传感器原理及应用第4章 电感式传感器

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1、4 4电感式传感器电感式传感器 4 4电感式传感器电感式传感器 利用电磁感应原理将被测非电量如位移、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压力、流量、振动等转换成线圈自感量L L或互感或互感量量M M的变化的变化,再由测量电路转换为电压或电流的再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出变化量输出,这种装置称为这种装置称为电感式传感器电感式传感器。自感式自感式、互感式互感式和和电涡流式电涡流式三种传感器三种传感器4 4电感式传感器电感式传感器各种电感式传感器各种电感式传感器非接触式位移传感器测厚传感器电 感 粗 糙 度 仪接近式传感器4 4电感式传感器电感式传感器电

2、感式传感器电感式传感器 4 4电感式传感器电感式传感器4.1 变磁阻式传感器变磁阻式传感器 4.1 工作原理工作原理由由线圈线圈、铁芯铁芯和和衔铁衔铁三部分组成。三部分组成。当衔铁移动时当衔铁移动时,气隙厚度气隙厚度发生改变发生改变,引起磁引起磁路中磁阻变化路中磁阻变化,导致电感线圈的电感值变化导致电感线圈的电感值变化,测出电感量的变化测出电感量的变化,就能确定衔铁位移量的大就能确定衔铁位移量的大小和方向。小和方向。4 4电感式传感器电感式传感器1线圈；线圈；2铁芯（定铁芯）；铁芯（定铁芯）；3衔铁（动铁芯）衔铁（动铁芯）图图4-1 变磁阻式传感器变磁阻式传感器4 4电感式传感器电感式传感器

3、总磁链总磁链;I 电流电流;w 匝数匝数;磁通。磁通。磁路欧姆定律磁路欧姆定律,得得mRIw 电感定义电感定义,线圈中电感量为线圈中电感量为:WLII4 4电感式传感器电感式传感器 R Rm m总磁阻。忽略磁路磁损总磁阻。忽略磁路磁损,总磁阻为总磁阻为 R Rm m=1 1铁芯铁芯导磁率导磁率;2 2衔铁衔铁导磁率导磁率;L L1 1铁芯铁芯的长度的长度;002221112SSLSL4 4电感式传感器电感式传感器L2衔铁衔铁的长度的长度;S1铁芯铁芯的截面积的截面积;S2衔铁衔铁的截面积的截面积;S0气隙气隙的截面积的截面积;气隙气隙的厚度。的厚度。0 空气空气的导磁率的导磁率;4 4电感式传

4、感器电感式传感器 气隙磁阻大于铁芯和衔铁的磁阻气隙磁阻大于铁芯和衔铁的磁阻,R Rm m可近似为可近似为R Rm m=002su111002suLsu222002suLsu4 4电感式传感器电感式传感器电感电感L L是磁阻是磁阻R Rm m的函数的函数,改变改变或或S S0 0可导致可导致电感变化电感变化.变磁阻式传感器又可分为变磁阻式传感器又可分为变气隙变气隙厚度厚度的传感器和的传感器和变气隙面积变气隙面积0 0的传感器。的传感器。变气隙厚度变气隙厚度式电感传感器使用最广泛。式电感传感器使用最广泛。20022swRwLm可得可得4 4电感式传感器电感式传感器 4.1.2 输出特性输出特性 设

5、初始气隙为设初始气隙为0,初始电感量为初始电感量为L0,衔铁衔铁位移引起的气隙变化量为位移引起的气隙变化量为,L 与与之间之间是非线性关系是非线性关系.4 4电感式传感器电感式传感器图图4-2 变隙式电感传感器的变隙式电感传感器的L-L-特性特性4 4电感式传感器电感式传感器 初始电感量为初始电感量为200002S WL20000002()1WSLLLL 4 4电感式传感器电感式传感器当当/0M2,因而因而增增加加,而而减小。反之减小。反之,增加增加,减小。因减小。因为为 ,所以当所以当、随着衔铁位随着衔铁位移移x变化时变化时,也必将随也必将随x变化。变化。aE2bE2aE2bE2baEEU2

