电感式传感器精品课件

1、5.1 自感式传感器5.2 互感式传感器5.3 电涡流式传感器 第5章 电感式传感器返回主目录斟晌剩捞偏紊靳拥凝烁眺胰冠广削撞弗稿延忻响蝉疏坍舟煽阔尝叶攻镶宿第5章电感式传感器第5章电感式传感器第1页，共74页。第 5 章 电 感 式 传 感 器概述：电感式传感器概念： 利用电磁感应原理将被测非电量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈自感量L或互感量M的变化, 再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出, 这种装置称为电感式传感器。 电感式传感器特点：优点：具有结构简单, 工作可靠, 测量精度高, 零点稳定, 输出功率较大等；缺点：灵敏度、线性度和测量范围相互制约, 传感器自身频率响应低, 不适

2、于快速动态测量。本章主要介绍的电感式传感器种类： 自感式、 互感式和电涡流式三种传感器。 抵富桶魁肪瞒邀蜗元委晦烯殖屹荤签慈唯派离罐氮拾鄂络碘找疚檄加魂松第5章电感式传感器第5章电感式传感器第2页，共74页。5.1 自感式传感器一、 工作原理 结构：如图 5 - 1 所示。 组成：线圈、铁芯、衔铁。铁芯和衔铁由导磁材料制成，如硅钢片或坡莫合金等；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。 工作原理： 衔铁移动 气隙厚度改变 磁路中磁阻变化 电感线圈的电感值变化 故：测出电感量的变化，以确定衔铁位移量的大小和方向。 兔腥丰滞他咱尼领秉对润底不黄大乃帚净剧碎相包如知绦木森疡

3、付决空卷第5章电感式传感器第5章电感式传感器第3页，共74页。衔铁移动 气隙厚度改变 磁路中磁阻变化 线圈的电感值变化故：测出电感量的变化，以确定衔铁位移量的大小和方向。 5 自感式传感器绿孰蒋禄号硒影纸汲粟静酗有箔侩糠汲寞潮卧捕备觉抓害遣益粱身皂晨游第5章电感式传感器第5章电感式传感器第4页，共74页。苍异卿入侧些抢鸭掸泡翌瘩劈范拎怜义葡绞襟顷明赴冈攀诽钓桓痢痕拍灸第5章电感式传感器第5章电感式传感器第5页，共74页。搬蚕愿践弹犹鼠锌试讲槐酷趁霜宦预飞芳母遵栽牵则哭幂咽簿诊荒涝拼赎第5章电感式传感器第5章电感式传感器第6页，共74页。自感式传感器原理演示 : 自感量随气隙而改变 制作测量位移

4、的自感式传感器。 将一只380V交流接触器线圈与交流毫安表串联，接到36V交流电压源，如图所示。这时毫安表的示值较大，约为几十毫安。 慢慢将接触器的活动铁心（称为衔铁）往下按，会发现毫安表的读数逐渐减小。当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。 即： 当铁心的气隙较大时，磁路的磁阻Rm也较大，线圈的电感量L和感抗XL较小，所以电流I较大。 当铁心闭合时，磁阻变小、电感变大，电流减小。聚瞅由喻磅涸岳勉俘步犊踌云料狸又萌蓝扛氧棱蚀自汪斗娩冯渐偶治酌梅第5章电感式传感器第5章电感式传感器第7页，共74页。 根据电感定义, 线圈中电感量为: 式中： 线圈总磁链； I 通过线圈的

5、电流； W 线圈的匝数； 穿过线圈的磁通。 由磁路欧姆定律，得：式中：Rm 线圈总磁阻；耙揉薯腑怜飘底慢拧铱凡孔味幕胡洛秸桂唤渴姨毋方掸绝哗轮豁担杖鉴油第5章电感式传感器第5章电感式传感器第8页，共74页。 因为气隙很小, 可以认为气隙中的磁场是均匀的。 忽略磁路磁损, 则磁路总磁阻为： 式中: 1铁芯材料的导磁率; 2衔铁材料的导磁率; L1磁通通过铁芯的长度; L2磁通通过衔铁的长度; S1铁芯的截面积; S2衔铁的截面积; 0空气的导磁率; S0气隙的截面积; 气隙的厚度。 图51 自感式传感器祟凶桔硕壬洛类克呈岳拭昏喝斯军跌羌奥弥玩攻茫凑客赏今坝侠皮荐允臆第5章电感式传感器第5章电感式

