《电感式讲解》PPT课件

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1、2023/7/51常用传感器常用传感器(传感器定义、组成及分类传感器定义、组成及分类(电参量型传感器电参量型传感器(电量型传感器电量型传感器(光电式传感器光电式传感器(光纤传感器光纤传感器(数字式传感器数字式传感器2023/7/521 1电阻式传感器电阻式传感器2 2电感式传感器电感式传感器3 3电容式传感器电容式传感器4 4电参量型传感器测量电路电参量型传感器测量电路电参量型传感器电参量型传感器2023/7/53&电电感感式式传传感感器器(Inductance Transducer)-)-基基于于电电磁磁感感应应，利利用用线线圈圈自自感感或或互互感感的的变变化化实实现现非非电电量量的的测测量

2、量。主主要要特特征征是是具有线圈绕组具有线圈绕组。&利利用用磁磁路路磁磁阻阻变变化化引引起起传传感感器器线线圈圈的的电电感感(自自感感或或互互感感)变变化化来来测测量量的的传传感感器器分分别别成成为为自自感感式式传传感感器器和和互互感感式式传传感感器器（又称差动变压器式传感器），又通称（又称差动变压器式传感器），又通称变磁阻式传感器变磁阻式传感器。&电电感感式式传传感感器器还还包包括括基基于于电电涡涡流流效效应应的的涡涡流流效效应应的的电电涡涡流流传传感感器器(Electric Eddy Transducer)，利利用用电电磁磁感感应应原原理理的的感感应应同同步步器器(Inductive Sy

3、nchronizer，将将在在数数字字传传感感器器中中讲述讲述）等。等。电感式传感器电感式传感器气隙变小，电感变大，电流变小气隙变小，电感变大，电流变小F F电感传感器的基本工作原理演示电感传感器的基本工作原理演示2023/7/55电感式传感器电感式传感器1.1.自感式传感器自感式传感器（电参量型）（电参量型）2.2.互感式传感器互感式传感器差动变压器式差动变压器式（电量型）（电量型）3.3.电涡流式传感器电涡流式传感器高频反射式高频反射式（电参量型）（电参量型）低频透射式低频透射式（电量型）（电量型）2023/7/56自感系数自感系数L：自感式传感器自感式传感器铁心磁阻铁心磁阻空气磁阻空气磁

4、阻自感式传感器的分类：变气隙型、变面积型和螺管式。自感式传感器的分类：变气隙型、变面积型和螺管式。2023/7/57(1)变气隙式自感传感器变气隙式自感传感器自感式传感器自感式传感器测量特性测量特性：1.1.变气隙自感式传感器的变气隙自感式传感器的输出特性是非线性的。输出特性是非线性的。2.2.适合测量较小位移适合测量较小位移。为保证一定的测量范围与线性度，。为保证一定的测量范围与线性度，对变气隙式传感器，常取：对变气隙式传感器，常取：0=l/2=0.10.5mm，=(1/51/10)02023/7/58(2)变面积式自感传感器变面积式自感传感器自感式传感器自感式传感器测量特性测量特性：1.1

5、.在忽略气隙磁通边缘效应的条件下，其输出特性呈线性，在忽略气隙磁通边缘效应的条件下，其输出特性呈线性，因而因而具有较大的线性范围具有较大的线性范围。2.2.与变气隙式相比较，与变气隙式相比较，其灵敏度较低其灵敏度较低。欲提高灵敏度，需。欲提高灵敏度，需减小减小l，但同样受到工艺和结构的限制。但同样受到工艺和结构的限制。2023/7/59(3)螺管式自感传感器螺管式自感传感器由平均半径为由平均半径为r的的螺管线圈、衔螺管线圈、衔铁和磁性套管铁和磁性套管等组成。衔铁插等组成。衔铁插入的深度不同将引起线圈泄漏入的深度不同将引起线圈泄漏路径中磁阻的变化，使线圈的路径中磁阻的变化，使线圈的电感发生变化。

