测试技术电感式传感器.pptx

Yang Yun-qiang Yang Yun-qiang From China University of Geoscience,BeijingFrom China University of Geoscience,Beijing 杨运强杨运强杨运强杨运强 中国地质大学（北京）中国地质大学（北京）中国地质大学（北京）中国地质大学（北京）测试技术测试技术电感式传感器电感式传感器Inductive transducers Inductive transducers 电感式传感器电感式传感器电感式传感器（Inductive transducer）是基于电磁感应原理，把被测量转化为电感量的一种装置。被测物体的位移引起气隙磁阻的变化，从而引起线圈电感（自感或互感）的变化，当传感器线圈与测量电路连接后，可将电感的变化转换成电压、电流或频率的变化，完成从非电量到电量的转换。按照转换方式的不同，电感式传感器可分为自感式、互感式（差动变压器式）、涡流式三种。电感式传感器可以用来测量位移、振动、压力、应变、流量、比重等物理量参数。电感式传感器电感式传感器电感式传感器电感式传感器电感式传感器电感式传感器自感型自感型涡流式涡流式互感型互感型电感式传感器电感式传感器自感传感器工作原理自感传感器工作原理自感传感器工作原理自感传感器工作原理自感型传感器Self-inductance transducers自感传感器是将被测量的变化转换成线圈本身自感系数的变化的传感器。自感式传感器实质上是一个带气隙的铁心线圈。当被测位移量带动衔铁移动引起磁路中空气隙磁阻变化时，从而使线圈的电感发生变化。接入电路后，便可将电感的变化转化成为电流、电压、频率的变化。电感式传感器电感式传感器自感传感器工作原理自感传感器工作原理自感传感器工作原理自感传感器工作原理根据磁路基本知识，线圈电感为：当气隙较小（小于1mm）时，认为气隙磁场是均匀的。忽略磁路铁损时，有：电感式传感器电感式传感器因此：电感式传感器工作原理电感式传感器工作原理电感式传感器工作原理电感式传感器工作原理改变气隙长度x（或）或改变气隙截面积S都可改变电感值L 与气隙长度x（或）呈非线性（双曲线）关系。电感式传感器电感式传感器变气隙式自感传感器变气隙式自感传感器变气隙式自感传感器变气隙式自感传感器仅改变气隙长度的自感传感器称为变气隙式自感传感器。此时电感的变化由下式计算：电感式传感器电感式传感器变气隙式自感传感器变气隙式自感传感器变气隙式自感传感器变气隙式自感传感器虽虽然然L L 与与气气隙隙长长度度x x（或或）呈呈非非线线性性（双双曲曲线线）关关系系，但但L L 与与气气隙长度隙长度x x（或（或）x x呈线性关系。呈线性关系。电感式传感器电感式传感器变气隙式自感传感器变气隙式自感传感器变气隙式自感传感器变气隙式自感传感器变气隙式自感传感器变气隙式自感传感器电感电感L的变化与气隙的变化与气隙x的变化呈非线性关系，的变化呈非线性关系，灵敏度与气隙长度灵敏度与气隙长度x的平方成反比，的平方成反比，气隙气隙x越小，灵敏度越高。越小，灵敏度越高。只是气隙小而可近似认为电感的变化只是气隙小而可近似认为电感的变化L 与气隙长度变化值与气隙长度变化值 x呈线性关系。呈线性关系。因此决定因此决定这种传感器只能在很小范围内测量位移，适应于测量这种传感器只能在很小范围内测量位移，适应于测量0.0011mm的位移值。的位移值。线性范围线性范围x/x=0.10.2传感器的灵敏度为：电感式传感器电感式传感器差动式变气隙式自感传感器差动式变气隙式自感传感器差动式变气隙式自感传感器差动式变气隙式自感传感器 变气隙式传感器通常采用差动式，它由两个电气参数和磁路完全相同的线圈组成，用一个衔铁构成差动电感式传感器。当衔铁移动时，铁心与衔铁之间距离一个增大另一个减小，负载上有电流流过，电桥失去平衡，有电压输出。