6、22aE2bE22U4 4电感式传感器电感式传感器当衔铁位于中心位置时当衔铁位于中心位置时,差动变压器输出差动变压器输出电压并不等于零电压并不等于零,在零位移时的输出电压在零位移时的输出电压 称为零点残余电压称为零点残余电压:xU4 4电感式传感器电感式传感器21 1222 abEj M IEj M I 4-15 差动变压器的输出电压特性曲线差动变压器的输出电压特性曲线4 4电感式传感器电感式传感器零点残余电压是由于零点残余电压是由于几何尺寸不对称几何尺寸不对称，材料，材料的的非线性非线性。由基波和高次谐波组成由基波和高次谐波组成:基波基波产生的原因是：两次级绕组的产生的原因是：两次级绕组的电

7、气参数电气参数和几何尺寸不对称和几何尺寸不对称，感应电势的，感应电势的幅值不等、幅值不等、相位不同相位不同.4 4电感式传感器电感式传感器 高次谐波高次谐波中起主要作用的是三次谐波，中起主要作用的是三次谐波，原因是由于材料磁化曲线的原因是由于材料磁化曲线的非线性非线性(磁饱磁饱和、磁滞和、磁滞)。4 4电感式传感器电感式传感器 二、二、基本特性基本特性次级开路时次级开路时有有 次级绕组中感应电势的表达式分别为次级绕组中感应电势的表达式分别为:1111UIrj L21 1aEj M I 22 1bEj M I 4 4电感式传感器电感式传感器两绕组反向串联两绕组反向串联,次级开路次级开路,可得可得

8、:输出电压的有效值为输出电压的有效值为(1)(1)活动衔铁处于活动衔铁处于中间位置中间位置时时 M1=M2=M 1202211()()MM UUrL1202211()abjMM UUEErj L 4 4电感式传感器电感式传感器 故故(2)(2)活动衔铁活动衔铁向上移动向上移动时时 M1=M+M M2=M-M 故故,与与 同极性。同极性。aE200U 022112()MUUrL 4 4电感式传感器电感式传感器 (3)活动衔铁活动衔铁向下移动向下移动时时 M1=M-M M2=M+M故故 ,与与 同极性同极性。bE2022112()MUUrL 4 4电感式传感器电感式传感器三、差动变压器式传感器测量

9、电路三、差动变压器式传感器测量电路 输出的是输出的是交流电压交流电压,交流电压表测量交流电压表测量,只能反只能反映映衔铁位移的大小衔铁位移的大小,不能反映移动方向不能反映移动方向。采用采用差动整流电路差动整流电路和和相敏检波电路相敏检波电路。4 4电感式传感器电感式传感器 1.差动整流电路差动整流电路 把差动变压器的两个次级输出电压把差动变压器的两个次级输出电压分别分别整流整流,然后将整流的然后将整流的电压或电流的差值电压或电流的差值作为输出作为输出 4 4电感式传感器电感式传感器图图3-16 差动整流电路差动整流电路4 4电感式传感器电感式传感器流经电容流经电容C C1 1的电流方向总是从的

10、电流方向总是从2 2到到4,4,流经流经电容电容C C2 2的电流方向从的电流方向从6 6到到8,8,整流电路的输整流电路的输出电压为出电压为 U2=U24-U684 4电感式传感器电感式传感器衔铁在衔铁在零位零位时时,因为因为U24=U68,所以所以U2=0;衔铁在衔铁在零位以上零位以上时时,因为因为U24U68,则则U20;衔铁在衔铁在零位以下零位以下时时,则有则有U24U68,则则U20 x0时时,u,u2 2与与u us s同频同相同频同相,当位移当位移x0 x0 x0时时,u,u2 2与与u us s均为正半周时均为正半周时,环形电桥中环形电桥中二极管二极管V VD1D1、D4D4截

11、止截止,V,VD2D2、V VD3D3导通导通,则可得则可得图（图（b b）的等效电路。）的等效电路。4 4电感式传感器电感式传感器图图4 418 18 波形图波形图4 4电感式传感器电感式传感器则有则有 us1=us2=u21=u22=输出电压输出电压u u0 0的表达式的表达式:122nu22nus)2(120LLRRnuRu4 4电感式传感器电感式传感器当当u2与与us均为负半周时均为负半周时,二极管二极管VD2、VD3截止截止,VD1、VD4导通。导通。等效电路如图（等效电路如图（c）所示所示,输出电压输出电压uL 表达式与前式相同表达式与前式相同,只只要位移要位移x0,不论不论u2与