6、电感发生变化。自感式传感器自感式传感器测量特性测量特性：1.1.灵敏度较前两种低。灵敏度较前两种低。2.2.具有较大的线性范围，具有较大的线性范围，适用于较大位移测量适用于较大位移测量。2023/7/510&差动式自感传感器差动式自感传感器由单一式结构由单一式结构对称组合对称组合，构成差动式自感传感器：，构成差动式自感传感器：灵敏度提高灵敏度提高非线性补偿非线性补偿对电源电压与频率的波动及温度变化等外界影响也有对电源电压与频率的波动及温度变化等外界影响也有补偿，提高了传感器的稳定性补偿，提高了传感器的稳定性。自感式传感器自感式传感器L2L1(a)变气隙差动型变气隙差动型L1 L2(b)变面积差

7、动型变面积差动型L1L2(c)(c)双螺线管差动型双螺线管差动型图图3.21 差动式自感传感器典型结构差动式自感传感器典型结构2023/7/511&能能将将被被测测非非电电量量转转换换成成线线圈圈间间互互感感系系数数M变变化化的的传传感感 器器 通通 称称 为为 互互 感感 式式 传传 感感 器器（Mutual Inductance Sensor），如如变变压压器器式式传传感感器器和和透透射射式式电电涡涡流流传传感感器器。&变变压压器器传传感感器器本本身身是是其其互互感感系系数数可可变变的的变变压压器器。这这种种传传感感器器的的二二次次线线圈圈两两个个，接接线线方方式式又又是是差差动动的的，故

8、常称之为故常称之为差动变压器式传感器差动变压器式传感器。互感式传感器互感式传感器2023/7/512&差动变压器式传感器工作原理差动变压器式传感器工作原理由由一一个个主主线线圈圈（一一次次线线圈圈）和和两两个个次次级级线线圈圈（二二次次线线圈圈）构构成成，两两个个次次级级线线圈圈差差动动连连接接。当当一一次次线线圈圈接接入入激激励励电电压压后后，二二次次线线圈圈将将产产生生感感应应电电压压。当当互互感感变变化化时时，输输出出差差动动电压的幅值和相位发生变化电压的幅值和相位发生变化。互感式传感器互感式传感器L1L21L22衔铁衔铁2023/7/513&零点残余电压零点残余电压 零零点点残残余余电

9、电压压：理理论论可可知知，当当铁铁芯芯位位于于中中间间位位置置时时，差差动动变变压压器器输输出出电电压压峰峰值值应应为为零零。但但实实际际上上并并不不为为零零，把把差动变压器在零位移时的输出电压称为差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压零点残余电压。产产生生原原因因：主主要要是是传传感感器器在在制制作作时时，两两个个次次级级线线圈圈的的电电气参数与几何尺寸不对称气参数与几何尺寸不对称，以及，以及磁性材料的非线性磁性材料的非线性等。等。&差动变压器式传感器的测量特性差动变压器式传感器的测量特性：1.直接输出较大的电压信号，直接输出较大的电压信号，是电量型传感器是电量型传感器。2.输输出出

10、电电压压是是反反应应被被测测量量大大小小和和方方向向的的调调幅幅波波，故故需需相相应应的解调电路（相敏检波、低通滤波等）以实现测量。的解调电路（相敏检波、低通滤波等）以实现测量。互感式传感器互感式传感器2023/7/514&电电涡涡流流式式传传感感器器（Electric Eddy Transducer）是是利利用用金金属属导导体体在在交交变变磁磁场场中中的的电电涡涡流流效效应应进进行行工工作作。其其基基本本测测量量原原理理是是基基于于电电磁磁感感应应原原理理，具具有有线线圈圈结结构构这一电感式传感器的显著特征。这一电感式传感器的显著特征。&按按照照电电涡涡流流在在导导体体内内的的贯贯穿穿情情况

11、况及及传传感感器器结结构构不不同同，可分成可分成高频反射式高频反射式和和低频透射式低频透射式两大类。两大类。电涡流式传感器电涡流式传感器电涡流式传感器电涡流式传感器测厚应用实例测厚应用实例：透射式电涡流传感器透射式电涡流传感器反射式电涡流传感器反射式电涡流传感器2023/7/516(1)电涡流效应电涡流效应 金金属属板板置置于于一一只只线线圈圈附附近近，当当线线圈圈中中通通以以交交变变电电流流i，便便产产生生磁磁通通，此此交交变变磁磁场场H附附近近的的金金属属板板中中产产生生自自行行闭闭合合的的感感应应电电流流i1，该该电电流流称称为为“电电涡涡流流”，这这种种效效应应称为称为“电涡流效应电涡