通过测量该电压或电流就可测量衔铁位移大小。电感式传感器电感式传感器差动式变气隙式自感传感器差动式变气隙式自感传感器差动式变气隙式自感传感器差动式变气隙式自感传感器电感式传感器电感式传感器差动式变气隙式自感传感器差动式变气隙式自感传感器差动式变气隙式自感传感器差动式变气隙式自感传感器差动变气隙式电感传感器比单磁路电感传感器的总电感量和灵敏度都提高了一倍。还可证明，线性度提高了一个数量级。线性范围x/x=0.30.4电感式传感器电感式传感器变隙式差动电感传感器应用举例变隙式差动电感传感器应用举例变隙式差动电感传感器应用举例变隙式差动电感传感器应用举例当被测压力进入C形弹簧管时，C形弹簧管产生变形，其自由端发生位移，带动与自由端连接成一体的衔铁运动，使线圈1和线圈2中的电感发生大小相等、符号相反的变化。即一个电感量增大，另一个电感量减小。电感的这种变化通过电桥电路转换成电压输出。由于输出电压与被测压力之间成比例关系，所以只要用检测仪表测量出输出电压，即可得知被测压力的大小。电感式传感器电感式传感器变面积式自感传感器变面积式自感传感器变面积式自感传感器变面积式自感传感器仅改变气隙截面积的自感传感器称为变截面积式自感传感器。在忽略气隙边缘效应的条件下，电感的变化由下式计算：在忽略气隙边缘效应的条件下，输出自感L与S成线性关系，因此可望得到较大的线性范围，但是由于其灵敏度较低，限制了其应用。电感式传感器电感式传感器螺旋管式自感传感器螺旋管式自感传感器螺旋管式自感传感器主要元件为一只螺旋管线圈和一根圆柱形铁芯。传感器工作时，铁心在线圈中伸入长度的变化，引起螺旋管线圈的电感值的变化。当用恒流源激励时，线圈的输出电压与铁芯的位移量有关，但是只有在线圈中段才有可能获得较高的灵敏度和较好的线性特性。电感式传感器电感式传感器螺旋管式自感传感器螺旋管式自感传感器单螺管线圈型，当铁芯在线圈中运动时，将改变磁阻，使线圈自感发生变化。这种传感器结构简单，制造容易，但灵敏度低，适用于较大位移(数毫米)测量。电感式传感器电感式传感器螺旋管式自感传感器螺旋管式自感传感器双螺管线圈差动型，较之单螺管线圈型有较高灵敏度及线性，被用于电感测微计，其测量范围为0300mm，最小分辨力为0.5mm。这种传感器的线圈接于电桥，构成两个桥臀、线圈电感LI、L2随铁芯位移而变化。电感式传感器电感式传感器DGC系列自感传感器系列自感传感器自感传感器自感传感器在自感式传感器中，螺管式自感传感器的灵敏度最低，在实际应用中却应用最广泛(1)在自感式传感器中，虽然螺管式自感传感器的灵敏度最低，但示值范围大、线性也较好;(2)还具备自由行程可任意安排、制造装配方便、可互换性好等优点。(3)由于具备了这些优点，而灵敏度低的问题可在放大电路方面加以解决，故目前螺管式自感传感器应用中最广泛。电感式传感器电感式传感器自感传感器的测量电路自感传感器的测量电路自感传感器的测量电路自感传感器的测量电路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。（1）交流电桥式自感式传感器测量电路）交流电桥式自感式传感器测量电路图（a）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,对于高Q值（Q=L/R）的差动式电感传感器,其输出电压：（a）交流电桥测量电路 （b）变压器式电桥图4-7 自感式传感器测量电路电感式传感器电感式传感器自感传感器的测量电路自感传感器的测量电路自感传感器的测量电路自感传感器的测量电路（2）变压器式交流电桥自感式）变压器式交流电桥自感式传感器测量电路传感器测量电路变压器式交流电桥测量电路如图变压器式交流电桥测量电路如图（b）所示）所示,当负截阻抗为无穷大当负截阻抗为无穷大时时,桥路输出电压：桥路输出电压：当传感器的衔铁处于中间位置当传感器的衔铁处于中间位置,有有Uo=0,电桥平衡。电桥平衡。