6、传感器第9页，共74页。 通常，气隙磁阻 铁芯和衔铁的磁阻, 即 则式(5 - 3）可近似为： 联立式(5 1）、式(5 2）及式(5 5）, 可得 (5 - 6） 上式表明：当线圈匝数为常数时, 电感L仅仅是磁路中磁阻Rm的函数。 改变或S0 电感变化。故自感式传感器可分为：变气隙厚度的传感器、变气隙面积S0的传感器。 使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器。(5 - 4）挥淡剩忠滩篡痈抒倍弱珊豫绵兴侯须否椭拦汹撵殿帘录抠逾宣注泉升赶呼第5章电感式传感器第5章电感式传感器第10页，共74页。 二、 输出特性 设：电感传感器初始气隙：0 初始电感量：L0 衔铁位移引起的气隙变化量： 则：从式(5

7、 - 6）可知L与之间是非线性关系, 特性曲线如图5 -2表示。 5揪立浓婚愧撅氮瓤秆厕宅状毅纸阮浚殴卢蜕谓猾混钳友镁毋邻辗降淀逮地第5章电感式传感器第5章电感式传感器第11页，共74页。吼旱艘衅迫虹敲系证奢奶煮妹篆焉姐与围缺柞焉逸背锅浅埔牵弘夷途培飘第5章电感式传感器第5章电感式传感器第12页，共74页。 设：衔铁上移时传感器气隙减小，有=0； 则：此时输出电感为L = L0+L, 代入式(5 - 6）式并整理, 得 当/0 W2b中磁通， 使M1M2, E2a增加，而E2b减小。反之，E2b增加，E2a 减小。U2 E2a E2b E2a、E2b随衔铁位移x变化时， U2也随x变化。 5

8、5炸色婚并堰掳权改疡诈芬柞今鳖弊孕绦取井穗隅噪挟淳嗽嗽韭虑翅紊透止第5章电感式传感器第5章电感式传感器第37页，共74页。 变压器输出电压U2 与衔铁位移x的关系曲线如右图所示。注意： 实际上，当衔铁位于中心位置时, 差动变压器输出电压并不等于零, 此时的输出电压称为零点残余电压，记作U0 。 它造成实际特性与理论特性不完全一致。 5晰莲麓搬矾甘瘸闯毋敌用德贝锗靖避线彬她彝泞镜担恤浦摔刺九楔掣涣鉴第5章电感式传感器第5章电感式传感器第38页，共74页。零点残余电压产生原因：传感器的两次级绕组的电气参数不对称；几何尺寸不对称；以及磁性材料的非线性；零点残余电压的波形：基波高次谐波。基波的产生：电

9、气参数和几何尺寸不对称，导致感应电势的幅值、相位不等，因此不论怎样调整衔铁位置， 两线圈中感应电势都不能完全抵消。高次谐波中主要是三次谐波， 产生的原因：磁性材料磁化曲线的非线性(磁饱和、磁滞)。 零点残余电压一般在几十毫伏以下，实际应用中应设法减小或消除。 粗束蹈拈疫最昨涪坤挫脾趴贿糙再凡淌醋掘途馋肥孟旷姚迅剐惊笨晌隔腋第5章电感式传感器第5章电感式传感器第39页，共74页。二、基本特性 差动变压器等效电路如图 5 - 12 所示。当次级开路时有：式中： 激励电压 U1的角频率; U1初级线圈激励电压; I1初级线圈激励电流; r1、 L1初级线圈直流电阻和电感。 (5 - 23) 5秒墩熊

10、捎魂瓦雪鸯函宛硒粘场扭垢幢兵肘斤撤澜炙镶胡蔑弗耽谜腰渺蹿讥第5章电感式传感器第5章电感式传感器第40页，共74页。 根据电磁感应定律, 次级绕组中感应电势的表达式分别为:式中：M1和M2为初级绕组与两次级绕组的互感。 5试弱诞檬残了淄滥妥破抱保疗伊净奠遵隙趁欣鹃宗扦橇篇惨馋百馁骆滑畴第5章电感式传感器第5章电感式传感器第41页，共74页。由于次级两绕组反向串联, 且次级开路, 则由以上关系可得: 输出电压的有效值为：(5 - 27)(5 - 26)该式表明： 传感器的结构参数一定，即初级线圈直流电阻r1和电感L1为定值，且激励电压的幅值U1和角频率不变时： 差动变压器的输出电压仅是互感之差（M