12、与us是正半周还是负是正半周还是负半周，负载半周，负载RL两端得到的电压两端得到的电压uL始终为始终为正正。4 4电感式传感器电感式传感器当当x0 x0时时,u,u2 2与与u us s为同频反相。不论为同频反相。不论u u2 2与与u us s是正半周还是负半周是正半周还是负半周,负载电阻负载电阻R RL L两端得到的输出电压两端得到的输出电压u uL L表达式总是为表达式总是为)2(12LLLRRnuRuu uL L的值反映位移的值反映位移xx的大小的大小,极性则反极性则反映了位移映了位移xx的方向。的方向。4 4电感式传感器电感式传感器4 4、差动变压式传感器的应用、差动变压式传感器的应

13、用当被测体带动衔铁以当被测体带动衔铁以x(t)x(t)振动时振动时,导导致差动变压器的输出电压也按相同规律致差动变压器的输出电压也按相同规律变化。变化。4 4电感式传感器电感式传感器1悬梁臂；悬梁臂；2差动变压器差动变压器图图4-19 差动变压器式加速度传感器原理图差动变压器式加速度传感器原理图4 4电感式传感器电感式传感器差动变压器传感器的应用差动变压器传感器的应用 4 4电感式传感器电感式传感器 差动变压器式传感器可直接用于位移测量，差动变压器式传感器可直接用于位移测量，也可以用来测量与位移有关的任何机械量，也可以用来测量与位移有关的任何机械量，如振动，加速度，应变等等。如振动，加速度，应

14、变等等。4 4电感式传感器电感式传感器（1 1）压差计）压差计 当压差变化时，腔内膜片位移使差动变当压差变化时，腔内膜片位移使差动变器次级电压发生变化，输出与位移成正器次级电压发生变化，输出与位移成正比，与压差成正比。比，与压差成正比。4 4电感式传感器电感式传感器沉筒式液位计将水位变沉筒式液位计将水位变化转换成位移变化，再化转换成位移变化，再转换为电感的变化，差转换为电感的变化，差动变压器的输出反映液动变压器的输出反映液位高低。位高低。4 4电感式传感器电感式传感器（3）电感测厚仪电感测厚仪 L L1 1、L L2 2是电感器传感器的两个线圈作为是电感器传感器的两个线圈作为 两个桥臂；两个桥

15、臂；四只二极管四只二极管D D1 1-D-D4 4组成相敏整流器；组成相敏整流器；RPRP1 1调零电位器，调零电位器，RPRP2 2调电流表调电流表M M满度；满度；4 4电感式传感器电感式传感器被测厚度正常时被测厚度正常时 电电桥平衡无电流，被桥平衡无电流，被测厚度变化时电流测厚度变化时电流M表方向偏转根据表方向偏转根据电流方向确定衔铁电流方向确定衔铁移动方向。移动方向。4 4电感式传感器电感式传感器 4 4电感式传感器电感式传感器法拉第电磁感应原理法拉第电磁感应原理,块状金属导体置于块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时动时,导体内将

16、产生感应电流导体内将产生感应电流,电涡流电涡流,称称为电涡流效应为电涡流效应。4 4电感式传感器电感式传感器 根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。式传感器。分为高频反射式和低频透射式两类分为高频反射式和低频透射式两类,最大的特点是进行非接触式连续测量最大的特点是进行非接触式连续测量.4 4电感式传感器电感式传感器 根据法拉第定律根据法拉第定律,当传感器线圈通以正弦交当传感器线圈通以正弦交变电流变电流 时时,线圈周围空间必然产生正弦交变线圈周围空间必然产生正弦交变磁场磁场 ,使置于此磁场中的金属导体中感应电使置于此磁场中的金属导体中感应电涡流涡流 ,

