电压UR极性为左正右负，此时D1、D2截止，而D3、D4导通，信号电流方向为 BR mA FE D3G D4C电流表的极性是上正下负 同理负半周结果相同(3)当被测量方向变化使衔铁下移时，输出电压U0 的相位与衔铁上移时相反。44（四应用（四应用 测振动、厚度、应变、压力、加速度等各种物理量。测振动、厚度、应变、压力、加速度等各种物理量。1 1差动变压器式加速度传感器差动变压器式

31、加速度传感器测振动物体频率和振幅时，激磁频率必须是被测频率的十测振动物体频率和振幅时，激磁频率必须是被测频率的十倍以上才有精确结果。可测倍以上才有精确结果。可测0.15mm0.15mm振幅振幅, 0150Hz, 0150Hz振频。振频。 (b)(a)加速度a方向1 弹性支承 2 差动变压器121稳压电源振荡器检波器滤波器220Va输出45 2) 2) 微压力变送器微压力变送器 差动变压器与弹性敏感元件膜片、膜盒和弹簧管等差动变压器与弹性敏感元件膜片、膜盒和弹簧管等结合，可组成各种形式的压力传感器。结合，可组成各种形式的压力传感器。1接头 2 膜盒 3 底座 4 线路板 5 差动变压器 6 衔铁

32、 7 罩壳V1234567差动变压器相敏检波电路220V振荡器稳压电源这种变送器可分档测量(5x1056x105)N/m2压力，输出信号电压为(050)mV，精度为1.5级。 电感式传感器的应用电感式传感器的应用 位移测量位移测量 轴向式电感轴向式电感 测微器的外形测微器的外形 航空插头航空插头红宝石测头红宝石测头47 三、三、 电涡流式传感器电涡流式传感器 当导体置于交变磁场或在磁场中运动时，当导体置于交变磁场或在磁场中运动时，导体上引起感生电流导体上引起感生电流ie ie，此电流在导体内闭，此电流在导体内闭合，称为涡流。合，称为涡流。 涡流大小与导体电阻率涡流大小与导体电阻率、磁导率、磁导

33、率以及以及产生交变磁场的线圈与被测体之间距离产生交变磁场的线圈与被测体之间距离x x，线圈激励电流的频率线圈激励电流的频率f f有关。若使其中某一有关。若使其中某一参数为被测量或随被测量变化，而固定其他参数为被测量或随被测量变化，而固定其他参数，则构成测量某种参量的传感器。参数，则构成测量某种参量的传感器。传感器特点：结构简；灵敏度高；频传感器特点：结构简；灵敏度高；频响宽；不受油污等介质的影响；可非接响宽；不受油污等介质的影响；可非接触测量。触测量。应用：适用于测量位移、振动、厚度、转速、应用：适用于测量位移、振动、厚度、转速、温度、硬度等参数，以及无损探伤领域。温度、硬度等参数，以及无损探

34、伤领域。48 涡流穿透深度h与激励电流频率f有关，所以根据激励频率有高频反射式或低频透射式两类涡流传感器。其中高频反射式应用广泛。（1） 高频反射式电涡流传感器结构高频反射式电涡流传感器结构 主要由一个装在框架上的扁平圆形线圈构成。此线圈主要由一个装在框架上的扁平圆形线圈构成。此线圈粘贴于框架上，或将导线绕在框架上开的槽沟内。粘贴于框架上，或将导线绕在框架上开的槽沟内。561234CZF1型涡流传感器的结构1 线圈 2 框架(聚四氟乙烯) 3 衬套 4 支架 5 电缆 6 插头49（2 2） 基本原理基本原理 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

35、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i1的频率等。 电涡流效应演示 当电涡流线当电涡流线圈与金属板的距圈与金属板的距离离x 减小时，电减小时，电涡流线圈的等效涡流线圈的等效电感电感L 及感抗及感抗XL减小，但等效电减小，但等效电阻阻R 增大。增大。 由于感抗由于感抗XL 的变化比的变化比 R 的的变化变化 大大 得得 多，多，因而，流过线圈因而，流过线圈的电流的电流 i1 增大。增大。 51 把导体中的涡流路径视为一短路线圈，涡流传感器可用下图的等效电路描述。 位移导体与线圈之间的间距x

