1、第6章 電感式傳感器 6.1 電感式傳感器 6.1.1 電感傳感器的工作原理和等效電路 6.1.2 電感式傳感器的結(jié)構(gòu)類型及特性 6.1.3 電感傳感器的測(cè)量電路 6.2 差動(dòng)變壓器式電感傳感器 6.2.1 工作原理 6.2.2 差動(dòng)變壓器式傳感器的特性 6.3 電渦流式傳感器 6.3.1 電渦流式傳感器的工作原理及特性 6.3.2 電渦流式傳感器結(jié)構(gòu)型式及特點(diǎn) 6.3.3 影響渦流傳感器靈敏度的因素 6.3.4 測(cè)量電路 6.4 電感式傳感器的應(yīng)用 6.4.1 電感傳感器的應(yīng)用 6.4.2 電渦流傳感器的應(yīng)用,電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理，將被測(cè)的物理量如位移、壓力、流量、振動(dòng)等轉(zhuǎn)換成線圈

2、的自感系數(shù)L或互感系數(shù)M的變化，再由測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出，實(shí)現(xiàn)由非電量到電量轉(zhuǎn)換的裝置。 自感式傳感器（又稱電感式傳感器）即將非電量轉(zhuǎn)換成自感系數(shù)變化的傳感器。 互感式傳感器（又稱差動(dòng)變壓器式傳感器）即將非電量轉(zhuǎn)換成互感系數(shù)變化的傳感器。 本章主要介紹自感式、互感式和渦流式三種傳感器。,X,自感式傳感器原理圖,6.1 電感式傳感器 6.1.1 電感傳感器的工作原理和等效電路,6.1 電感式傳感器 6.1.1 電感傳感器的工作原理和等效電路 1工作原理 電感傳感器有銜鐵、鐵芯和匝數(shù)為W的線圈三部分構(gòu)成。傳感器測(cè)量 物理量時(shí)銜鐵的運(yùn)動(dòng)部分產(chǎn)生位移，導(dǎo)致線圈的電感值發(fā)生變化，根據(jù)定

3、義，線圈的電感為 式中 RM磁阻，它包括鐵芯磁阻和空氣隙的磁阻，即 鐵磁材料各段的磁阻之和，當(dāng)鐵芯一定時(shí)，其值為一定； li 各段鐵芯長(zhǎng)度； mi 各段鐵芯的磁導(dǎo)率； Si 各段鐵芯的截面積； Rd -空氣隙的磁阻，Rd = 2d/m0S。,X,即可得電感為 因?yàn)殍F磁材料其磁阻與空氣隙磁阻相比較小，計(jì)算時(shí)可忽略不計(jì)，這時(shí)有: 由上式可知，當(dāng)線圈及鐵芯一定時(shí)，W為常數(shù)，如果改變d 或S時(shí)，L值就會(huì)引起相應(yīng)的變化。電感傳感器就是利用這一原理做成的。最常用的是變氣隙長(zhǎng)度d 的電感傳感器。由于改變d 和S都是使氣隙磁阻變化，從而使電感發(fā)生變化，所以這種傳感器也叫變磁阻式傳感器。,X,X,2、等效電路

4、電感傳感器是一個(gè)帶鐵芯的可變電感，由于線圈的銅耗、鐵芯的渦流損耗、磁滯損耗以及分布電容的影響，它并非呈現(xiàn)純電感。等效電路如圖所示，其中L為電感，Rc為銅損電阻，Re電渦流損耗電阻，磁滯損耗電阻Rh，C為傳感器等效電路的等效電容。等效電容C主要是由線圈繞組的固有電容和電纜分布電容引起。電纜長(zhǎng)度的變化，將引起C的變化。當(dāng)電感傳感器確定后，這些參數(shù)即為已知量。,X,自感式傳感器等效電路 *這里需要注意的是傳感器等效電路的等效電容C，它主要是由線圈繞組的分布電容和電纜電容引起。電纜長(zhǎng)度的變化，將引起C的變化。,X,忽略分布電容且不考慮各種損耗時(shí)，電感傳感器阻抗為: 當(dāng)考慮并聯(lián)分布電容時(shí)，阻抗為Zs,X