17、又产生新的交变磁场又产生新的交变磁场 。根据愣。根据愣次定律次定律,的作用将反抗原磁场的作用将反抗原磁场 ,导致传感导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。器线圈的等效阻抗发生变化。1I1H2I2I2H2H1H4 4电感式传感器电感式传感器(,)ZFr f x 4 4电感式传感器电感式传感器4 4电感式传感器电感式传感器 传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z Z的函数关系式为的函数关系式为 Z=F（,r,f,x）r 线圈与被测体的尺寸因子线圈与被测体的尺寸因子.4 4电感式传感器电感式传感器保持上式中其它参数不变保持上式中其它参数不变,只改变其中一个只改变其中一个参

18、数参数,传感器线圈阻抗传感器线圈阻抗Z Z就仅仅是这个参数就仅仅是这个参数的单值函数。通过与传感器配用的测量电路的单值函数。通过与传感器配用的测量电路测出阻抗测出阻抗Z Z的变化量的变化量,即可实现对该参数的即可实现对该参数的测量。测量。4 4电感式传感器电感式传感器4.1.3.2 基本特性基本特性 模型中把在被测金属导体上形成的电涡模型中把在被测金属导体上形成的电涡流等效成一个短路环流等效成一个短路环,h h由以下公式求得由以下公式求得210)(fuhr4 4电感式传感器电感式传感器1传感器线圈；2短路环；3被测金属导体图图421 电涡流传感器简化模型电涡流传感器简化模型4 4电感式传感器电

19、感式传感器根据简化模型根据简化模型,可画出如图所示等效电路可画出如图所示等效电路图。图中图。图中R R2 2为电涡流短路环等效电阻为电涡流短路环等效电阻,其表达式为其表达式为 iarrhRln224 4电感式传感器电感式传感器根据基尔霍夫第二定律根据基尔霍夫第二定律,可列出如下方程：可列出如下方程：1 11 1221221220R Ij L Ij L IUR Ij MIj L I4 4电感式传感器电感式传感器1传感器线圈；传感器线圈；2电涡流短路环电涡流短路环图图4-22 电涡流传感器等效电路电涡流传感器等效电路4 4电感式传感器电感式传感器解得等效阻抗解得等效阻抗Z Z的表达式为的表达式为e

20、qeqLjRLLRMLjRLRMRIUZ 222222221222222221114 4电感式传感器电感式传感器线圈的等效品质因数线圈的等效品质因数Q值值为为 等效阻抗等效阻抗Z,等效品质因数等效品质因数Q,为电涡流基本特为电涡流基本特性。性。eqeqRLQ4 4电感式传感器电感式传感器4.1.3.3 电涡流形成范围电涡流形成范围1.电涡流的径向形成范围电涡流的径向形成范围电涡流密度是线圈与导体间距离电涡流密度是线圈与导体间距离x的函数和沿的函数和沿线圈半径方向线圈半径方向r的函数。的函数。4 4电感式传感器电感式传感器 电涡流径向形成的范围大约在传感器线电涡流径向形成的范围大约在传感器线圈外

21、径圈外径ras的的1.82.5 倍范围内倍范围内,分布不均匀分布不均匀 电涡流密度在短路环半径电涡流密度在短路环半径r=0处为零。处为零。4 4电感式传感器电感式传感器图图4-23 电涡流密度电涡流密度J与半径与半径r的关系曲线的关系曲线4 4电感式传感器电感式传感器电涡流最大值在电涡流最大值在r=ras附近的一个区域内。附近的一个区域内。可以用平均半径为可以用平均半径为ras（ras=（ri+ra）/2）的短路环来集中表示分散的电涡流（图中的短路环来集中表示分散的电涡流（图中阴影部分）。阴影部分）。4 4电感式传感器电感式传感器2.电涡流强度与距离的关系电涡流强度与距离的关系 当当x改变时改

22、变时,电涡流密度发生变化电涡流密度发生变化,电电涡流强度随距离涡流强度随距离x x的变化而变化。的变化而变化。电涡流强度为电涡流强度为)1(2212asrxxII4 4电感式传感器电感式传感器表明表明:电涡强度与距离电涡强度与距离x呈非线性关系呈非线性关系,随着随着x/ras的增加而减小。的增加而减小。当测量位移时当测量位移时,在在x/ras1(一般取一般取 0.050.15)的范围才能得到较好的线性的范围才能得到较好的线性和较高的灵敏度。和较高的灵敏度。4 4电感式传感器电感式传感器图图4-24 电涡流强度与距离归一化曲线电涡流强度与距离归一化曲线4 4电感式传感器电感式传感器3.电涡流的轴

