1、1,4.3 電感式傳感器,把被測量轉(zhuǎn)換為電感變化的一種傳感器,基于電磁感應(yīng)原理，把被測量（如位移、振動、壓力、應(yīng)變、流量、比重等）轉(zhuǎn)化為電感線圈的自感系數(shù)或互感系數(shù)變化的裝置,2,【互感M】由于一個電路中電流變化，而在鄰近另一個電路中引起感生電動勢的現(xiàn)象 。用互感系數(shù)來表示器件在互感現(xiàn)象方面的特性，代號M。,【自感L】電路中因自身電流變化而引起感應(yīng)電動勢的現(xiàn)象 。用自感系數(shù)來表示器件（如線圈）在自感現(xiàn)象方面的特性，代號L。,3,傳感器由線圈、鐵心和銜鐵組成。工作時銜鐵與被測物體連接，被測物體的位移引氣隙磁阻的變化，導(dǎo)致了線圈電感量的變化。,1.自感式傳感器-變磁阻式,4,如果空氣隙較小，且忽略

2、磁路鐵損時，磁路總磁阻為：,因此有：,由于電感傳感器的鐵心一般工作在非飽和狀態(tài)下，其導(dǎo)磁率遠(yuǎn)大于空氣隙的導(dǎo)磁率，因此鐵心磁阻遠(yuǎn)較氣隙磁阻小，因此：,5,L與氣隙成反比，與氣隙導(dǎo)磁面積A0成正比。,1）自感傳感器類型:,6,傳感器靈敏度為：,變面積型自感傳感器的自感與面積成線性關(guān)系，但這種傳感器的靈敏度較低。,變面積式,7,變間隙式,傳感器靈敏度為：,氣隙 愈小，則靈敏度S愈高。由于S不是常數(shù)，會產(chǎn)生非線性誤差，因此這種傳感器常規(guī)定在較小氣隙變化范圍內(nèi)工作。由于氣隙變化甚小，即遠(yuǎn)小于0時（一般要求小于10倍以上），S進一步近似為：,此時S可近似為常數(shù)。因此，這種傳感器一般只適用于大約0.0011

3、mm范圍的小位移測量。,對于變間隙式,改善非線性，提高靈敏度的方法如下:接成差動型,8,螺 管 式,螺管型電感傳感器的銜鐵隨被測對象移動，線圈磁力線路徑上的磁阻發(fā)生變化，線圈電感量也因此而變化。線圈電感量的大小與銜鐵插入線圈的深度有關(guān)。,根據(jù)結(jié)構(gòu)形式，自感傳感器可分為：氣隙型、螺線管,rc,9,可以看出，插入鐵芯后，線圈電感的增量和相對增量均與鐵芯的插入深度 X 成正比。如果螺管內(nèi)磁場強度均勻分布的范圍大，就可以獲得較大的線性位移傳感器。,這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單、制造容易，但靈敏度低，適用于較大位移測量。,為了提高靈敏度和線性度，常采用差動螺管式電感傳感器。,10,變間隙型：氣隙型自感傳感器靈敏度

4、高，它的主要缺點是非線性嚴(yán)重，為了限制線性誤差，示值范圍只能較?。凰淖杂尚谐绦?，因為銜鐵在運動方向上受鐵心限制，制造裝配困難。,變面積型：靈敏度較低，優(yōu)點是具有較好的線性，因而測量范圍可取大些。,螺管型：靈敏度比變面積型的更低，但示值范圍大，線性也較好，得到廣泛應(yīng)用。,三種類型比較：,11,2）差動式自感傳感器:,在實際使用中，常采用兩個相同的傳感線圈共用一個銜鐵，構(gòu)成差動式自感傳感器，兩個線圈的電氣參數(shù)和幾何尺寸要求完全相同。這種結(jié)構(gòu)除了可以改善非線性、提高靈敏度外，對溫度變化、電源頻率變化等的影響也可以進行補償，從而減少了外界影響造成的誤差。,12,下圖是變氣隙型及螺管型的差動式自感傳感

5、器的結(jié)構(gòu)示意圖。當(dāng)銜鐵3移動時，一個線圈的電感量增加，另一個線圈的電感量減少，形成差動形式。,1-線圈 2-鐵芯 3-銜鐵 4-導(dǎo)桿,（a） 變氣隙型,（c） 螺管型,13,變氣隙型差動式自感傳感器,銜鐵下移：,上式中不存在偶次項，顯然差動式自感傳感器的非線性誤差在工作范圍內(nèi)要比單個自感傳感器的小得多。,14,較大行程的位移測量,常利用差動螺管式自感傳感器,將兩差動電感接入交流電橋的相鄰橋臂,差動式螺管式傳感器是一種開磁路的電感傳感器，磁路中相當(dāng)部分是空氣，無明顯的邊界，因此分析復(fù)雜。主要特點是可構(gòu)成較長的線性區(qū)，用于測量大線位移。缺點是靈敏度比變氣隙傳感器低，體積較大。,15,何謂渦流？,在