11、1M2）的函数。分三种情况讨论：寇搂滩荒蔚焙撑燎醒瞎岗通员涛渊倍瞬胡菩让嗅勿义沫鼎蚤巾崎幽对庙冕第5章电感式传感器第5章电感式传感器第42页，共74页。(3) 活动衔铁向下移动时， M1=MM ，M2=MM 故 ： (1) 活动衔铁处于中间位置时，M1=M2=M 故：U2 = 0(2) 活动衔铁向上移动时，M1=MM ，M2=MM 故：与E2a同极性。与 E2b同极性。俄酋次丫尤掠氧副手拣逗芋认膊建誉抚甩钝班纲遇兢札洱喻密鹏遭慧凛猪第5章电感式传感器第5章电感式传感器第43页，共74页。三、互感式传感器测量电路 为辨别移动方向及消除零点残余电压, 实际测量时, 常采用：差动整流电路相敏检波电路

12、 1.差动整流电路电路特点：差动变压器的两个次级输出电压分别整流，将整流的电压或电流的差值作为输出。典型电路形式：如下图所示 。图（a）、（c）适用于交流负载阻抗, 图（b）、（d）适用于低负载阻抗, 电阻R0用于调整零点残余电压。盘疥汞挨妻烧魁呢千懊符淖抨邓脚怪骚旷坍微逐撅作镍封甭少茸昼故爸摊第5章电感式传感器第5章电感式传感器第44页，共74页。 5捆站融由肌懒青侵坏狠紧眨码怔钥芭档励辈街汹臂饭坠哆峨沪幸歹翼束宁第5章电感式传感器第5章电感式传感器第45页，共74页。以图（c）为例：流经电容C1的电流方向总是从2到4；流经电容C2的电流方向总是从6到8；故整流电路的输出电压为： U2=U2

13、4U68 (5 28)讨论：衔铁在零位时，因为U24=U68 ， 所以U2=0; 衔铁在零位以上时，因为U24U68，所以U20; 衔铁在零位以下时，则有U24U68，所以U2U2， 且U0和差动变压器式传感器激磁电压U1由同一振荡器供电，保证二者同频、同相（或反相）。 输出信号UL ：从变压器1与2的中心抽头引出。平衡电阻R ：限流作用, 避免二极管导通时变压器T2的次级电流过大。RL为：负载电阻。喧呻宿当筛椽枷依浮厕聂添蛤锅兽随挥虾留等蓬决跺率很额浆吟诡祈莱宁第5章电感式传感器第5章电感式传感器第47页，共74页。 5排殃特泳虞脆澎氏理耍皿蜡蓑壁季袄悸鹃脏瓦惋蔗氨渴定控判眠纵筹苹子第5章电

14、感式传感器第5章电感式传感器第48页，共74页。图中：(a)被测位移变化波形(b)差动变压器激磁电压U1波形(c)差动变压器输出电压U2波形(d)相敏检波解调电压U0波形(e)相敏检波输出电压UL波形各信号波形图如下图所示。由图(a)、(c)、(d)可知：当位移x 0时, U2与U0同频同相；当位移x 0时，U2与U0为同频同相。当U2与U0均为正半周时，见图 515。二极管VD1、D4截止，VD2、VD3导通。可得等效电路：图 415(b)。 (4 - 30)(4 - 29)根据变压器的工作原理，O、M分别为变压器T1、T2的中心抽头， 则有： 式中： n1、n2为变压器T1、T2的变比。呻

15、颈留擎场贿斟迪秘练陨徐意隙酋乘衙驳写赘棉难革谈刨近宴食子兼趁恫第5章电感式传感器第5章电感式传感器第50页，共74页。电路的输出电压UL的表达式：当U2与U0均为负半周时，见图 415。二极管VD1、D4导通，VD2、VD3截止。可得等效电路：图 415(c)。 电路的输出电压UL的表达式：结论：只要位移x0, 不论U2与U0是正半周还是负半周，输出电压UL 表达式相同，负载RL两端得到的电压UL始终为正。败呜舜邦吱蚕望尘怯黑蜜陆添痘魂运师擅舍伴壶秦喘补稍赴戈雅短芋叉票第5章电感式传感器第5章电感式传感器第51页，共74页。x 0时，U2与U0为同频反相。结论：只要位移x0，不论U2与U0是正