12、流效应”。电涡流式传感器电涡流式传感器金属板金属板i1i1图图3.25电涡流效应原理图电涡流效应原理图x电电涡涡流流效效应应与与被被测测导导体体的的电电阻阻率率、磁磁导导率率、几几何何形形状状与与表表面面状状况况、线线圈圈的的几几何何参参数数、励励磁磁电电流流频频率率以以及及线线圈圈与与导体间的距离等参数有关。导体间的距离等参数有关。电涡流检测电涡流检测电电涡涡流流效效应应的的应应用用：电电磁磁炉炉、电电磁磁屏屏蔽蔽罩罩、非非接接触触式式连续测量等。连续测量等。电涡流式传感器电涡流式传感器涡电流效应演示涡电流效应演示 当当电电涡涡流流线线圈圈与与金金属属板板的的距距离离x x 减减小小时时，电

13、电涡涡流流线线圈圈的的等等效效电电感感L L 减减小小，等等效效电电阻阻R R 增增大大。感感抗抗X XL L 的的变变 化化 比比 R R 的的 变变 化化 大大 得得 多多，流流过过电电涡涡流流线线圈圈的的电电流流 i i1 1 增增大大。2023/7/518电电涡涡流流沿沿导导体体径径向向分分布布不不均均匀匀，导导体体内内产产生生的的涡涡流流由由于于趋趋肤肤效效应应，贯贯穿穿金金属属导导体体的的深深度度有有限限。电电涡涡流流的的贯穿深度贯穿深度：电涡流式传感器电涡流式传感器贯贯穿穿深深度度h随随激激励励频频率率f的的升升高高而而逐逐渐渐减减小小，频频率率越越低低，贯贯穿穿深深度度越越大大

14、。根根据据电电涡涡流流在在导导体体内内的的贯贯穿穿情情况况，电电涡涡流流传传感器可分为感器可分为高频反射式高频反射式和和低频透射式低频透射式两种结构形式。两种结构形式。jmjjm/ehh1h2h3f1f2f3f3f2f10图图3.26 贯贯穿穿深深度度h与与激激励励频频率率f的关系的关系、导体的电阻率和相对磁导率；导体的电阻率和相对磁导率；f激励频率；激励频率；k比例常数。比例常数。2023/7/519(2)高频反射式电涡流传感器高频反射式电涡流传感器 工工作作原原理理：基基于于电电涡涡流流效效应应，当当传传感感器器线线圈圈中中有有一一高高频频交交变变电电流流i通通过过时时，在在线线圈圈周周围

15、围有有交交变变磁磁通通产产生生。此此交交变变磁磁通通通通过过附附近近的的金金属属板板，金金属属板板中中产产生生交交变变的的电电涡涡流流i1。由由于于采采用用高高频频激激励励，此此电电涡涡流流集集中中分分布布在在导导体体表表面面。交交变变i1也也将将产产生生一一个个交交变变的的新新磁磁场场1，1与与方方向向相相反反，力力图图削削弱弱原原磁磁场场的的变变化化，从从而而导导致致线线圈圈的的电电感感量量L、阻阻抗抗Z和和品品质质因因数数Q发发生生变变化化。在在一一定定范范围围内内，通通过过测测量量Z、L或或Q的的变变化化就就可实现测量。可实现测量。电涡流式传感器电涡流式传感器2023/7/520(2)

16、高频反射式电涡流传感器高频反射式电涡流传感器 结构型式结构型式由由一一个个扁扁平平线线圈圈构构成成，并并通通以以交交流流电电，通通过过测测量量该该传传感感器器线线圈圈的的电电参参数数，包包括括电电感感、阻阻抗抗和和品品质质因因数数的变化的变化来进行测量。来进行测量。电涡流式传感器电涡流式传感器传传感感器器的的测测量量范范围围与与这这种种传传感感器器线线圈圈外外径径有有关关，线线圈圈外外径径大大时时，线线圈圈的的磁磁场场轴轴向向分分布布范范围围大大，但但磁磁感感应应强强度度的的变变化化梯梯度度小小；线线圈圈外外径径小小时时则相反。则相反。BP线圈线圈1线圈线圈2d1d2x0d1线圈线圈1的外经；