23、向贯穿深度电涡流的轴向贯穿深度由于趋肤效应由于趋肤效应,电涡流沿金属导体纵向的电涡流沿金属导体纵向的H1分布是不均匀的分布是不均匀的,分布按指数规律衰减分布按指数规律衰减,用下式表示：用下式表示：Jd=J0 e-d/h密度主要分布在表面附近。密度主要分布在表面附近。4 4电感式传感器电感式传感器3.1.3.4 电涡流传感器测量电路电涡流传感器测量电路主要有调频式、调幅式电路两种。主要有调频式、调幅式电路两种。1调频式电路调频式电路4 4电感式传感器电感式传感器图图4-25 调频式测量电路调频式测量电路（a）测量电路框图；）测量电路框图；（b）振荡电路）振荡电路4 4电感式传感器电感式传感器 传

24、感器线圈接入传感器线圈接入LC振荡回路，当传感振荡回路，当传感器与被测导体距离器与被测导体距离x改变时，传感器的改变时，传感器的电感变化，导致振荡频率的变化，该变电感变化，导致振荡频率的变化，该变化的频率是距离化的频率是距离x的函数，的函数，fL(x)，可，可由数字频率计直接测量由数字频率计直接测量4 4电感式传感器电感式传感器振荡器的频率为振荡器的频率为 CxLf)(214 4电感式传感器电感式传感器 2调幅式电路调幅式电路 由传感器线圈由传感器线圈L、电容器、电容器C和石英晶体和石英晶体组成的晶体振荡电路。组成的晶体振荡电路。4 4电感式传感器电感式传感器图图4-26 调幅式测量电路示意图

25、调幅式测量电路示意图4 4电感式传感器电感式传感器 4 4电感式传感器电感式传感器4 4电感式传感器电感式传感器4 4电感式传感器电感式传感器4 4电感式传感器电感式传感器4 4电感式传感器电感式传感器4 4电感式传感器电感式传感器 电涡流金属板、带材厚度测量电涡流金属板、带材厚度测量4 4电感式传感器电感式传感器 涡流非导电材料厚度测量 涡流轴心轨迹测量4 4电感式传感器电感式传感器 涡流转速测量 涡流振动测量4 4电感式传感器电感式传感器4 4电感式传感器电感式传感器4.1.3.5 电涡流式传感器的应用电涡流式传感器的应用1.低频透射式涡流厚度传感器低频透射式涡流厚度传感器在被测金属的上方

26、设有发射传感器线圈在被测金属的上方设有发射传感器线圈L1,下方设有接收传感器线圈下方设有接收传感器线圈L2。在。在L1上加低上加低频电压频电压U1时时,L1上产生交变磁通上产生交变磁通1,若两若两线圈间无金属板线圈间无金属板,则交变磁场直接耦合至则交变磁场直接耦合至L2中中,L2产生感应电压产生感应电压U2。4 4电感式传感器电感式传感器将被测金属板放入两线圈之间将被测金属板放入两线圈之间,则则L1线圈线圈产生的磁通将导致在金属板中产生电涡产生的磁通将导致在金属板中产生电涡流。流。4 4电感式传感器电感式传感器 此时磁场能量受到损耗此时磁场能量受到损耗,到达到达L2的磁通将的磁通将减弱为减弱为

27、,使使L2产生的感应电压产生的感应电压U2下降。下降。金属板越厚金属板越厚,涡流损失就越大涡流损失就越大,U2电压就电压就越小越小.可根据可根据U2电压的大小得知被测金属电压的大小得知被测金属板的厚度板的厚度.4 4电感式传感器电感式传感器图图4-27 透射式涡流厚度传感器结构原理图透射式涡流厚度传感器结构原理图4 4电感式传感器电感式传感器2.高频反射式涡流厚度传感器高频反射式涡流厚度传感器两传感器的输出电压之和为两传感器的输出电压之和为2Uo数值不变。数值不变。如果被测带材厚度改变量为如果被测带材厚度改变量为,则两传感器则两传感器与带材之间的距离也改变了一个与带材之间的距离也改变了一个,两