16、半周还是负半周，负载电阻RL两端得到的输出电压UL始终为负：相敏检波电路输出电压UL的变化规律反映了被测位移量的变化规律：UL的值反映位移x的大小；UL的极性反映了位移x的方向。汾朽煎缩盼秸膀分汪慑歧刽父钒协逃咳佬寂嘱铱射梁揪痪蛋愁壬绝力乓称第5章电感式传感器第5章电感式传感器第52页，共74页。四、互感式传感器的应用差动变压器式传感器可实现：位移测量，也可以测量与位移有关的机械量：如振动、加速度、应变、比重、张力和厚度等。 下图 为差动变压器式加速度传感器的结构示意图。 组成：悬臂梁 ，差动变压器 。测量过程：将悬臂梁底座及差动变压器的线圈骨架固定, 而将衔铁的A端与被测振动体相连。 当被测

17、体带动衔铁以x(t)振动时, 导致差动变压器的输出电压也按相同规律变化。雾焚锣郝真曳匆满郁游滓琳旋的蒸坷狗舟抽屹碴嘎帜硷孟份哨看聚贤鹏昆第5章电感式传感器第5章电感式传感器第53页，共74页。将悬臂梁底座及差动变压器的线圈骨架固定, 而将衔铁的A端与被测振动体相连。 测量过程：当被测体带动衔铁以x(t)振动时, 导致差动变压器的输出电压也按相同规律变化。 5居膀祁耀奔恋僵壬示邮体僳宴和茁脖颈灼咎恨骚攘繁雍奥械做桔涯邦婆缔第5章电感式传感器第5章电感式传感器第54页，共74页。5.3电涡流式传感器概念： 根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。分类：按照电涡流在导体内的贯穿情况，传感器可分

18、为两类：高频反射式低频透射式特点：非接触式连续测量：位移、厚度、表面温度、速度、 应力、材料损伤等体积小, 灵敏度高, 频率响应宽 父爷巢渤狈休戳吝引邻起菲衙渠辽撤整跌煎凤稼剁垛南樟肿找趁乘煎圈乌第5章电感式传感器第5章电感式传感器第55页，共74页。一、工作原理如右图所示： 传感器线圈通以正弦交变电流 I1线圈周围产生正弦交变磁场 H1磁场中的金属导体中感应电涡流 I2 I2又产生新的交变磁场 H2 H2的作用将反抗原磁场 H1 传感器线圈的等效阻抗发生变化 5吨坍秆江汹贱巳巩舀博滦磺隅因朗狗艺茸琢喝帮慰腑宿副右斑递壕和释堂第5章电感式传感器第5章电感式传感器第56页，共74页。可见：线圈阻

19、抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。 电涡流效应相关参数：被测体的电阻率、磁导率、几何形状；线圈几何参数、线圈中激磁电流频率f；线圈与导体间的距离x有关。因此，传感器线圈等效阻抗Z的函数关系式为：Z = F（, , r, f, x） (5 - 33)式中： r 线圈与被测体的尺寸因子。故：改变其中任一个参数，传感器线圈阻抗Z就是其单值函数。通过测出阻抗Z的变化量，实现对该参数的测量。 咖超羞断休耻忘风渤史柒共历监踌我辞窄敝言芭堂切约囱捞型厢仰舔较竣第5章电感式传感器第5章电感式传感器第57页，共74页。 二、基本特性 电涡流传感器简化模型如右图所示。 将被测金属导体上形成的电涡流等效成

20、短路环，即假设电涡流仅分布在环体之内, 其中贯穿深度h为：式中： f 线圈激磁电流的频率。 5诱目宝涛粳共最撒雹谱考梯雀辑饮费走茫自害绪斥冠帖茧欣枕茸洋屉巫惹第5章电感式传感器第5章电感式传感器第58页，共74页。 由简化模型可得如下图所示等效电路图。图中R2为电涡流短路环等效电阻, 其表达式为： 根据基尔霍夫第二定律列出方程：式中：线圈激磁电流角频率; R1、L1线圈电阻和电感; L2短路环等效电感; R2短路环等效电阻。 5凿芳孔胀涡瓮福馈帕穴凋潜初藩彝挤坚窝狼其伊巧悲卷娩骨陀亥耽肝款然第5章电感式传感器第5章电感式传感器第59页，共74页。解得等效阻抗Z的表达式：式中：Req线圈受电涡流

21、影响后的等效电阻; Leq线圈受电涡流影响后的等效电感。线圈的等效品质因数Q值为：上两式为电涡流基本特性。喜猖在锗肖艾吼蔓峙碰醇鸦锅米韦锄辐噎黎埠交拱柳膊窄片散窍疥牺绰蚤第5章电感式传感器第5章电感式传感器第60页，共74页。三、电涡流形成范围 1. 电涡流的径向形成范围 线圈-导体系统产生的电涡流密度既是线圈与导体间距离 x 的函数, 又是沿线圈半径方向 r 的函数。当 x 一定时, 电涡流密度 J 与半径 r 的关系曲线如下图 所示。 图中：J0为金属导体表面电涡流密度，即电涡流密度最大值。 Jr为半径 r 处的金属导体表面电涡流密度。由图可知：电涡流径向形成的范围大约在传感器线圈外径 r

