电感式传感器.pdf

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1、2012/10/16 1 第 4章 电感式传感器 原理： 利用磁路磁阻变化，引起传感器线圈的 电感（自感或互感）的变化。 优点 结构简单可靠 输出功率大 输出阻抗小 抗干扰能力强 对工作环境要求不高 分辨力较高 稳定性好 缺点 频率响应低 不宜于快速动态测量 2012/10/16 2 分类： 按磁路几何参数变化 变气隙式、变面积式、螺管式 按线圈组成方式 单一式，差动式 电 感 式 传 感 器 种 类 自感式传感器 互感式传感器 压磁式传感器 2012/10/16 3 4.1 自感式传感器 （变磁阻式传感器） 一、变气隙式自感传感器 单一式 1 2 3 图 1 1 线 圈， 2 铁 心， 3

2、衔 铁 22 n M mi i1 WW L R R 线圈自感： 其中： W 线圈的匝数， Rmi I段的 磁阻 RM 磁路总磁阻 i mi ii lR S 第 i段磁路的平均长度 第 i段 磁路的横截面 积 第 i段 磁路的导磁率 又 2012/10/16 4 12 m 1 1 2 2 0 ll 2R S S S 1 2 1 2l l l S S S 当 r 021 FR R 时 12 F 1 1 2 2 0 r ll lR S S S 00 2 SSmF r lR R R 所以： ：气隙的厚度 ：磁路导磁率 ：磁路相对导磁率 i r 其中： 对于图 1的磁阻 2012/10/16 5 一般情

3、况下： 1 01 2 SS l 2 02 2 SS l m 00 2 R S 200SWL 2 要改变 L 气隙厚度 S0 气隙截面积 气隙导磁率 0 00 2 SSmF r lR R R 在 中 2012/10/16 6 （ i）当衔铁 下移 ： 0 1)(2 0 0 2 00 0 0 LNA LLL 2 0 00 L L 1 ( ) ( ) . . . . . . 1 线圈内部的磁场认为是均匀的 则空心线圈的电感： 2 2 2 00 0 0 S W r WL ll L 线 圈的长度， r 线圈的半径 W 线圈的匝数 2012/10/16 15 插入后其覆盖的那部分线圈局部电感增大 ,据推导

4、 x S W L c x r 2 0 ) 1 ( WX 线圈覆盖匝数 式中 SC：衔铁面积 2 rc X: 衔铁插入线圈的长度 x WWx l x l r W c r 2 2 2 0 ) 1 ( x S W L c x r 2 0 ) 1 ( 联系 L0和 L表达式得 ( ) l x r r L0 L c r 2 2 1 . 2012/10/16 16 单一式 线圈沿轴向位置移动 l x r rLLLL c r 2 2 00 )1(1 差动式 令衔铁处于线圈 1， 2的中间位置 l x 0 l x 0 1 2 3 r r c 220 c 1 21rW r r xL 1 1 ( ) l r l

5、（ ） 220 c 2 22rW r r xL 1 1 ( ) l r l （ ） 图 6 2012/10/16 17 当衔铁处于中间位置时， x1=x2=x0 ,L1=L2 若偏离中心位置 时： x 220 c 0 21 2 rW r r xL L 2 1 ( 1 ) ( ) l r l 22r 0 c 12 ( 1 ) W r 2 xLL ll xxxxxx 0201 , 三种自感传感器的比较 变面积式、螺旋式传感器线性度好，示值范围大 变气隙式传感器非线性强，示值范围小 变气隙式传感器灵敏度高，螺旋式传感器最低 螺旋式比变面积式传感器互换性好 2012/10/16 18 R c R e

6、R ( f ) h L C 上面分析时，将自感线 圈看成理想的纯电感，实际 上存在损耗 RC 线圈铜耗电阻 Re 铁心涡流损耗电阻 Rh 磁滞损耗电阻 C 线圈的寄生电容 更换电缆后必须重重校准或采用并联电容调准 图 1-3-7等效电路 四、等效电路 2012/10/16 19 电感式传感器的测量电路有交流电 桥式、 交流变压器式以及谐振式等几种 形式。 2012/10/16 20 1. 交流电桥式测量 图所示为交流电桥 测量电路 , 把传感器的 两个线圈作为电桥的两 个桥臂 Z1和 Z2, 另外二 个相邻的桥臂用纯电阻 代替 。 2012/10/16 21 1. 对于高 Q值 （ Q = L