17、的外经；d2线圈线圈2的外径的外径 图图3.28 线圈轴向磁感应强度分布线圈轴向磁感应强度分布2023/7/521(2)高频反射式电涡流传感器高频反射式电涡流传感器 被被测测体体的的影影响响：电电涡涡流流传传感感器器是是利利用用线线圈圈与与被被测测导导体体之之间间的的电电磁磁耦耦合合进进行行工工作作的的，被被测测导导体体材材料料的的物物理理性性质质、尺寸与形状都与传感器特性密切相关。尺寸与形状都与传感器特性密切相关。被测导体的电导率、磁导率对传感器的灵敏度有影响。被测导体的电导率、磁导率对传感器的灵敏度有影响。被被测测体体的的大大小小和和形形状状也也与与灵灵敏敏度度密密切切相相关关。从从分分析

18、析知知，若若被被测测体体平平面面，为为充充分分利利用用电电涡涡流流效效应应，被被测测体体环环的的直直径径不不应应小小于于线线圈圈直直径径的的1.8倍倍；若若被被测测体体为为圆圆柱柱体体时时，只只有其直径为线圈直径的有其直径为线圈直径的3.5倍以上，才不影响测量结果。倍以上，才不影响测量结果。对对被被测测体体厚厚度度也也有有一一定定要要求求，一一般般厚厚度度大大于于0.2mm则则不不影影响响测测量量结结构构(视视激激励励频频率率而而定定)，铜铜铝铝等等材材料料更更可可减减薄薄为为70m。应应用用：非非接接触触式式非非电电量量检检测测、探探伤伤、材材质质鉴鉴别别、温温湿湿度度测测量等。量等。电涡流

19、式传感器电涡流式传感器2023/7/522(3)低频透射式电涡流传感器低频透射式电涡流传感器 工工作作原原理理：传传感感器器由由两两个个线线圈圈L1和和L2组组成成，主主线线圈圈L1接接入入低低频频交交流流激激励励电电压压U1，则则会会在在其其附附近近的的金金属属板板M中中有有电电涡涡流流i产产生生。由由于于i是是能能穿穿透透导导体体到到达达对对侧侧的的，因因此此次次级级线线圈圈L2(感感应应线线圈圈)中中将将有有感感应应电电动动势势U2产产生生。U2的的大大小小与与U1的的幅幅值值和和频频率率、L1及及L2的的匝匝数数和和结结构构以以及及两两线线圈圈的的相相对对位位置置有有关关，还还与与金金

20、属属板板M的的材材质质和和厚厚度度有有关关。通通过过测测量量次次级级线线圈圈中中感感应应电电动动势势U2的的大小即可知被测参量。大小即可知被测参量。电涡流式传感器电涡流式传感器U1L1U2L2ihM图图3.29 透射式涡流传感器原理透射式涡流传感器原理利利用用主主副副线线圈圈间间的的互互感感现现象象，属属于于互互感感式式传传感感器器；次次级级线线圈圈直直接接输输出出感感应应电电压压调调幅幅波波，属属于于电电量量型型传传感感器器。2023/7/523(3)低频透射式电涡流传感器低频透射式电涡流传感器 结构型式结构型式：由由两两个个线线圈圈构构成成，一一个个是是主主线线圈圈，通通以以低低频频交交流

21、流激激励励，另另一一个个是是次次级级线线圈圈，接接输输出出，通通过过测测量量次次级级线线圈的圈的输出感应电压的大小输出感应电压的大小来实现测量。来实现测量。激激励励频频率率的的大大小小应应视视被被测测材材料料的的材材质质和和测测量量范范围围而而定定，在在测测量量范范围围内内，使使所所产产生生的的电电涡涡流流能能够够始始终终透透射被测体。射被测体。电涡流式传感器电涡流式传感器应应用用：低低频频透透射射式式常常用用于于金金属属板板材材的的厚厚度度测测量量，特特别别适适用用于于金金属属涂涂层层的的厚厚度度检检测测。此此外外，低低频频投投射射式式还还可可应应用用于于温温度度测测量量、材材质质鉴鉴别别、无无损探伤等领域。损探伤等领域。U2h图图3.30 感感应应电电压压与与被被测测厚度间的关系厚度间的关系0