6、許多電工設(shè)備中都存在大塊導(dǎo)體(如發(fā)電機和變壓器的鐵心和端蓋等)。當(dāng)這些大塊導(dǎo)體處在變化的磁場中或在磁場中切割磁力線時，其內(nèi)部都會感應(yīng)出電流。這些電流的特點是：在大塊導(dǎo)體內(nèi)部自成閉合回路，呈旋渦狀流動。因此，稱之為渦旋電流，簡稱渦流。例如，含有圓柱導(dǎo)體芯的螺管線圈中通有交變電流時，圓柱導(dǎo)體芯中出現(xiàn)的感應(yīng)電流或渦流，如圖所示。,當(dāng)交變電流通過導(dǎo)線時，感應(yīng)電流（渦流）將集中在導(dǎo)體表面流通，尤其當(dāng)頻率較高時，此電流幾乎是在導(dǎo)體表面附近的一薄層中流動，這就是所謂的集膚效應(yīng)現(xiàn)象。,2.自感式傳感器-渦流式,16,交變電流頻率越高，渦流的集膚效應(yīng)越顯著，即渦流穿透深度越小，其穿透深度 ：,可見，渦流穿透深度

7、與激勵電流頻率有關(guān)，所以根據(jù)激勵頻率高低，渦流傳感器可分為：高頻反射式和低頻透射式兩大類。前者用于非接觸式位移變量的檢測，后者僅用于金屬板厚度的測量。,由于結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、頻響范圍寬、不受油污等介質(zhì)的影響，并能進行非接觸測量，適用范圍廣。用來測量位移、厚度、轉(zhuǎn)速、 振動等參數(shù)，以及用于無損探傷領(lǐng)域。,由于目前高頻反射式電渦流傳感器應(yīng)用廣泛，因此本節(jié)主要介紹高頻反射式電渦流傳感器。,17,高頻反射式,如圖所示，金屬板置于一只線圈的附近，它們之間相互的間距為，當(dāng)線圈輸入一交變電流i1 時，便產(chǎn)生交變磁通量1 ，金屬板在此交變磁場中會產(chǎn)生感應(yīng)電流i2 ，這種電流在金屬體內(nèi)是閉合的，所以稱之為“渦

8、電流”或“渦流”。這種渦電流也將產(chǎn)生交變磁場2，與線圈的磁場變化方向相反， 2總是抵抗1的變化，由于渦流磁場2的作用使原線圈的等效阻抗發(fā)生變化。,渦電流式傳感器是利用渦流效應(yīng)，將非電量轉(zhuǎn)換為阻抗的變化而進行測量的。,1MHz,18,一般講，線圈的阻抗變化與金屬導(dǎo)體的電阻率 、磁導(dǎo)率 、線圈與金屬導(dǎo)體的距離 以及線圈激勵電流的頻率 等參數(shù)有關(guān) 。,即，線圈阻抗 是這些參數(shù)的函數(shù)，可寫成,19,若能控制其中大部分參數(shù)恒定不變，只改變其中一個參數(shù)，這樣阻抗就能成為這個參數(shù)的單值函數(shù)。,渦流式傳感器的特點是結(jié)構(gòu)簡單，易于進行非接觸的連續(xù)測量，靈敏度較高，適用性強，因此得到了廣泛的應(yīng)用。,利用變換量 、

9、 、 等的綜合影響，可以做成探傷裝置等。,其應(yīng)用大致有下列四個方面：,利用位移 作為變化量，可以測被測量位移、厚度、振動、轉(zhuǎn)速等傳感器，也可做成接近開關(guān)、計數(shù)器等；,利用材料電阻率 作為變換量，可以做成溫度測量、材質(zhì)判別等傳感器,利用磁導(dǎo)率 作為變換量，可以做成測量應(yīng)力、硬度等傳感器；,20,基本結(jié)構(gòu)：,1 線圈 2 框架 3 襯套 4 支架 5 電纜 6 插頭,高頻反射電渦流傳感器主要由線圈和框架組成。 由于電渦流式傳感器的主體是激磁線圈，所以線圈的性能和幾何尺寸、形狀對整個測量系統(tǒng)的性能將產(chǎn)生重要的影響。一般情況下，線圈的導(dǎo)線采用高強度漆包線；要求較高的場合，可以用銀或銀合金線；在較高溫度