5、,Q品質(zhì)因數(shù)，Q=wL/R。 當(dāng)電感傳感器 Q值高時(shí)，即1/Q21，則上式可變?yōu)椋?考慮分布電容時(shí)，電感傳感器的有效串聯(lián)電阻和有效電感都增加了， 而線圈的有效品質(zhì)因數(shù)卻減小。 電感傳感器有效靈敏度為： 考慮分布電容后，電感傳感器的靈敏度增加了。因此，必須根據(jù)測(cè)試 時(shí)所用電纜長(zhǎng)度對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，或者相應(yīng)調(diào)整并聯(lián)電容。,X,6.1.2 自感式傳感器的結(jié)構(gòu)類型及特性 常見(jiàn)的自感式傳感器有變間隙式、變面積式和螺線管式三類。 1、變間隙式電感傳感器,X,若使得銜鐵向上移動(dòng)取為- D d ，得此時(shí)電感為： 則電感增量為： 線圈電感的相對(duì)變化量為： 若D dd0l，則可得,X,同理可得當(dāng)銜鐵向下移動(dòng)時(shí)的D

6、 LL0為 由上式可見(jiàn)，線圈電感與氣隙長(zhǎng)度的關(guān)系為非線性關(guān)系，非線性度隨氣隙變化量的增大而增大，只有當(dāng)d 很小時(shí)，忽略高次項(xiàng)的存在，可得近似的線性關(guān)系（這里未考慮漏磁的影響）。所以，單邊變間隙式電感傳感器存在線性度要求與測(cè)量范圍要求的矛盾。 電感L與氣隙長(zhǎng)度d 的關(guān)系如圖所示。它是一條雙曲線，所以非線性是較嚴(yán)重的。為了得到一定的線性度，一般取D d/d0=0.10.2。,X,差動(dòng)式變間隙電感傳感器，要求上、下兩鐵芯和線圈的幾何尺寸與電氣參數(shù)完全對(duì)稱，當(dāng)銜鐵偏離對(duì)稱位置移動(dòng)時(shí)，使一邊間隙增大，而另一邊減小，兩個(gè)線圈電感的總變化量為 忽略高次項(xiàng)，其電感的變化量為 可見(jiàn)，差動(dòng)式的靈敏度比單邊式的增加

7、了近一倍，而且差動(dòng)式的（D L1+ D L2）L0式中不包含（D dd0）的偶次項(xiàng)，所以在相同的（D dd0）下，其非線性誤差比單邊的要小得多。所以，實(shí)用中經(jīng)常采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。差動(dòng)變間隙電感傳感器的線性工作范圍一般取D dd0 = 0.30.4。,X,2、變面積式電感傳感器 對(duì)單邊式結(jié)構(gòu)，在起始狀態(tài)時(shí)，鐵芯與銜鐵在氣隙處正對(duì)著，其截面積為S0=ab。當(dāng)銜鐵隨被測(cè)量上、下移動(dòng)時(shí)，,X,則線圈電感L為: 線圈電感L與面積S（或x）呈線性關(guān)系，其靈敏度k為一常數(shù)，即 正確選擇線圈匝數(shù)、鐵芯尺寸，可提高靈敏度，但是采用圖（b）差動(dòng)式結(jié)構(gòu)更好。,X,3、螺線管式 螺線管式電感傳感器如圖所示。它由螺線管形

8、線圈、磁性材料制成的柱形鐵芯和外套組成。螺管式電感傳感器建立在磁路磁阻隨著銜鐵長(zhǎng)度不同而變化的基礎(chǔ)上。設(shè)線圈長(zhǎng)度和平均半徑分別為l和r，鐵芯進(jìn)入線圈的長(zhǎng)度和鐵芯半徑分別為x和ra，鐵芯有效磁導(dǎo)率為0 。,X,線圈的電感量L為 L與x呈線性關(guān)系，其靈敏度K為 實(shí)際上，由于漏磁因素等的影響，管內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度B的分布并非完全均勻，故特性具有非線性。但是，在鐵芯移動(dòng)范圍內(nèi)，能夠?qū)ふ乙欢畏蔷€性誤差較小的區(qū)域或者采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，如圖（b）所示，則可得到較理想的改善。,X,在差動(dòng)式結(jié)構(gòu)中，由于兩線圈部分完全對(duì)稱，故當(dāng)鐵芯處于中央對(duì)稱位置時(shí)，兩線圈電感相等，即,X,6.1.3 電感傳感器的測(cè)量電路 電感傳感器最常