当传感器衔铁上移时当传感器衔铁上移时,即即Z1=Z+Z,Z2=Z-Z，当传感器衔铁下移时当传感器衔铁下移时,则则Z1=Z-Z,Z2=Z+Z,从上面两式可知从上面两式可知,衔铁上下移动衔铁上下移动相同距离时相同距离时,输出电压的大小相输出电压的大小相等等,但方向相反但方向相反,由于是交流电压由于是交流电压,输出指示无法判断位移方向输出指示无法判断位移方向,必必须配合相敏检波电路来解决。须配合相敏检波电路来解决。（b）变压器式电桥图4-7 自感式传感器测量电路电感式传感器电感式传感器自感传感器的测量电路自感传感器的测量电路自感传感器的测量电路自感传感器的测量电路（3）谐振式自感式传感器测量电路）谐振式自感式传感器测量电路谐振式测量电路分为谐振式调幅电路、谐振式调频电路。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,而幅值随着电感L而变化,图中同时给出了调幅电路输出电压与电感L的关系曲线,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。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,其振荡频率为：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。图中同时给出了调频电路表示f与L的特性,它具有明显的非线性关系。：电感式传感器电感式传感器电感式滚柱直径分选装置电感式滚柱直径分选装置1-1-气缸气缸 2-2-活塞活塞 3-3-推杆推杆 4-4-被测滚柱被测滚柱 5-5-落料管落料管 6-6-电感测微器电感测微器 7-7-钨钢测头钨钢测头 8-8-限位挡板限位挡板 9-9-电磁翻板电磁翻板 10-10-容器（料斗）容器（料斗）电感式传感器电感式传感器互感型互感型互感型互感型-差动变压器式电感传感器差动变压器式电感传感器差动变压器式电感传感器差动变压器式电感传感器互感型传感器的利用电磁感应中的互感现象，将被测非电量(位移量)转换成线圈互感的变化。这种传感器实质上就是一个变压器。由于常采用两个次级线圈组成差动式，故又称差动变压器式传感器（differential transducers）。电感式传感器电感式传感器差动变压器式传感器优点：测量精度高，可达0.1m；稳定性好，使用方便。因而被广泛应用于直线位移，或可能转换为位移变化的压力、重量等参数的测量。电感式传感器电感式传感器差动变压器式电感传感器差动变压器式电感传感器差动变压器式电感传感器差动变压器式电感传感器如图所示。当线圈W1输入交流电流时，线圈W2产生感应电动势。其大小与电流i1的变化率成正比。其为比例系数称为互感（M),大小与两线圈相对位置及周围介质的导磁能力等因素有关，它表明两线圈之间的藕合程度。电感式传感器电感式传感器差动变压器式电感传感器结构差动变压器式电感传感器结构差动变压器式电感传感器结构差动变压器式电感传感器结构右图是各种差动传感器结构图。根据结构形式的不同，差动变压器式传感器也有变气隙式差动传感器、变面积式差动传感器螺旋管式差动传感器。电感式传感器电感式传感器差动变压器传感器工作原理差动变压器传感器工作原理电感式传感器电感式传感器差动变压器传感器工作原理差动变压器传感器工作原理根据变压器原理，初级线圈作为差动变压器激励用，根据变压器原理，初级线圈作为差动变压器激励用，次级由结构尺寸和参数相同的两个线圈反相串联而次级由结构尺寸和参数相同的两个线圈反相串联而成，即：次级绕组用差动连接。成，即：次级绕组用差动连接。当负载开路时，输出负载为：电感式传感器电感式传感器差动变压器传感器工作原理差动变压器传感器工作原理差动变压器传感器工作原理差动变压器传感器工作原理差动变压器的输出电压是交流量，其幅值与铁心位移成正比，其输出电压如用交流电压表指示，输出值只能反映铁心位移的大小，不能反映移动的方向性。