10、條件下，需要用高溫漆包線。 下圖為CZF1型渦流傳感器的結(jié)構(gòu)原理，它采取將導(dǎo)線繞在聚四氟乙烯框架窄槽內(nèi)，形成線圈的結(jié)構(gòu)方式。,21,分析上表得出結(jié)論： 線圈外徑與測量范圍及分辨力之間有何關(guān)系？,線圈外徑越大，測量范圍就越大，但分辨力就越差。,22,非接觸電渦流式位移、振動傳感器，具有非接觸測量、線性范圍較寬，靈敏度高、抗擾動能力強、無介質(zhì)影響、穩(wěn)定可靠、易于處理等優(yōu)點。廣泛應(yīng)用于冶金、化工、航天等行業(yè)中，進行位移、振動、轉(zhuǎn)速、厚度、表面不平度等機械量的檢測。,23,大直徑電渦流探雷器,24,低頻透射式,發(fā)射線圈L1和接收線圈L2分置于被測金屬板的上下方。由于低頻磁場集膚效應(yīng)小，滲透深，當(dāng)?shù)皖l(

11、音頻范圍)電壓e1加到線圈L1的兩端后，所產(chǎn)生磁力線的一部分透過金屬板，使線圈L2產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e2。但由于渦流消耗部分磁場能量，使感應(yīng)電動勢e2減少，當(dāng)金屬板越厚時，損耗的能量越大，輸出電動勢e2越小。因此，e2的大小與金屬板的厚度及材料的性質(zhì)有關(guān)。試驗表明e2隨材料厚度h的增加按負(fù)指數(shù)規(guī)律減少，因此，若金屬板材料的性質(zhì)一定，則利用e2的變化即可測厚度。,測量厚度時，激勵頻率應(yīng)選得較低。頻率太高，貫穿深度小于被測厚度，不利于進行厚度測量，通常選激勵頻率為1kHz左右。,25,測量電路：,阻抗分壓式調(diào)幅電路和調(diào)頻電路,并聯(lián)諧振回路,阻抗分壓式調(diào)幅電路,是以傳感線圈與調(diào)諧電容組成并聯(lián)LC諧振回路

12、，由石英震蕩器提供高頻激磁電流，測量電路的輸出電壓正比于LC諧振電路的阻抗Z,因而傳感線圈與被測體之間距離的變化，引起Z的變化，使輸出電壓跟隨變化，從而實現(xiàn)位移量的測量，故稱調(diào)幅法,26,調(diào)頻電路,調(diào)頻法是以LC振蕩回路的頻率作為輸出量。,當(dāng)金屬板至傳感器之間的距離發(fā)生變化時，將引起線圈電感的變化，從而使振蕩器的頻率發(fā)生變化，再通過鑒頻器進行頻率電壓轉(zhuǎn)換，即可得到與 成比例的輸出電壓。,27,應(yīng)用,1. 位移測量,主要用途之一，凡是可以變成位移量的參數(shù)，都可用電渦流式傳感器來測量。,如：氣輪機主軸的竄動，金屬材料的熱膨脹系數(shù)，鋼水液位，流體壓力等。日本用電渦流傳感器成功完成了北海道高速鐵路的鐵

13、軌位移檢測。,2. 轉(zhuǎn)速測量,在旋轉(zhuǎn)體上加裝一個槽狀或齒狀（槽數(shù)或齒數(shù)為N）金屬體，旁邊安裝一個電渦流傳感器，當(dāng)旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動時，電渦流傳感器將周期地改變輸出信號，由頻率計數(shù)，求出轉(zhuǎn)速：,3. 電渦流探傷,可以檢查金屬表面裂紋、熱處理裂紋、焊接處的質(zhì)量探傷等。統(tǒng)稱探傷。,探傷時傳感器與被測導(dǎo)體保持距離不變，由于裂紋出現(xiàn)，將引起導(dǎo)體電阻率、磁導(dǎo)率變化，也可以說是裂紋處位移變化，即渦流損耗改變，從而引起輸出電壓變化。,28,渦流振動測量,渦流轉(zhuǎn)速測量,29,30,利用渦電流傳感器測量物體位移時，如果被測物體是塑料材料，此時能否進行位移測量？為了能對物體進行位移測量應(yīng)采取什么措施。,思 考,31,電渦流

