传感检测技术及其应用05.ppt

1、2020年8月21日,传感检测技术及其应用第二篇 典型传感器的原理及其应用技术,2020年8月21日,2,第五章 电感式传感器及应用,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感器的应用,2020年8月21日,3,电感式传感器概念和类型,电感式传感器是以电和磁为媒介，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）两种。,2020年8月21日,4,5-1自感式传感器,自感式传感器是

2、利用线圈自身电感的改变来实现 非电量与电量的转换。主要有变气隙型、变面积型、 螺管插铁型。,一、变磁路气隙式电感传感器,组成：线圈、铁芯和衔铁组成。在铁芯与衔铁之间存在气隙。,2020年8月21日,5,根据磁路理论，磁通为：,原理分析：根据电磁感应定律，当线圈中通以电流I时，产生磁通，其大小与电流成正比，线圈的自感量L为,2020年8月21日,6,线圈自感可用下式计算：,磁路的磁阻主要是气隙产生的气隙磁阻，,联立式（51）、（52）、（54），线圈的电 感量为,2020年8月21日,7,线圈电感变化量（气隙减小）,非线性误差,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

3、围内变化微小的位移。 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 变化量与位移量成线性关系。,其灵敏度为,2020年8月21日,8,原理,1.灵敏度是一常数； 2.在一定范围内不存在非线性； 3.当正反方向变化相同的x时，其电感变化量具有对称性。但当xa时就不再存在直线关系，其线性范围是有限的。,结论,二、变磁路截面积式自感传感器,传感器的灵敏度,2020年8月21日,9,三、螺管插铁型电感传感器,式中：L单个线圈的电感量； L0空心螺管线圈的电感量， W单个线圈的匝数； r线圈的平均半径； rc柱形衔铁的半径； l 单个螺管线圈长

4、度； lc柱形衔铁插入到单个螺管内的长度； 铁芯的有效磁导率。,原理：单个线圈电感量与衔铁插入长度关系为,2020年8月21日,10,传感器的灵敏度：,螺管线圈电感变化量,总结：结构简单、易制造，灵敏度低，适于较大位移 （数毫米）测量。,2020年8月21日,11,四、差动电感传感器,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 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 构、材料和电气参数相同自感传感器构成。,2020年8月21日,12,对差动式传感器，当共用衔铁位移时，两线圈的间隙按0、0+变化，即一个线圈自感增加，另一个减小。,

5、当/1时：,1. 工作原理,2020年8月21日,13,灵敏度,，为原来的两倍。,非线性误差,降低了一个数量级。,2020年8月21日,14,2.交流电桥 初始条件,电桥处于平衡状态，输出USC=0。,当衔铁偏移时，,，则,2020年8月21日,15,所以上式为,，将,代入后,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：,从理论上消除了零位输出误差； 灵敏度提高一倍； 线性度得到改善； 差动形式可以提高外界的干扰。,2020年8月21日,16,3.变压器交流电桥,电桥的工作臂是Z1、Z2，另外 两个臂是变压器的次级线圈， 输出取自A、B两点，B点为线 圈的中

6、心，并接地。,初始时，,当衔铁偏离 时，,2020年8月21日,17,同理，当衔铁偏移时，可推导出,综合上两式有,结论： a）以上交流电桥，变压器电桥其输出正比于L/L0。 b）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。,4、相敏整流,2020年8月21日,18,5-2 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 的变化转换成线圈相互的互感量的变化，然后再经过 转换电路转换成为电信号输出。 结构形式主要有三种：螺管型差动变压器、 型 差动变压器及旋转变压器。但目前常用的是螺管型差 动变压器。,一、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

7、 式、三段式、四段式、五段式等。,1.原理,2020年8月21日,19,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,主要由线圈绕组（初级绕组和次级绕组）、可移 动衔铁、导磁外壳三大部分组成。,2020年8月21日,20,所以有,当衔铁处于中间位置时M1=M2，E2=0,当衔铁偏离中间位置时，设M1M+M1，M2MM 2 ，M1 M 2 M，有,位移量与M有近似线性关系。,2020年8月21日,21,2.主要特性,（1）输出特性 差动变压器输出电压可用下式计算： E2为差动变压器输出电压有效值；x衔铁的位移量； k1与变压器结构尺寸和电参数有关的系数；k2与变 压器