28、传感两传感器输出电压此时为器输出电压此时为2Uo+U。4 4电感式传感器电感式传感器 U经经放大器放大后放大器放大后,通过指示仪表电路通过指示仪表电路即可指示出带材的厚度变化值。即可指示出带材的厚度变化值。带材厚度给定值与偏差指示值的代数和就带材厚度给定值与偏差指示值的代数和就 是被测带材的厚度。是被测带材的厚度。4 4电感式传感器电感式传感器图图4-28 高频反射式涡流测厚仪测试系统图高频反射式涡流测厚仪测试系统图4 4电感式传感器电感式传感器3.电涡流式转速传感器电涡流式转速传感器在输入轴上加工一键槽在输入轴上加工一键槽,在距输入表面在距输入表面d0 处设处设置电涡流传感器置电涡流传感器,

29、输入轴与被测旋转轴相连。输入轴与被测旋转轴相连。当被测旋转轴转动时当被测旋转轴转动时,输出轴的距离发生输出轴的距离发生d0+d的变化。的变化。4 4电感式传感器电感式传感器 电涡流效应电涡流效应,这种变化将导致振荡谐振回这种变化将导致振荡谐振回路的品质因素变化路的品质因素变化,使传感器线圈电感随使传感器线圈电感随d的变化也发生变化的变化也发生变化,影响振荡器的电压影响振荡器的电压幅值和振荡频率。幅值和振荡频率。4 4电感式传感器电感式传感器 随着输入轴的旋转随着输入轴的旋转,从振荡器输出的信从振荡器输出的信号中包含有与转数成正比的脉冲频率信号中包含有与转数成正比的脉冲频率信号。号。该信号由检波

30、器检出电压幅值的变化量该信号由检波器检出电压幅值的变化量,然后经整形电路输出脉冲频率信号然后经整形电路输出脉冲频率信号fn 。经电路处理便可得到被测转速。经电路处理便可得到被测转速。4 4电感式传感器电感式传感器图图4-29 电涡流式转速传感工作原理电涡流式转速传感工作原理4 4电感式传感器电感式传感器探雷传感器示意图探雷传感器示意图 轴向位移的监测轴向位移的监测 4 4电感式传感器电感式传感器振幅测量振幅测量 a)径向振动测量径向振动测量 b)长轴多线圈测量长轴多线圈测量 c)叶片振动测叶片振动测1-电涡流线电涡流线 2-被测物被测物4 4电感式传感器电感式传感器金属镀层厚度检测金属镀层厚度

31、检测 输油管表面裂纹检测输油管表面裂纹检测 4 4电感式传感器电感式传感器电涡流式通道安全检查门电原理框图电涡流式通道安全检查门电原理框图 4 4电感式传感器电感式传感器 变磁阻式传感器变磁阻式传感器 工作原理工作原理 输出特性输出特性 灵敏度灵敏度 比较单线圈和差动两种变间隙式电感传感器的比较单线圈和差动两种变间隙式电感传感器的特性特性 测量电路测量电路有交流电桥式有交流电桥式、交流变压器式交流变压器式以及谐及谐振式等振式等 变磁阻式传感器的应用变磁阻式传感器的应用 差动变压器式传感差动变压器式传感器器 零点残余电压零点残余电压 差动变压器式传感器测量电差动变压器式传感器测量电路路 常常采用差动整流电路和相敏检常常采用差动整流电路和相敏检波电路。波电路。4 4电感式传感器电感式传感器 差动变压式传感器的应用差动变压式传感器的应用 电涡流效应电涡流效应 此传感器可分为高频反射式和低频透射此传感器可分为高频反射式和低频透射式两类式两类 工作原理工作原理 基本特征基本特征 电涡流形成范围电涡流形成范围 电涡流式传感器的应用电涡流式传感器的应用 低频透射式涡低频透射式涡流厚度传感器流厚度传感器 高频反射式涡流厚度传感器高频反射式涡流厚度传感器 电涡流式电涡流式转速传感器转速传感器