传感器原理及应用-第3章课件

1、第3章 电感式传感器 3.1 变磁阻式传感器 3.2 变电压器式传感器 3.3 电涡流式传感器 电磁感应利用线圈电感或互感的改变来实现非电量测量分为变磁阻式、变压器式、涡流式等特点：工作可靠、寿命长灵敏度高，分辨力高精度高、线性好性能稳定、重复性好变磁阻式传感器 3.1.1 工作原理 3.1 变磁阻式传感器3.1.2 输出特性L与之间是非线性关系， 特性曲线如所示。变隙式电压传感器的L-特性分析：当衔铁处于初始位置时，初始电感量为 当衔铁上移时，传感器气隙减小，即=0， 则此时输出电感为同理，当衔铁随被测体的初始位置向下移动时，有 作线性处理，即忽略高次项后，可得 当/0M2，因而E2a增加，

2、而E2b减小。反之，E2b增加，E2a减小。因为Uo=E2a-E2b，所以当E2a、E2b 随着衔铁位移x变化时， Uo也必将随x而变化。2.零点残余电压当衔铁位于中心位置时，差动变压器输出电压并不等于零，我们把差动变压器在零位移动时的输出电压称为零点残余电压，记作Uo.它的存在使传感器的输出特性不经过零点，造成实际特性与理论特性不完全一致。零点残余电压产生原因：主要是由传感器的两次级绕组的电气参数和几何尺寸不对称，以及磁性材料的非线性等引起的。零点残余电压的波形主要由基波和高次谐波组成。基波产生的主要原因是： 传感器的两次级绕组的电气参数、几何尺寸不对称， 导致它们产生的感应电势幅值不等、相

3、位不同，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（主要是三次谐波）产生原因：是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，在实际使用时，应设法减小Ux，否则将会影响传感器的测量结果。减小零点残余电压方法： 1. 尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数及磁路的对称。 2.选用合适的测量电路，如采用相敏整流电路。 3. 采用补偿线路减小零点残余电动势。 3. 基本特性当初级开路时 式中：U初级线圈激励电压； 激励电压U的角频率； I1初级线圈激励电流； r1、 L1初级线圈直流电阻和电感。 .根据电磁感应定律， 次级绕组中感应电势的表达式分

4、别为 输出电压的有效值为 活动衔铁处于中间位置时 M1=M2=M 故 Uo=0 活动衔铁向上移动时 M1 =M+M， M2 =M-M 故 与E2a同极性。 . 活动衔铁向下移动时 M1 =M-M， M2 =M+M 故 与E2b同极性。 . 4. 差动变压器式传感器测量电路问题：（1）差动变压器的输出是交流电压(用交流电压表测量，只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的方向); （ 2）测量值中将包含零点残余电压。常常采用差动整流电路或相敏检波电路。 (1) 差动整流电路 把差动变压器的两个次级输出电压分别整流， 然后将整流的电压或电流的差值作为输出。整流电路的输出电压为 当衔铁在零位时，因为U2

5、4=U68，所以U2=0；当衔铁在零位以上时，因为U24 U68 ，则U2 0；而当衔铁在零位以下时， 则有U24 U68，则U2 0。U2的正负表示衔铁位移的方向。 .差动整流电路（a） 半波电压输出；（b） 半波电流输出； （c） 全波电压输出； （d） 全波电流输出 （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 上一页返 回下一页相敏检波电路波形 (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上一页返 回下一页 5. 差动

6、变压器式传感器的应用 可直接用于位移测量，也可以测量与位移有关的任何机械量，如振动、加速度、应变、张力等。 (1) 加速度传感器（2）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。 上一页返 回下一页（3）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导线上一页返 回下一页（4） 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

7、上一页返 回下一页 a)电涡流传感器原理图b)电涡流传感器等效电路图3.3 电涡流式传感器 涡流效应：金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应电流，这种电流像水中旋涡那样在导体内转圈，称之为电涡流或涡流。这种现象就称为涡流效应。3.3.1 工作原理 根据等效电路列出电路方程组： 通过解方程组，可得I1、I2。因此传感器线圈的复阴抗为： 线圈的等效电感为 ： u磁导率；x-线圈与导体的距离3.3.2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J既是线圈与导体间的距离x的函数，又是沿线全半径为r的函数2 电涡流强度与距离的关系 当x改变时，电涡流密度发生变化，即电涡流

8、强度随距离的变化而变化，金属导体表面的电涡流强度为：结论：1 电涡流强度与距离x呈非线性关系，切随着x/rax的增加而迅速减小。2 让利用电涡流式传感器测位移时，只有在x/rax（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。3 电涡流的轴向贯穿深度电涡流沿金属导体纵向的H1分布不均匀，其分布按指数规律衰减式中 d金属导体中某点至表面的距离 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电涡流传感器结构简单、频率响应宽、灵敏度高、抗干扰能力强、测量线性范围大，而且又具有非接触测量的优点，广泛应用于工业生产和科学研究的各个领

9、域。电涡流传感器主要有两种类型：高频反射式和低频透射式，其中高频反射式电涡流传感器应用较为广泛。3.3 电涡流传感器的应用采用低频激励，有较大的贯穿深度，适合于测量金属材料的厚度。一、低频透射式电涡流传感器二位移测量(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 上一页下一页返 回三 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)发动机涡轮叶片的振幅通常使用数个传感器探头并排地安置在轴附近上一页下一页返 回四厚度测量 电涡流式厚度计的测量原理图 上一页下一页返

10、回五转速测量 f频率值(Hz)； n旋转体的槽(齿)数； N被测轴的转速(rmin)。 上一页下一页返 回电涡流式转速传感器在软磁材料制成的输入轴上加工一键槽，在距输入表面d0处设置电涡流传感器， 输入轴与被测旋转轴相连。 六. 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 上一页下一页返 回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。 上一页返 回用涡流探伤时的测量信号5电涡流温度测量一般情况下，金属导体的电阻率与温度t的关系是较复