9、用的測(cè)量電路是交流電橋式測(cè)量電路，它有三種基本形式，即電阻平衡臂電橋、變壓器電橋、緊耦合電感比例臂電橋。,X,1電阻平衡臂電橋 圖（a）所示是差動(dòng)電感傳感器所用的電阻平衡臂電橋，它把傳感器的兩個(gè)線圈作為電橋的兩個(gè)橋臂Z1和Z2，另兩個(gè)相鄰的橋臂用純電阻R代替，對(duì)于高Q值的差動(dòng)電感傳感器，其輸出為 電橋輸出電壓與D d 有關(guān)，相位與銜鐵的移動(dòng)方向有關(guān)。,X,2、變壓器式電橋電路 相鄰兩工作臂為Z1、Z2，是差動(dòng)電感傳感器的兩個(gè)線圈的阻抗。另兩臂為變壓器次級(jí)線圈的兩半，輸出電壓取自A、B兩點(diǎn)。且傳感器線圈為高 Q值，那么我們就可以推導(dǎo)其輸出特性公式為,X,當(dāng)銜鐵上移時(shí) 因?yàn)樵赒值很高時(shí)，線圈內(nèi)阻可

10、以忽略，所以 同理可推出 由式可見(jiàn)，銜鐵上移和下移時(shí)，輸出電壓相位相反，且隨D d 的變化輸出電壓也相應(yīng)地改變。,X,3、緊耦合電感比例臂電橋（詳見(jiàn)教科書(shū)） 緊耦合電感比例臂電橋常用于差動(dòng)式電感或電容傳感器，它由以差動(dòng)形式工作的傳感器的兩個(gè)阻抗作電橋的工作臂，而緊耦合的兩個(gè)電感作為固定臂，組成電橋電路。緊耦合電感及其T型等效變換如圖所示。,X,6.2 差動(dòng)變壓器式電感傳感器 差動(dòng)變壓器式電感傳感器：是把被測(cè)量變換轉(zhuǎn)換為線圈互感變化來(lái)檢測(cè)的傳感器，即:互感系數(shù)M 差動(dòng)變壓器本身是一個(gè)變壓器，初級(jí)線圈輸入交流電壓，次級(jí)線圈感應(yīng)出電信號(hào)，當(dāng)互感受外界影響變化時(shí)，其感應(yīng)電壓也隨之起相應(yīng)的變化。 由于變

11、壓器的次級(jí)線圈接成差動(dòng)的形式，故稱為差動(dòng)變壓器。,X,(e)、(f) 變面積式差動(dòng)變壓器,(a)、(b) 變隙式差動(dòng)變壓器,(c)、(d) 螺線管式差動(dòng)變壓器,X,6.2.1 工作原理 差動(dòng)變壓器，有兩個(gè)鐵芯，上下兩只鐵芯上均有一個(gè)初級(jí)線圈W1（也稱勵(lì)磁線圈）和一個(gè)次級(jí)線圈W2（也叫輸出線圈）。上下兩個(gè)初級(jí)線圈串聯(lián)后接交流勵(lì)磁電源電壓Usr，兩個(gè)次級(jí)線圈則按電勢(shì)反相串聯(lián)。,X,6.2.2 差動(dòng)變壓器式傳感器的特性,Usr 初級(jí)線圈激勵(lì)電壓； L1、R1 初級(jí)線圈電感和電阻； M1、M2 分別為初級(jí)與次級(jí)線圈 l、2間的互感； L21、L22 兩個(gè)次級(jí)線圈的電感； R21、R22 兩個(gè)次級(jí)線圈的

12、電阻； 初級(jí) 次級(jí)線圈的匝數(shù)分別為 W1、 W2，當(dāng)有氣隙時(shí)， 傳感器的磁回路中的總磁阻 近似值為R,X,在初始狀態(tài)時(shí)，初級(jí)線圈電感為 初始時(shí)，初級(jí)線圈的阻抗分別為 此時(shí)初級(jí)線圈的電流為 當(dāng)有氣隙變化d 時(shí)，兩個(gè)初級(jí)線圈的電感值分別為,X,次級(jí)線圈的輸出電壓USC為兩個(gè)線圈感應(yīng)電勢(shì)之差 而感應(yīng)電勢(shì)分別為 式中M1及M2為初級(jí)與次級(jí)之間的互感系數(shù)，其值分別為 得,X,整理上式 當(dāng)wR 時(shí)： 傳感器的靈敏度： 因此：差動(dòng)變壓器式傳感器的特性是線性的； 其靈敏度取決于：磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、初、次級(jí)線圈的匝數(shù)比、激磁電源電壓的大小。 可以通過(guò)改變?cè)褦?shù)比及提高電源電壓的辦法來(lái)提高靈敏度。,X,6.3 電渦