8、结构有关的系数。,（2）线性度,在输出特性公式中，通常k2x21，也就是说 k2通常很小，理想的输出特性为 E2=k1x,2020年8月21日,22,（3）灵敏度,则最大偏差为 非线性误差为,当忽略k2x2时，差动变压器的灵敏度为k1。当 差动变压器的结构确定后，激励信号频率是影响灵 敏度的主要因素。灵敏度为(0.15)V/mm。,2020年8月21日,23,（4）激励频率 差动电源的激励频率对其灵敏度和线性度均有较 大的影响。实际应用中电源的激励频率常为400Hz 10kHz，并且高于衔铁运动频率的十倍。,（5）零位输出电压 零位电压常为几毫伏至几 十毫伏。 零位电压的危害： 零点附近灵敏度

9、减小； 后接高增益放大器时，易使 放大器出现饱和而堵塞有用信号通过。 如用来控制执行元件，易产生误动作。,2020年8月21日,24,3.测量电路,（1）相敏检波电路,比较器,放大电路,检波器,滤波器,2020年8月21日,25,2020年8月21日,26,Vin,Vo,Vin,Vo,2020年8月21日,27,Vs,Vin,Vb,Vo,Vout,Vs和Vin同相时,2020年8月21日,28,Vs和Vin反相时,Vs,Vin,Vb,Vo,Vout,2020年8月21日,29,（2）差动整流电路 单相半波差动整流（电压、电流型），单相全波 桥式差动整流电路（电压、电流型） 。,（3）单片LVD

10、T信号处理电路,LVDT（Linear variable differential transformer）的单片集成信号处理IC有AD598、 AD698,2020年8月21日,30,金属板置于一只线圈的附近，它们之间相互的间距为x，当线圈输入一交变电流I1时，便产生交变磁通量，金属板在此交变磁场中会产生感应电流i2，这种电流在金属体内是闭合的，所以称之为“涡电流”或“涡流”。,5-3 电涡流式传感器,一、工作原理,涡流的大小与金属板的电阻率、磁导率、厚度h， 金属板与线圈的距离x，激励电流角频率等参数有 关。若改变其中某一参数，而固定其他参数不变，就 可根据涡流的变化测量该参数。,2020

11、年8月21日,31,高频(lMHz)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，在金属板表面将形成涡电流。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L或阻抗ZL的变化，其变化与距离该金属板的电阻率、磁导率、激励电流i，及角频率等有关，若只改变距离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出。高频反射式涡流传感器多用于位移测量。,涡流式传感器可分为高频反射式和低频透射式。,二、涡流传感器类型,1.高频反射式,2020年8月21日,32,低频透射式涡流传感器的工作原理如图所示，发射线圈1和接收线圈2分别置于被测金属板材料G的上、

12、下方。,2、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)电压e1加到线圈1的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板材料G,使线圈2产生感应电动势e2。但由于涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势e2减少，当金属板材料G越厚时，损耗的能量越大，输出电动势e2越小。因此，e2的大小与G的厚度及材料的性质有关，试验表明，e2随材料厚度h的增加按负指数规律减少,如图所示，因此，若金属板材料的性质一定，则利用e2的变化即可测量其厚度。,2020年8月21日,33,三、特性分析,（1）输出特性：一定距离范围内呈线性,（2）灵敏度 灵敏度正比于线圈直径，反比于线圈 厚度；被测测物体半径大于线圈

13、外径1.8倍，要有一 定厚度；正比于电导率，反比于磁导率；正比于工作 频率。,四、测量电路,1.调幅式测量电路,2020年8月21日,34,2.调频式测量电路,2020年8月21日,35,2020年8月21日,36,3.电桥测量电路,2020年8月21日,37,5-4 电感式传感器应用,一、电感式传感器应用,1.电感式位移式传感器,2.差动变压器测速,3.差动变压器测惯性加速度,4.磨加工连续表面主动测量仪,5.三维电感测头,二、电涡流传感器应用,1.涡流式传感器测位移,2020年8月21日,38,2020年8月21日,39,2020年8月21日,40,2020年8月21日,41,2020年8月21日,42,2.涡流膜厚检测,3.电涡流式转速表,4.电涡流