1、第三章、常用傳感器,3.3 電感式傳感器,電感式傳感器是基于電磁感應原理，它是把被測量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。,分類:,電感式傳感器,3.3 電感式傳感器,1 ，自感型-（1）可變磁阻式,可變磁阻式傳感器典型結構方案:,線圈,鐵芯,銜鐵,可變磁阻式傳感器的結構，它由線圈、鐵芯及銜鐵組成。在鐵芯和銜鐵之間有空氣隙。根據(jù)電磁感應定律，當線圈(匝數(shù)W)中通以電流i時，產(chǎn)生磁通m，其大小與電流 i成正比，即 根據(jù)磁路歐姆定律，磁通 m為 所以線圈電感(自感)可用下式計算 :,磁路總磁阻:,不考慮磁路的鐵損時，則磁路總磁阻為 因此，自感L可寫為 上式表明，自感L與空氣隙成反比，而與空氣隙導磁截面積S0成

2、正比。 、 S0變化L變化,當固定S0不變， 變化時， L 與呈非線性 （雙曲線）關系， 傳感器的靈敏度為,呈非線性,靈敏度S與氣隙長度的平方成反比，愈小，靈敏度愈高。由于S不是常數(shù)，故會出現(xiàn)非線性誤差，為了減小這一誤差，通常規(guī)定在較小的范圍內(nèi)工作。 例如，若間隙變化范圍為（ 0, 0+ ），則靈敏度為 由上式可以看出，當 0時,為常數(shù),近似線性,由上式可以看出，當 0時 輸出與輸入近似成線性關系。 實際應用中，一般取 / 0 0.1 這種傳感器適用于較小位移的測量，一般約為0.0011 mm。,線性關系,如將固定，變化空氣隙導磁截面積S0時，自感L與S0呈線性關系如下圖所示。,幾種常用可變磁

3、阻式傳感器的典型結構有:可變導磁面積型、差動型、單螺管線圈型、雙螺管線圈差動型。,雙螺管線圈差動型，較之單螺管線圈型有較高靈敏度及線性，被用于電感測微計上，其測量范圍為0300m，最小分辨力為0.5m。 這種傳感器的線圈接于電橋上，構成兩個橋臂，線圈電感L1、L2隨鐵芯位移而變化，其輸出特性如下圖所示。,測量電路:交流電橋,L Z,電感式接近傳感器（金屬）,3.3 電感式傳感器,教學用低成本四線制無二次儀表傳感器,3.3 電感式傳感器,（2） 渦流式,原理:渦流效應,3.3 電感式傳感器,渦流式傳感器的變換原理是利用金屬導體在交流磁場中的渦電流效應： 如圖所示，金屬板置于一只線圈的附近，它們之

4、間相互的間距為，當線圈輸入一交變電流i時，便產(chǎn)生交變磁通量，金屬板在此交變磁場中會產(chǎn)生感應電流i1，這種電流在金屬體內(nèi)是閉合的，所以稱之為“渦電流”或“渦流 ” 。,i,i1,線圈,金屬板,渦流式傳感器的變換原理:渦電流效應,3.3 電感式傳感器,渦流的大小與金屬板的電阻率、磁導率、厚度h、金屬板與線圈的距離、激勵電流角頻率等參數(shù)有關。若改變其中的某兩項參數(shù)，而固定其它參數(shù)不變，就可根據(jù)渦流的變化測量該參數(shù)。,渦流式傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩種。,高頻反射式渦流傳感器,如圖所示，高頻(lMHz)激勵電流產(chǎn)生的高頻磁場作用于金屬板的表面，在金屬板表面將形成渦電流。與此同時，該渦流產(chǎn)生的

5、交變磁場又反作用于線圈，引起線圈自感L或阻抗Z的變化。線圈自感L或阻抗Z的變化與距離該金屬板的電阻率、磁導率、激勵電流i及角頻率等有關，若只改變距離而保持其它參數(shù)不變，則可將位移的變化轉(zhuǎn)換為線圈自感的變化，通過測量電路轉(zhuǎn)換為電壓輸出。 高頻反射式渦流傳感器多用于位移測量。,原線圈的等效阻抗Z變化：,低頻透射渦流式傳感器,低頻透射式渦流傳感器的工作原理如圖所示，發(fā)射線圈1和接收線圈2分別置于被測金屬板材料G的上、下方。由于低頻磁場渦電流小，滲透深，當?shù)皖l(音頻范圍)電壓e1加到線圈1的兩端后，所產(chǎn)生磁力線的一部分透過金屬板材料G，使線圈2產(chǎn)生感應電動勢e2。但由于渦流消耗部分磁場能量，使感應電動