13、流式傳感器 電渦流傳感器屬主動(dòng)測(cè)量技術(shù)，即：在測(cè)試中，測(cè)量?jī)x器主動(dòng)發(fā)射能量，觀察被測(cè)對(duì)象吸收（透射式）或反射能量，不需要被測(cè)對(duì)象主動(dòng)作功。 渦流傳感器的測(cè)量屬于非接觸測(cè)量，特別是用于測(cè)量運(yùn)動(dòng)的物體。 電渦流式傳感器特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、頻率響應(yīng)寬、靈敏度高等特點(diǎn)，在測(cè)試技術(shù)中日益得到重視和推廣應(yīng)用。 電渦流傳感器的應(yīng)用沒(méi)有特定的目標(biāo) ，一切與渦流有關(guān)的因素，在原則上都可用于測(cè)量目的。,X,6.3.1 電渦流式傳感器的工作原理及特性 電感線圈產(chǎn)生的磁力線經(jīng)過(guò)金屬導(dǎo)體時(shí)，金屬導(dǎo)體就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，該電流的流線呈閉合回線，類似水渦形狀，故稱之為電渦流。 原理： 電渦流式傳感器是以電渦流效應(yīng)為基礎(chǔ)

14、，由一個(gè)線圈和與線圈鄰近的金屬體組成。當(dāng)線圈通入交變電流時(shí)，在線圈的周圍產(chǎn)生一交變磁場(chǎng)H1，處于該磁場(chǎng)中的金屬體上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并形成渦流。金屬體上流動(dòng)的電渦流也將產(chǎn)生相應(yīng)的磁場(chǎng)H2。H2與H1方向相反，對(duì)線圈磁場(chǎng)H1起抵消作用。從而引起線圈等效阻抗 Z或等效電感L或品質(zhì)因數(shù)相應(yīng)變化。 金屬體上的電渦流越大，這些參數(shù)的變化亦越大。,X,R1、L1線圈原有的電阻、電感（周圍無(wú)金屬體）； R2、L2電渦流等效短路環(huán)的電阻和電感； 勵(lì)磁電流的角頻率； M 線圈與金屬體之間的互感系數(shù)； 電源電壓。,X,電渦流式傳感器的工作原理及等效電路,根據(jù)其等效電路，列出電路方程 解方程組，其結(jié)果為,X,結(jié)論：Z

15、、L、M均為互感的函數(shù)。 對(duì)于已定的線 圈，Z、L 和 Q 取決于：金屬 體與線 圈的相對(duì)位置，金屬體的材料、尺寸、形狀等。 當(dāng)一個(gè)參數(shù)隨被測(cè)量而變化，其它參數(shù)不變時(shí)，采用電渦流式傳感器，并配用相應(yīng)的測(cè)量線路，可得到與該被測(cè)量相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)（電壓、電流或頻率）輸出。 應(yīng)用： 測(cè)量位移、金屬體厚度、溫度等參數(shù)，并可作探傷用。,X,6.3.2 電渦流式傳感器結(jié)構(gòu)及特點(diǎn) 1變間隙式 變間隙式傳感器通常采用扁平線圈，金屬體與線圈平面平行放置，如圖（a）所示。 金屬體是傳感器的另一組成部分，它的物理性質(zhì)、尺寸與形狀也與傳感器特性密切相關(guān)。 金屬體的電導(dǎo)率高、磁導(dǎo)率低者，其靈敏度高。同時(shí)，金屬體不應(yīng)過(guò)小、

16、過(guò)薄，否則對(duì)測(cè)量結(jié)果均有影響。,X,2變面積式 組成同變間隙式相似。 原理：是利用金屬體與傳感器線圈之間相對(duì)覆蓋面積的變化，引起渦流效應(yīng)變化的原理工作的。 優(yōu)點(diǎn)：其靈敏度和線性范圍比變間隙式好。 為了減小軸向間隙的影響，常采用圖（b）所示的差動(dòng)形式，將兩線圈串聯(lián)，以補(bǔ)償軸向間隙變化的影響。,6.3.2 電渦流式傳感器結(jié)構(gòu)及特點(diǎn),3螺線管式 組成：由繞在同一骨架上的兩個(gè)線圈 l、2和套在線圈外的金屬短路套筒所組成，筒長(zhǎng)約為線圈的60。 特點(diǎn)： 線性比較好，但靈敏度不太高。,X,6.3.2 電渦流式傳感器結(jié)構(gòu)及特點(diǎn),4低頻透射式 勵(lì)磁電壓U1 施加于線圈L1 的兩端，在L2兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)U2。