14、的應(yīng)用 在我們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)?？梢杂龅?干凈、高效的 電磁爐,32,電磁爐內(nèi)部的勵磁線圈,33,電磁爐的工作原理,高頻電流通過勵磁線圈，產(chǎn)生交變磁場，在鐵質(zhì)鍋底會產(chǎn)生無數(shù)的電渦流，使鍋底自行發(fā)熱，燒開鍋 內(nèi) 的 食 物。,34,3 互感式傳感器,（差動變壓器式傳感器）,工作原理：電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象。,互感M與兩線圈的相對位置及周圍介質(zhì)的導(dǎo)磁能力等因素有關(guān)，表明兩線圈之間的耦合程度。,35,差動變壓器分氣隙型和螺管型兩種。目前多采用螺管型差動變壓器。,（一）結(jié)構(gòu)原理與等效電路,其基本元件有銜鐵、初級線圈、次級線圈和線圈框架等。初級線圈作為差動變壓器激勵用，相當(dāng)于變壓器的原邊，而次級線圈由結(jié)構(gòu)尺寸

15、和參數(shù)相同的兩個線圈反相串接而成，相當(dāng)于變壓器的副邊。所以又把這種傳感器稱為差動變壓器式電感傳感器。,當(dāng)互感系數(shù)變化時，輸出電壓相應(yīng)地變化。,36,差動變壓器的工作原理與一般變壓器基本相同。不同之處是：一般變壓器是閉合磁路，而差動變壓器是開磁路；一般變壓器原、副邊間的互感是常數(shù)，而差動變壓器原、副邊之間的互感隨銜鐵移動作相應(yīng)變化。,37,設(shè)差動變壓器一次線圈加勵磁電壓 的角頻率為 ； 為一次線圈有效電阻； 為一次線圈電感； 為一次線圈與二次線圈I之間的互感； 為一次線圈與二次線圈之間的互感；,（二）工作原理,38,測量前，可動銜鐵處于中間位置，由于二次線圈的參數(shù)相同， 此時 0，變壓器無輸出。

16、測量時，可動銜鐵偏移，兩線圈互感量發(fā)生 變化，設(shè) ，由于兩者為差動，銜鐵在一定 范圍內(nèi)有 ，故在輸出端開路情況下，輸出為： 此式表明：當(dāng)線圈參數(shù)和 確定后，變壓器的輸出電壓由 決定。而 與螺管內(nèi)磁場變化有關(guān)，磁場的變化取決于可移動銜鐵的位移量 。 因此，在銜鐵位移的一定范圍內(nèi)， 與銜鐵位移 有近似線性關(guān)系,39,差動變壓器的輸出電壓為交流，它與銜鐵位移成正比。用交流電壓表測量其輸出值只能反映銜鐵位移的大小，不能反映移動的方向。,40,同時由于兩個次級線圈結(jié)構(gòu)不對稱，以及初級線圈銅損電阻、鐵磁材料不均勻、線圈間分布電容等原因，會造成交流電壓輸出存在一定的零點殘余電壓。即當(dāng)銜鐵處于中間位置時，輸出

17、電壓不為零。,因此為補償零點殘余電壓，同時使輸出值能反映鐵芯位移的方向，常采用差動整流電路或差動相敏檢波電路。,41,（三）測量電路,1、差動整流電路,全波整流電路和波形圖,根據(jù)半導(dǎo)體二級管單向?qū)ㄔ磉M行解調(diào)的。,在f點為“” ，電流:fgdche f點為“” ，則電流:ehdcgf。,42,2、相敏檢波電路 容易做到輸出平衡，便于阻抗匹配。圖中調(diào)制電壓er和e同頻，經(jīng)過移相器使er和e保持同相或反相，且滿足ere。調(diào)節(jié)電位器R可調(diào)平衡，圖中電阻R1=R2=R0，電容C1=C2=C0，輸出電壓為UCD。,當(dāng)鐵芯下移時，e和er相位相反。同理可得UCD0。,當(dāng)鐵芯在中間時, e=0 ,只有 e

18、r 起作用，輸出電壓 UCD0。,若鐵芯上移，e0，設(shè)e和er同相位，由于ere，故 er 正半周時D1、D2仍導(dǎo)通，但D1回路內(nèi)總電勢為er(1/2)e，而D2回路內(nèi)總電勢為er (1/2) e，故回路電流 i1i2 輸出電壓 UCD=R0（i1i2）0。當(dāng)er負(fù)半周時， UCD=R0(i4-i3)0，因此鐵芯上移時輸出電壓UCD0。,由此可見，該電路能判別鐵芯移動的方向。,43,相敏檢波前后的輸出特性曲線,（a）,經(jīng)過相敏檢波電路后，正位移輸出正電壓， 負(fù)位移輸出負(fù)電壓。差動變壓器的輸出經(jīng)過相敏檢波以后，特性曲線由圖（a）變成（b），殘存電壓自動消失。,（b）,44,測量振動、厚度、應(yīng)變、壓力、加速度等各種物理量。 1. 差動變壓器式加速度傳感器 用于測定振動物體的頻率和振幅時其激磁頻率必須是振動頻率的十倍以上，才