6、勢e2減少，當金屬板材料G越厚時，損耗的能量越大，輸出電動勢e2越小。因此，e2的大小與G的厚度及材料的性質(zhì)有關，試驗表明，e2隨材料厚度h的增加按負指數(shù)規(guī)律減少,如圖所示，因此，若金屬板材料的性質(zhì)一定，則利用e2的變化即可測量其厚度。 低頻透射式渦流傳感器可用于金屬板材厚度。,e2金屬板厚度h,渦流式傳感器的應用: 渦流式電感傳感器主要用于位移、振動、轉(zhuǎn)速、距離、厚度等參數(shù)的測量。,3.3 電感式傳感器,3.3 電感式傳感器,產(chǎn)品：,3.3 電感式傳感器,案例：連續(xù)油管的橢圓度測量,3.3 電感式傳感器,案例：無損探傷,原理 裂紋檢測，缺陷造成渦流變化。,火車輪檢測,油管檢測,3.3 電感式

7、傳感器,2 互感型-差動變壓器 工作原理:互感現(xiàn)象,3.3 電感式傳感器,互感型電感傳感器是利用互感M的變化來反映被測量的變化。這種傳感器實質(zhì)上是一個輸出電壓可變的變壓器。當變壓器初級線圈輸入穩(wěn)定交流電壓后，次級線圈便會有感應電壓輸出，該電壓隨被測量的變化而變化。,兩次級線圈,什么引起互感M的變化呢?,一初級線圈,3.3 電感式傳感器,常用的互感型傳感器是差動變壓器式電感傳感器,兩次級線圈反接,3.3 電感式傳感器,傳感器主要由線圈、鐵芯和活動銜鐵三部分組成。線圈包括一個初級線圈和兩個反接的次級線圈，當初級線圈輸入交流激勵電壓時，次級線圈將產(chǎn)生感應電動勢e1和e2。,由于兩個次級線圈極性反接，

8、因此，傳感器的輸出電壓為兩者之差，即ey=e1-e2。活動銜鐵能改變線圈之間的藕合程度。輸出ey的大小隨活動銜鐵的位置而變。當活動銜鐵的位置居中時，e1=e2，ey=0；當活動銜鐵向上移時，e1e2，ey0；當活動銜鐵向下移時，e1e2，ey0?；顒鱼曡F的位置往復變化，其輸出電壓也隨之變化。,值得注意的是：首先，差動變壓器式傳感器輸出的電壓是交流量，如用交流電壓表指示，則輸出值只能反應鐵芯位移的大小，而不能反應移動的方向；其次，交流電壓輸出存在一定的零點殘余電壓，零點殘余電壓是由于兩個次級線圈的結構不對稱，以及初級線圈銅損電阻、鐵磁材質(zhì)不均勻、線圈間分布電容等原因所形成的。所以，即使活動銜鐵位

9、于中間位置時，輸出也不為零。 鑒于這些原因，差動變壓器式傳感器的后接電路應采用既能反應鐵芯位移極性，又能補償零點殘余電壓的差動相敏檢波直流輸出電路。,差動相敏檢波電路,下圖所示為用于小位移的差動相敏檢波電路的工作原理，當沒有信號輸入時，鐵芯處于中間位置，調(diào)節(jié)電阻R，使零點殘余電壓減??；當有信號輸入時，鐵芯移上或移下，其輸出電壓經(jīng)交流放大、相敏檢波、濾波后得到直流輸出。由表頭指示輸入位移量的大小和方向。,差動變壓器位移傳感器,3.3 電感式傳感器,案例：板的厚度測量,3.3 電感式傳感器,案例：張力測量,3.3電感式傳感器,差動變壓器式微位移測量頭,有精度高（達0.lm量級），線圈變化范圍大(可

10、擴大到l00mm，視結構而定)，結構簡單，穩(wěn)定性好等優(yōu)點，被廣泛應用于直線位移測量及其它壓力、振動等參量的測量,這種傳感器經(jīng)分擋可測量41046104Pa的壓力，精度為1.5。,微壓傳感器,利用差動變壓器加上懸臂梁彈性支承可以構成振動測量加速度計，如圖所示。由于結構上的限制，該加速度計能測量的振動頻率上限一般在150Hz以下。,1-懸臂梁；2-差動變壓器 差動變壓器式加速度傳感器,第三章、常用傳感器,3.4 電容式傳感器,變換原理:將被測量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化,以最簡單的平行極板電容器為例說明其工作原理。在忽略邊緣效應的情況下，平板電容器的電容量為:,式中0真空的介電常數(shù)，0=8.85410

11、-12F/m； A極板的遮蓋面積，m2； 極板間介質(zhì)的相對介電系數(shù)，在空氣中，=1； 兩平行極板間的距離。,3.4 電容式傳感器,、A或發(fā)生變化時，都會引起電容的變化。,上式表明，當被測量、A或發(fā)生變化時，都會引起電容的變化。如果保持其中的兩個參數(shù)不變，而僅改變另一個參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化變換為單一電容量的變化，再通過配套的測量電路，將電容的變化轉(zhuǎn)換為電信號輸出。,電容式傳感器的類型: 根據(jù)電容器參數(shù)變化的特性，電容式傳感器可分為極距變化型、面積變化型和介質(zhì)變化型三種，其中極距變化型和面積變化型應用較廣。,3.4 電容式傳感器,a)極距變化型,如果兩極板相互覆蓋面積及極間介質(zhì)不變，則當兩極板