17、 當(dāng)L1與L2之間無(wú)金屬體時(shí)，L1產(chǎn)生的磁場(chǎng)全部貫穿L2，U2最大；當(dāng)有金屬體時(shí)，因渦流形成的反磁場(chǎng)作用，U2將降低。 渦流越大，即金屬導(dǎo)電性越好或金屬板越厚，U2將越小。 當(dāng)金屬體材料一定時(shí)，U2將與金屬板厚度相對(duì)應(yīng)。,X,6.3.2 電渦流式傳感器結(jié)構(gòu)及特點(diǎn),注意：電渦流傳感器的線圈與被測(cè)金屬體之間是磁性耦合的，利用耦合程度的變化作為測(cè)試值。因此，傳感器的線圈裝置僅為“實(shí)際測(cè)試傳感器的一半”，另一半是被測(cè)體。 被測(cè)體的物理性質(zhì)、尺寸和形狀都與測(cè)量裝置的特性密切相關(guān)。 在電渦流式傳感器的使用中，必須考慮。,6.3.3 影響渦流傳感器靈敏度的因素 1被測(cè)體材料對(duì)測(cè)量影響 線圈的阻抗 Z與材料電

18、阻率r 、磁導(dǎo)率有關(guān)，它們將影響電渦流的貫穿深度，影響損耗功率，也就引起傳感器靈敏度的變化。 2被測(cè)體大小和形狀對(duì)測(cè)量的影響 被測(cè)物體的面積比傳感器的面積大很多時(shí)，靈敏度不發(fā)生變化；當(dāng)被測(cè)物體面積為傳感器線圈面積的一半時(shí)，其靈敏度減少一半；面積更小時(shí)，靈敏度顯著下降。 被測(cè)體為圓柱體時(shí)，它的直徑D必須為線圈直徑d的3.5倍以上，才不影響被測(cè)結(jié)果，在Dd為 l時(shí)，靈敏度將降低為70左右。 被測(cè)體的厚度也不能太薄。但一般來(lái)說(shuō)，只要有0.2mm以上的厚度，測(cè)量不會(huì)受到影響（銅、鋁箔等為0.07mm以上）。 3傳感器形狀和大小對(duì)傳感器的靈敏度影響 傳感器的主要構(gòu)成是線圈，它的形狀和尺寸關(guān)系到傳感器的靈

19、敏度和測(cè)量范圍，而靈敏度和線性范圍是與線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布有關(guān)。,X,單匝載流圓導(dǎo)線在軸上的磁感應(yīng)強(qiáng)度，根據(jù)畢奧沙伐拉普拉斯定律計(jì)算可得： 由圖：半徑小的載流圓導(dǎo)線，在靠近圓導(dǎo)線處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度大；而在遠(yuǎn)離圓導(dǎo)線處，則是半徑大的磁感應(yīng)強(qiáng)度大。 這說(shuō)明，線圈外徑大的，線圈的磁場(chǎng)軸向分布大，測(cè)量范圍大，線性范圍相應(yīng)就大，但磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化梯度小，因此靈敏度就低；,X,6.3.4 測(cè)量電路,1.調(diào)頻式電路 傳感器線圈接入LC振蕩回路，當(dāng)傳感器與被測(cè)導(dǎo)體距離x改變時(shí)，在渦流影響下，傳感器的電感變化，導(dǎo)致振蕩頻率的變化。 變化的頻率是距離x的函數(shù) ：f = L(x)。 頻率可由數(shù)字頻率計(jì)直接測(cè)量，或者通過(guò)fV變換，用數(shù)字電壓表測(cè)量對(duì)應(yīng)的電壓。,X,2調(diào)幅式電路 傳感器線圈L和電容器C并聯(lián)組成諧振回路，石英晶體組成石英晶體振蕩電路。石英晶體振蕩器是一個(gè)恒流源，給諧振回路提供一個(gè)頻率（f0）穩(wěn)定的激勵(lì)電流I0，LC回路輸出電壓為 原理：當(dāng)金屬導(dǎo)體遠(yuǎn)離或被去掉時(shí)，LC并聯(lián)諧振回路頻率即為石英振蕩頻率f0，回路呈現(xiàn)的阻抗最大，諧振回路上的輸出電壓也最大；