36、 变化时，互感系数M变化，故输入回路的等效阻抗变化。由电路定律有：解得：线圈的等效电阻、等效电感、品质因数分别为：L1L2R1R21I+-M2I1U图 涡流效应等效电路022221121111ILjIRIMjUIMjILjIR22222222122222222111LRMLLjLRMRRIVZ222222221LRMRRReq222222221LRMLLLeqeqeqeqRLQ，52涡流影响导致：线圈阻抗的实部增大，虚部减小，品质涡流影响导致：线圈阻抗的实部增大，虚部减小，品质因数下降。阻抗变化部分常称为因数下降。阻抗变化部分常称为“反射阻抗反射阻抗”。 传感器线圈的等效电阻、等效电感、品质因

37、数都受互传感器线圈的等效电阻、等效电感、品质因数都受互感感M的影响，可选三个参数中的任一个进行测量。的影响，可选三个参数中的任一个进行测量。 导体的电阻率导体的电阻率、导磁率、导磁率、线圈与导体的距离、线圈与导体的距离x以及以及线圈的激励频率线圈的激励频率等参数都通过涡流效应和磁与效应线圈等参数都通过涡流效应和磁与效应线圈阻抗发生联系，线圈阻抗阻抗发生联系，线圈阻抗Z是这些参数的函数是这些参数的函数: 改变其中一个参数固定其他参数，可构成测量变化参改变其中一个参数固定其他参数，可构成测量变化参数的传感器。数的传感器。),(xfirfZ53（3高频反射式的输出特性高频反射式的输出特性 电涡流传感

38、器是由线圈和被测金属导体组成的系电涡流传感器是由线圈和被测金属导体组成的系统，其阻抗、电感和品质因素都是该系统互感系数的平方统，其阻抗、电感和品质因素都是该系统互感系数的平方函数。函数。 若以若以x为变量，为变量，Z以及以及L, Q都是都是x的非线性函数，只能的非线性函数，只能在一定范围内近似地用线性函数表示。在一定范围内近似地用线性函数表示。说明：随着被测导体靠近，涡流效应使线圈电感量呈现减说明：随着被测导体靠近，涡流效应使线圈电感量呈现减小趋势，但位移对电感量的影响还与被测导体材料有关。小趋势，但位移对电感量的影响还与被测导体材料有关。54 电涡流传感器的灵敏度电涡流传感器的灵敏度 根据被

39、测参数不同有不同的定义。对位移型传感器，根据被测参数不同有不同的定义。对位移型传感器，其灵敏度指单位位移时，传感器的输出电压大小。其灵敏度指单位位移时，传感器的输出电压大小。被测体是电涡流传感器的组成部分，影响其灵敏度：被测体是电涡流传感器的组成部分，影响其灵敏度： 材质的影响：材质的影响：被测导体的电导率越高，灵敏度越高被测导体的电导率越高，灵敏度越高磁性体的灵敏度比非磁性体低磁性体的灵敏度比非磁性体低镀层有影响镀层有影响 大小、形状、厚度的影响大小、形状、厚度的影响对被测体的大小要求对被测体的大小要求:被测体产生涡流环的直径应大于线圈直径的被测体产生涡流环的直径应大于线圈直径的1.8倍倍.

40、被测体形状：被测体形状：被测体为圆柱体时，要求其直径为线圈直径的被测体为圆柱体时，要求其直径为线圈直径的3.5倍以上倍以上被测体厚度：被测体厚度：一般厚度一般厚度0.2mm(视激励频率而定视激励频率而定)，铜、铝等可减至，铜、铝等可减至70微米。微米。55（4 4测量电路测量电路主要有调频式、调幅式及电桥电路主要有调频式、调幅式及电桥电路1) 1) 调频式电路调频式电路关键：提高振荡器的频率稳定度。关键：提高振荡器的频率稳定度。当传感器线圈与被测物体间的距离x变化时，线圈的等效电感L发生变化，使振荡器频率改变，鉴频将频率变成电压输出。CxLf)(2156 图中耦合电阻R 用来减小传感器对振荡器的影响，并作为恒流源内阻。 R直接影响灵敏度：R大灵敏度低，R小则灵敏度高；但R过小时，由于对振荡器起旁路作用，会使灵敏度降低。 谐振回路输出电压为高频载波信号，信号小，需高频放大、检波和滤波等环节，使输出信号便于传输与测量。图 调幅式测量电路示意图2调幅式电路调幅式电路57 当当LC并联谐振回路调谐在与振荡并联谐振回