《传感器及应用》-《传感器及应用》-第3章电感式传感器

任务一电感式接近开关的制作

目标要求:

1.了解电感式传感器的测量原理

2.学会利用电感式传感器进行电路的设计

3.掌握常用的测位传感器的应用电磁感应

被测非电量自感系数L互感系数M测量电路U、I、f电感式传感器电感式传感器自感式传感器互感式传感器电涡流式传感器电感式传感器的测量原理

高频电流通过励磁线圈，产生交变磁场，在铁质锅底会产生无数的电涡流，使锅底自行发热，烧开锅内的食物。气隙变小，电感变大，电流变小F自感式传感器的基本结构及工作原理总磁阻线圈匝数两式联立得:δ线圈铁芯衔铁ΔδI为线圈中所通交流电的有效值。Rm=式中:μ1——铁芯材料的导磁率;μ2——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;μ0——空气的导磁率;

S0——气隙的截面积;δ——气隙的厚度

通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻,即则式(4-3）可近似为Rm=

当衔铁移动时,气隙厚度δ发生改变,引起磁路中磁阻变化,从而导致电感线圈的电感值变化,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。

自感式传感器实质上是一个带气隙的铁心和线圈。按磁路几何参数变化形式的不同，目前常用的有变气隙型、变面积型型两种.自感式传感器的输出特性

气隙变化量Δδ越小，非线性失真越小，气隙δ0越小，灵敏度越高。因此该传感器只适用于微小位移的测量。为了减小非线性误差,

实际测量中广泛采用差动变隙式电感传感器。

差动式自感传感器差动式自感传感器ΔL=ΔL1+ΔL2

比较单线圈和差动两种变间隙式电感传感器的特性,可以得到如下结论:

①差动式比单线圈式的灵敏度高一倍。②差动式的非线性失真小。

为了使输出特性能得到有效改善,构成差动的两个变隙式电感传感器在结构尺寸、材料、电气参数等方面均应完全一致。

（2）变面积式自感传感器★自感L与S成线性关系，这种传感器灵敏度较低（4）自感式传感器的测量电路

电感式传感器的测量电路有交流电桥式、交流变压器式以及带相敏检波的交流电桥等几种形式。

1、交流电桥

设初始时Z1=Z2=Z=jωL；

Z3=Z4=R；

L1=L2=L0

将ΔL=L0（Δδ/δ0）代入上式电桥输出电压与Δδ有关。2、变压器式交流电桥

桥路输出电压：

当传感器的衔铁处于中间位置,即Z1=Z2=Z时有UO=0,电桥平衡。当传感器衔铁上移时,即Z1=Z+ΔZ,Z2=Z-ΔZ,此时

优点：这种电桥与电阻平衡电桥相比，元件少，输出阻抗小，桥路开路时电路呈线性；缺点：电桥输出电压只能反映被测物体位移量的大小，不能反映位移量的方向。

基本测量电桥输出特性曲线

由于电路结构不完全对称，初态时电桥不完全平衡，因而产生静态零偏压，称之为零点残余电压，如图中实线所示，图中虚线为理想对称状态下的输出特性。3、带相敏整流的交流电桥

图中调制电压er和e同频，经过移相器使er和e保持同相或反相，且满足er>>e。调节电位器R可调平衡，图中电阻R1=R2=R0，电容C1=C2=C0，输出电压为UCD。当铁芯在中间时,e=0,只有er起作用，输出电压UCD＝0。若铁芯上移，e≠0，设e和er同相位，由于er>>e，故er正半周时D1、D2仍导通，但D1回路内总电势为er＋e，而D2回路内总电势为er－e，故回路电流i1＞i2输出电压UCD=R0（i1–i2）>0。当er负半周时，UCD=R0(i4-i3)>0，因此铁芯上移时输出电压UCD>0。当铁芯下移时，e和er相位相反。同理可得UCD<0。由此可见，该电路能判别铁芯移动的方向。带相敏整流的交流电桥相敏检波电路