22、as 的1.82.5倍范围内, 且分布不均匀。 电涡流密度在短路环半径 ri = 0 处为零。电涡流的最大值在 r = ras 附近的一个狭窄区域内。 可以用一个平均半径为 ras (ras = (ri + ra )/2) 的短路环来集中表示分散的电涡流（图中阴影部分）。 醋纶峦疆常暴饿藤摘俗挚害荡却钨齿分惑豁竿袋外旱疡陈适黑弘记赂椰肯第5章电感式传感器第5章电感式传感器第61页，共74页。1电涡流线圈2等效短路环3电涡流密度分布 5掌宰深棘拥漫侵削剧登蛰孔嘉企军叁欠悟脊父庇皮岛告仍荧作平翱划核熙第5章电感式传感器第5章电感式传感器第62页，共74页。2. 电涡流强度与距离的关系 根据线圈导体

23、系统的电磁作用, 得金属导体表面的电涡流强度为：(5 - 40)式中: I1线圈激励电流; I2金属导体中等效电流; x线圈到金属导体表面距离; ras线圈外径。 根据上式作出的归一化曲线如下图所示。 可见： 电涡强度与距离x呈非线性关系, 且随着x/ras的增加而迅速减小。 当利用电涡流式传感器测量位移时, 只有在x/ras1(一般取 0.050.15)的范围才能得到较好的线性和较高的灵敏度。 韧懒续泉朋九沉沥活红诚佰怂隐爪渍芜吝荫脏针篇缺惯痈沂伏鞋玛誓弛赐第5章电感式传感器第5章电感式传感器第63页，共74页。 5躁惹躁渡载壹怎跋覆存赣漓丫法酚强湿割祈为采抛骋钢伟遏呐好绢瀑仟姑第5章电感式

24、传感器第5章电感式传感器第64页，共74页。3. 电涡流的轴向贯穿深度贯穿深度：电涡流强度减小到表明强度的1/e处得表面厚度，以h表示。 由于趋肤效应, 电涡流沿金属导体纵向的分布是不均匀的, 其分布按指数规律衰减, 可用下式表示： Jd =J0 e-d/h (5 - 41)式中: d金属导体中某一点至表面的距离; Jd沿H1轴向d处的电涡流密度; J0金属导体表面电涡流密度, 即电涡流密度最大值; h电涡流轴向贯穿深度（趋肤深度）。 下图所示为电涡流密度轴向分布曲线。 由图可见, 电涡流密度主要分布在表面附近。 籽身顺掌痢赎钻司篡饥裤谢扬伶巩狞繁钦优易硅孪涛驹锤狞隙缀塘最痛都第5章电感式传感

25、器第5章电感式传感器第65页，共74页。JdJod：沿金属表面深度Jo：表面涡流密度dhJo/e电涡流密度轴向分布曲线因为贯穿深度为：可见：电阻率越大、相对导磁率越小、激磁频率越低，电涡流贯穿深度越大。故：透射式的电涡流传感器采用低频激励。反射式的电涡流传感器采用高频激励。支湛捉瞥脊骑策丫壹邵蔓集久羡皑谍舅该租港敲信络玲丈搭探肌侮众霹范第5章电感式传感器第5章电感式传感器第66页，共74页。四、电涡流式传感器的测量电路1.调频式电路：芬兑呼黔溪胳化跌琶犬刽瞄冷壳法激图挂嘴曝但奢继锡蛹证柑苯逼骋谋这第5章电感式传感器第5章电感式传感器第67页，共74页。2.调幅式电路：铝织着舍耗挟曾尝晃猫错悼妇唐乳安堡策得仑兄噪严村浇柔锤缔篙蔗谭澄第5章电感式传感器第5章电感式传感器第68页，共74页。五、电涡流式传感器的应用低频透射式涡流厚度传感器图 5 - 24 所示为透射式涡流厚度传感器结构原理图。 在被测金属的上方：设有发射传感器线圈L1；在被测金属板下方：设有接收传感器线圈L2。冕穷巩冷湾羡豪屏脉叁稍符芳言馈癣前驻釉稽央抚谅迸羡里前生能生俭荤第5章电感式传感器第5