12、在被測對象作用下發(fā)生位移變化時所引起的電容量變化為 由此可得到傳感器的靈敏度為,非線性,由于靈敏度K與極距呈非線性關系，故將引起非線性誤差。 靈敏度K與極距平方成反比，極距愈小，靈敏度愈高。 一般通過減小初始極距來提高靈敏度。 為了減小這一非線性誤差，通常規(guī)定測量范圍0。一般取極距變化范圍為/ 0 0.1，此時，傳感器的靈敏度近似為常數(shù)。,極距變化型電容傳感器的特點 優(yōu)點:1)動態(tài)非接觸測量; 2)靈敏度高,適用于較小位移測量(0.01m數(shù)百微米） 缺點：傳感器的雜散電容對靈敏度和測量精度有影響，后續(xù)電子線路要求較高。,3.4 電容式傳感器,電容式傳聲器,3.4 電容式傳感器,電容式傳聲器,b

13、)面積變化型,3.4 電容式傳感器,改變極板間覆蓋面積的電容式傳感器， S C 常用的有角位移型和線位移型兩種。,3.4 電容式傳感器,當動板有一轉(zhuǎn)角時，與定板之間相互覆蓋的面積就發(fā)生變化，因而導致電容量變化。,當覆蓋面積對應的中心角為a、極板半徑為r時，覆蓋面積為 電容量為 其靈敏度為,角位移型,線位移型電容式傳感器有平面線位移型和圓柱線位移型兩種。,平面線位移型,3.4 電容式傳感器,對于平面線位移型電容式傳感器，當寬度為b的動板沿箭頭x方向移動時，覆蓋面積變化，電容量也隨之變化，電容量為 變換關系:XC 其靈敏度為,柱面線位移型.,3.4 電容式傳感器,對于圓柱線位移型電容式傳感器，當覆

14、蓋長度x變化時，電容量也隨之變化，其電容為 r1、r2外圓筒內(nèi)半徑與內(nèi)圓筒外半徑， x外圓筒與內(nèi)圓筒覆蓋部分長度 其靈敏度為,面積變化型電容傳感器無論是角位移型、平面線位移型、柱面線位移型 特點：輸出與輸入成線性關系，但與極距變化型電容式傳感器相比，靈敏度較低，適用于較大量程范圍的角位移和直線位移的測量。,產(chǎn)品.,陶瓷電容壓力傳感器,液體壓力作用在陶瓷膜片的表面，使膜片產(chǎn)生 位移。,3.4電容式傳感器,c) 介質(zhì)變化型,3.4 電容式傳感器,這種傳感器大多用于測量電介質(zhì)的厚度(圖a)、位移(圖b)、液位(圖c)，還可根據(jù)極板間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量改變而改變來測量溫度、濕度、容量(圖

15、d)等。,產(chǎn)品.,電容式液位傳感器（液位計/料位計）,3.4電容式傳感器,其它：電容式接近開關,測量頭構成電容器的一個極板，另一個極板是物體本身，當物體移向接近開關時，物體和接近開關的介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和測量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化.接近開關的檢測物體，并不限于金屬導體，也可以是絕緣的液體或粉狀物體。,3.4 電容式傳感器,3.4 電容式傳感器,電容傳感器測量電路,將電容量轉(zhuǎn)換成電量 (電壓或電流)的電路稱作電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路，它們的種類很多，目前較常采用的有電橋電路、諧振電路、調(diào)頻電路及運算放大電路等。,a)電橋電路,3.4電容式傳感器,b) 諧振電路,3.4電容式傳感器,電容

16、傳感器的電容Cx作為諧振回路(L2、C2、Cx)調(diào)諧電容的一部分。諧振回路通過電感藕合，從穩(wěn)定的高頻振蕩器取得振蕩電壓。當傳感器電容發(fā)生變化時，使得諧振回路的阻抗發(fā)生相應的變化，而這個變化被轉(zhuǎn)換為電壓或電流，再經(jīng)過放大、檢波即可得到相應的輸出。,為了獲得較好的線性關系，一般諧振電路的工作點選在諧振曲線的線性區(qū)域內(nèi)最大振幅70%附近的地方，且工作范圍選在BC段內(nèi)。,c) 運算放大器電路,3.4電容式傳感器,變極距型電容式傳感器的極距變化與電容變化量成非線性關系。這一缺點使電容式傳感器的應用受到了一定的限制。采用比例運算放大器電路，可以使輸出電壓與位移的關系轉(zhuǎn)換為線性關系。,c) 運算放大器電路,3.4電容式傳感器,反饋回路中的Cx為極距變化型電容式傳感器的輸入電路，采用固定電容C0，u0為穩(wěn)定的工作電壓。,由于放大器的高輸入阻抗和高增益特性，比例器的運算關系為