电感式传感器电感式传感器差动变压器传感器工作原理差动变压器传感器工作原理差动变压器传感器工作原理差动变压器传感器工作原理式中：M1、M2分别为两个次级线圈和初级线圈之间的互感系数，R1、Rm1、Rm2分别为初级线圈和两个次级线圈的电阻交流电压输出存在一定的零点残余电压。零点残余电压是由于两个次级线圈结构不对称，以及初级线圈铜损电阻、铁磁材质不均匀、线圈间分布电容等原因所形成。所以，即使铁心处于中间位置时，输出也不为零。输出电势有效值为：电感式传感器电感式传感器用于小位移的差动相敏检波电路的工作原理用于小位移的差动相敏检波电路的工作原理用于小位移的差动相敏检波电路的工作原理用于小位移的差动相敏检波电路的工作原理一般差动变压器生产单位都配有专门的测量电路，提供给初级线圈几十至几百赫兹的激励电压，并将次级线圈中因位移引起的的电压变化量经处理后输出。一般要保证激励频率大于被测信号的最高频率的数倍至数十倍。当没有信号输入时，铁芯处于中间位置，调节电阻R，使零点残余电压减小；当有信号输入时，铁芯移上或移下，其输出电压经交流放大、相敏检波、滤波后得到直流输出。由表头指示输入位移量的大小和方向。差动变压器式传感器的后接电路形式，需要采用既能反映铁心位移方向性，又能补偿零点残余电压的差动直流输出电路。电感式传感器电感式传感器相敏检波电路相敏检波电路相敏检波电路相敏检波电路电感式传感器电感式传感器涡流式电感传感器涡流式电感传感器涡流式电感传感器涡流式电感传感器 Eddy-current transducersEddy-current transducers涡流式传感器是基于电磁学中的涡流效应工作的。当金属板置于变化磁场中或者在磁场中当金属板置于变化磁场中或者在磁场中运动时，在金属板中产生感应电流，这运动时，在金属板中产生感应电流，这种电流在金属体内是闭合的，所以称为种电流在金属体内是闭合的，所以称为涡流。涡流。涡流效应：把一个扁平线圈置于一金属板附近，当线圈中通以高频交变电流i时，线圈中便产生交变磁通m1。此交变磁通通过邻近的金属板，金属板上便会感应出电流ie。所感应出的电流在金属内呈体分布而且是环状闭合的，故称为涡电流或涡流。根据楞次定律，所感应出的涡流也产生一磁通m2，其方向总是与m1相反，即抵抗原磁通m1的变化，这种现象称为涡流效应。电感式传感器电感式传感器涡流式电感传感器涡流式电感传感器涡流式电感传感器涡流式电感传感器 Eddy-current transducersEddy-current transducers 根据楞次定律，由该涡电流产生的交变磁通根据楞次定律，由该涡电流产生的交变磁通1将将与线圈产生的磁场方向相反，亦即与线圈产生的磁场方向相反，亦即1将抵抗将抵抗的的变化。由于该涡流磁场的作用，会使线圈的等效阻变化。由于该涡流磁场的作用，会使线圈的等效阻抗发生变化。抗发生变化。电感式传感器电感式传感器涡流式电感传感器涡流式电感传感器涡流式电感传感器涡流式电感传感器 Eddy-current transducersEddy-current transducers线圈的等效阻抗可近似用下面的函数表示：其中：-激励电流的频率 -金属板的电阻率,W-线圈匝数 -金属板的磁导率,-线圈到金属板的距离,I-激励电流的强度.R-线圈半径涡流的大小与金属板的电阻率、磁导率、厚度，以及金属板与线圈距离、激励电流、角频率等参数有关。若固定其它参数，仅仅改变其中某参数，就可以根据涡流大小测定该参数。涡流式电感传感器可分为高频反射式和低频透射式两类。电感式传感器电感式传感器(1)(1)高频反射式涡流传感器高频反射式涡流传感器高频反射式涡流传感器涡流传感器探头产生的高频磁场作用于金属板的表面，由于趋肤效应，高频磁场仅能作用在其表面的薄层内产生感应电流（涡流），该涡流产生的磁场又反过来作用在探头上，导致其上的电感线圈的电感及等效阻抗发生变化，通过检测电路测出阻抗Z的变化量，就能检测出被测导体的位移量。