7、/R） 的差动式电感传感器 , 其输 出电压 1 0 1 0 0 02 2 2 A C A C A CU U UZ j L LU Z R j L L 将 L=L0（ /0） 代得出 电桥输出电压与 有成正比 。 2012/10/16 22 2012/10/16 23 2. 变压器式交流电桥测量 电路如图所示 , 电桥两臂 Z1、 Z2为传感器线圈阻抗 , 另外两 桥臂为交流变压器次级线圈 的 1/2 阻抗 。 当负截阻抗为 无穷大 时 , 桥路输出电压 1 1 2 0 1 2 1 222 Z U U Z Z U Z Z Z ZU 2012/10/16 24 当传感器的衔铁处于中间位置 , 即

8、Z1= Z2=Z时 =0, 电桥平衡。 当传感器衔铁上移时 , 即 Z1=Z+Z, Z2=Z-Z, 此 0 U 0 U Z U L U 2 Z 2 L 当传感器衔铁下移时 L LU Z ZU U 22 0 由于 是交流 电压 , 输出指示 无法判断位移方 向 , 必须配合相 敏检波电路来解 决。 0U 2012/10/16 25 3. 谐振式测量电路有谐振式调幅电路、 谐振式调频电路如图所示。 2012/10/16 26 在调幅电路中 , 传感器 电感 L与电容 C、 变压器原 边串联在一起 , 接入交流电 源 , 变压器副边将有电压输 出 , 输出电压的频率与电源 频率相同 , 而幅值随着电

9、感 L而变化 。 关系曲线表明 , 其中 L0为谐振点的电感值 , 此电路灵敏度很高 , 但线性 差 , 适用于线性要求不高的 场合 。 2012/10/16 27 调频电路的基本原理 是传感器电感 L变化将引 起输出电压频率的变化 。 一般是把传感器电感 L和 电容 C接入一个振荡回路 中 。 当 L变化时 , 振荡频率 随之变化 , 根据 f的大小即 可测出被测量的值 。 特性 曲线表明 , 它具有明显的 非线性关系 。 2012/10/16 28 4.2 互感式传感器（差动变压式） 被测量使衔铁移动，引起初次级线圈间的 互感 变 化，形成输出电压的变化。 M1 M2 2012/10/16

10、 29 1 1 L j r U I 2 2 22 2 22 21 2 2 22 2 22 21 1 1 LR M LLL LR M RRR Z I U & & 2012/10/16 53 由上可知 ( )( Z , L ,Q ) f , , x , f , M 为变量 X 为变量 为变量 X变化 其余参数不变 其余参数不变 温度判别材质 位移，厚度， 振动，转速等 应力，硬度等 探伤装置 其余参数不变 其余参数不变 2012/10/16 54 应用 涡流式传感器 2012/10/16 55 1.低频透射式涡流厚度传感器 可根据 U2电压 的大小得知被 测金属板的厚 度 , 透射式涡 流厚度传感

11、器 检测范围可达 1 100mm, 分 辨率为 0.1m, 线性度为 1%。 2012/10/16 56 2. 为了克服带材不够平整或运行过程中上下波 动的影响 , 在带材的上 、 下两侧对称地设置了两 个特性完全相同的涡流传感器 S1、 S2 。 S1、 S2 与被测带材表面之间的距离分别为 x1和 x2。 若 带材厚度不变 , 则被测带材上 、 下表面之间的距 离总有 x1+x2=常数的关系存在 。 两传感器的输 出电压之和为 2Uo数值不变 。 如果被测带材厚 度改变量为 , 则两传感器与带材之间的距离也 改变了一个 , 两传感器输出电压此时为 2Uo+U。 2012/10/16 57 2012/10/16 58 3. 电涡流式转速传感器 图所示为电涡流式转速传感器工作原理图 。 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 。 这种转速传感器可实现非接触式测量 , 抗污染能力很强 , 可安装在 旋转轴近旁长期对被测转速进行监视 。 最高测量转速可达 600 000 r/min (转 /分 )。 2012/10/16 59 作业 第 86页 4-5、 4-7、 4-8 2012/10/16 60 结束