相敏整流电路，把测量桥的交流输出转换为直流输出，而后用零值居中的直流电压表测量电桥的输出电压。测量电桥引入相敏整流后，输出特性曲线通过零点，输出电压的极性随位移方向而发生变化，同时消除了零点残余电压，还增加了线性度。变气隙式电感测微仪自感式电感传感器应用

1、测气体压力的传感器自感式传感器的应用变隙电感式压力传感器的结构图差动变压器式传感器

把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化的传感器称为互感式传感器。差动变压器结构形式较多,有变隙式、变面积式和螺线管式等,但其工作原理基本一样.差动变压器式传感器工作原理差动变压器式传感器中两个次级线圈反向串联。给出了变压器输出电压与活动衔铁位移x的关系曲线。

（1）差动整流电路差动变压器式传感器测量电路

其测量电路常采用差动整流电路和相敏检波电路。

差动整流电路

差动变压器式传感器测量电路

差动变压式传感器的应用

衔铁受振动和加速度的作用，使弹簧受力变形，与弹簧连接的衔铁的位移大小反映了振动的幅度和频率以及加速度的大小。稳压电源振荡器检波器滤波器(b)～220Va输出2差动变压器式测张力一、原理:涡流效应电感式传感器——电涡流式传感器Z=F（ρ,μ,r,f,x）高频反射式涡流式传感器

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

金属导体内就会产生涡流涡流产生电磁场反作用于线圈,改变了电感高频反射式电涡流传感器

高频电流通过励磁线圈，产生交变磁场，在铁质锅底会产生无数的电涡流，使锅底自行发热，烧开锅内的食物。采用了最常用的结构形式—高频反射式结构.电涡流式传感器的结构低频透射式涡流厚度传感器

由此可知，E的大小间接反映了M的厚度t，这就是测厚依据。透射式涡流厚度传感器检测范围可达1~100mm，分辨率为0.1mm，线性度为1%。

当电涡流线圈与被测体的距离改变时，电涡流线圈的电感量L也随着变化，引起LC振荡器的输出频率改变，此频率可直接用频率计测量。测量转换电路①电桥电路；②谐振电路；③正反馈电路。电涡流式传感器的应用表6.1给出了电涡流式传感器在工业测量中的主要应用。4、电涡流式传感器应用

1）位移测量2）振幅测量3）电涡流安全门

4）电涡流测厚5）电涡流计数6）涡流探伤电涡流式转速传感器振动的测量案例：无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。火车轮检测油管检测电感式接近传感器产品：思考与习题1.概述自感式传感器的结构类型及工作原理。2.自感式传感器的测量任务是什么？变压器式交流电桥和带相敏检波的交流电桥，谁能更好地完成这一任务？为什么？3.概述差动变压器的组成及工作原理。4、什么是电涡流效应？概述电涡流传感器的基本工作原理？5、何为零点残余电压？简述产生的原因和消除的办法？休息一下！变气隙式差动电感压力传感器1.产生零位残余电压的原因如下：①差动式电感传感器的电气参数及结构尺寸不可能完全对称；②传感器具有铁损，即磁化曲线的非线性；③电源电压中含有高次谐波；④线圈具有寄生电容，线圈与外壳、铁心间有分布电容。2.减小零位残余电压的措施①衔铁、骨架等零件应保证足够的加工精度，两线圈绕制要一致，必要时可选配线圈。保证电、磁、几何对称。②减小电源中谐波成分。③减小电感传感器的励磁电流，使之工作在磁化曲线的线性段。④注意利用外壳进行电磁屏蔽。⑤采用电路措施来减小零位电压。

差动变压器式传感器类型：

①变气隙型：灵敏度较高，但测量范围小，一般用于测量几mm到几百mm的位移。图(a)、(b)。②变面积型：一般可分辨零点几角秒以下的微小角位移，线性范围达±10°。图(c)、(d)。③螺管型：可测量几mm到1m的位移，但灵敏度稍低。其示值范围大，自由行程可任意安排、制造装配也较方便。图(e)、(f)。（1）初始平衡位置时

当差动式传感器的活动铁芯处于中间位置时，传感器两个