当被测位移发生变化时，使线圈与金属板的距离发生变化，从而导致线圈阻抗L的变化，将L通过测量电路转化为电压输出，即可获得电感量的变化值。高频反射式涡流传感器常用于位移测量x电感式传感器电感式传感器(2)(2)低频透射式涡流传感器低频透射式涡流传感器低频透射式涡流传感器多用于测定材料厚度，其工作原理如图所示。发射线圈和接收线圈分别放在被测材料的上下，低频(音频范围)电压加到发射线圈的两端后，在周围空间产生一交变磁场，并在被测材料中产生涡流，此涡流损耗了部分能量，使贯穿的磁力线减少，从而使接收线圈产生的感应电势e2减小。感应电势e2的大小与被测材料的厚度及材料性质有关，实验与理论证明，感应电势e2随材料厚度A增加按负指数规律减小，因而可测得材料的厚度。被测导体的厚度一般要求大于两倍的涡流穿透深度才能使用低频透射式涡流传感器测量。电感式传感器电感式传感器电涡流式传感器的应用电涡流式传感器的应用电涡流式传感器可用于动态非接触测量，测量范围随传感器结构尺寸、线圈匝数和激磁频率而异，测量范围约为2.5250mm，其中测量线性范围为1.5mm。非线性小于3%。可用于动态非接触测量，分辨力可达1pm。涡流式电感传感器对原始间隔要求不严格，因而调整比较方便。它结构简单，安装方便，灵敏度较高、抗干扰能力较强，不受油污等介质的影响等。被测物体的材料形状、电导率、磁导率等因素都会影响测量结果。被测导体的电阻率和相对导磁率越小，传感器的灵敏度越高。被测对象面颊大小对传感器有较大的影响。被测导体为圆柱体时，要求其直径大于3.5倍涡流传感器线圈直径，否则，传感器的灵敏度不稳定。电涡流式传感器可用于动态非接触测量，测量范围随传感器结构尺寸、线圈匝数和激磁频率而异，测量范围约为2.5250mm，其中测量线性范围为1.5mm。非线性小于3%。可用于动态非接触测量，分辨力可达1pm。电感式传感器电感式传感器涡流传感器涡流传感器结构结构结构结构近几年来涡电流式位移和振动测量仪、测厚仪和无损探伤仪等在机械、冶金工业中日益得到广泛应用。在径向振摆、回转轴误差运动、转速和厚度测量，以及在零件计数、表面裂纹和缺陷测量中都可应用。电感式传感器电感式传感器电涡流式传感器的应用电涡流式传感器的应用厚度测量：厚度测量：利用涡流传感器测量金属板的厚度和非金属板的镀层厚度。利用涡流传感器测量金属板的厚度和非金属板的镀层厚度。电感式传感器电感式传感器电涡流式传感器的应用电涡流式传感器的应用涡流探伤：涡流探伤：电涡流探伤基本原理是利用通有交流电的线圈产生交变磁场，使被测导体表面产生电涡流，而该涡流又会产生感应磁场作用于线圈，从而改变线圈的电参数。只要缺陷存在，就将使电涡流环发生畸变，测出这一变化就可以获得有关的缺陷信息。利用高频反射式涡流传感器可以无接触地检查金属的表面裂纹、热处理裂纹、焊接裂纹等。原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。电感式传感器电感式传感器连续油管的椭圆度测量连续油管的椭圆度测量Coiled TubeEddy Sensor Reference Circle电涡流式传感器的应用电涡流式传感器的应用电涡流式传感器的应用电涡流式传感器的应用电感式传感器电感式传感器案例：案例：无损探伤无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。火车轮检测火车轮检测油管检油管检测测电涡流式传感器的应用电涡流式传感器的应用电涡流式传感器的应用电涡流式传感器的应用电感式传感器电感式传感器电涡流式传感器的应用电涡流式传感器的应用电涡流式传感器的应用电涡流式传感器的应用电感式传感器电感式传感器电感式传感器特点电感式传感器特点结构简单、可靠、测量力小分辨率高输入信号强重现性好、线性度优良。但是，存在交流零位信号，而且不适应于高频动态测量。