第4部分 传感器原理3-电感式.ppt

华中科技大学机械学院,测试技术与信号处理,三、电感式传感器,电感式传感器是基于,电磁感应原理,，它是把被测量（如位移、力、流量、振动）转化为电感量的一种装置。,分类,:,电感式传感器,涡流式,可变磁阻式,互感型,自感型,第三章,常用传感器与敏感元件,主要优点：,1,）结构简单、工作可靠；,2,）灵敏度高，能分辨,0.01m,的位移变化；,3,）测量精度高、零点稳定、输出功率较大；,4,）可实现信息的远距离传输、记录、显示和控制，在工业自动控制系统中被广泛采用；,主要缺点：,1,）灵敏度、线性度和测量范围相互制约；,2,）自身频率响应低，不适用于快速动态测量。,电感式传感器特点,电感式,传感器,1.,自感型,当衔铁随被测量,x,变化而上、下移动时，其与铁心间的气隙发生变化，磁路磁阻随之变化，从而引起线圈电感量的变化；通过测量电路转换成与位移成比例的电量，实现了非电量到电量的变换。,（,1,）可变磁阻式,结构原理如右图所示,1,线圈,2,铁心,3,衔铁,x,电感式,传感器,线圈电感,L,由电工学可知，匝数为,N,的线圈电感为,式中,R,m,磁路总磁阻,如果空气气隙,d,较小，且不考虑磁路的铁损，则总磁阻,R,m,式中,l,铁心导磁长度；,m,铁心导磁率；,A,铁心导磁截面积,d,气隙长度；,m,0,空气导磁率；,A,0,空气气隙导磁截面积,电感式,传感器,线圈电感,L,由电工学可知，匝数为,N,的线圈电感为,式中,R,m,磁路总磁阻,如果空气气隙,d,较小，且不考虑磁路的铁损，则总磁阻,R,m,因为铁心磁阻与空气气隙的磁阻相比较很小，计算时可以忽略不计，则上式可简化为,电感式,传感器,自感型可变磁阻式传感器的自感,L,变间隙型,传感器灵敏度：,S,与气隙长度的平方成反比，,d,愈小，,S,愈高；同时存在非线性误差。为减小此误差，通常规定在较小间隙变化范围内使用，一般取,D,d,/,d,0,0.1,。这种传感器适用于较小位移（,0.001,1mm,）的测量。,电感式,传感器,可变导磁面积型,差动型,可变磁阻式传感器的典型结构,变间隙型,变面积型,单螺旋管线圈型,双螺旋管线圈型用于电感测微计，常用测量范围为,0300,m,m,，最小分辨力为,0.5,m,m,，接在交流电桥的相邻两桥臂。,当铁心在线圈中运动时，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,电感式接近传感器（金属）,电感式,传感器,（,2,）涡流式,原理,:,涡电流效应,涡流式传感器是利用涡电流效应进行工作的。由于结构简单、灵敏度高、频响范围宽、不受油污等介质的影响，并能进行非接触测量，适用范围广。,涡电流,：金属块放在变化的磁场中，穿过金属块的磁通量发生变化时，金属块内部就会产生感应电流，该电流在金属块内部形成闭合回路，就像旋涡一样，故称为涡电流。,电感式,传感器,通常把电涡流传感器按激磁电源频率高低分为两大类：,高频反射式电涡流传感器,和低频透射式电涡流传感器，,前者用于非接触式位移变量的检测,，后者仅用于金属板厚度的测量。,高频反射式,原理图,根据楞次定律，涡电流的交变磁场,F,1,与线圈的磁场,F,变化方向相反，,F,1,总是抵抗,F,的变化。由于涡流磁场对导磁材料的作用以,及气隙对磁路的影响，便原线圈的等效阻抗,Z,发生变化，变化程度与距离,d,有,关。,电感式,传感器,分析表明，影响高频线圈阻抗,Z,的因素，除了线圈与金属板间距离,d,以外，还有金属板的电阻率,r,，,磁导率,m,以及线圈激磁圆频率,w,等。当改变其中某一因素时，即可达到不同的变换目的。例如，变化,d,，可作为位移、振动测量；变化,r,或,m,值，可作为材质鉴别或探伤等。,电感式,传感器,高频反射式电涡流传感器测量电路,根据电涡流效应原理和等效电路,电涡流传感器输出的测量电路有以下两种形式。,阻抗分压式调幅电路,调频电路,电感式,传感器,调频电路,d,d,D,d,金属板与传感器之间的距离,电感式,传感器,低频透射式电涡流传感器,电感式,传感器,电涡流传感器,可用于动态非接触测量，测量范围视传感器结构、线圈匝数和励磁频率而定，一般从,(,1,10,)mm,，最高分辨力可达,0.1m,。,此外，具有结构简单、使用方便、不受油污等介质的影响等,优点。,因此，近年来涡流式位移和振动测量仪、测厚仪和无损检测探伤仪等在机械、冶金等部门中日益得到广泛应用，在径向振摆、回转轴运动误差、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有应用，如图所示。,电感式,传感器,电涡流传感器应用实例,电感式,传感器,电涡流传感器产品,电感式,传感器,案例：连续输油管的椭圆度测量,Coiled Tube,Eddy Sensor,Reference Circle,电感式,传感器,案例：无损探伤,原理,：裂纹检测，缺陷造成,涡流变化。,火车轮检测,油管检测,电感式,传感器,2.,互感型,差动变压器式电感传感器,M,比例系数，称为互感（,H,）工作原理,:,互感现象,如图所示,当线圈,W,1,输入,交流电流,i,1,时，,线圈,W,2,产生感应电势,e,12,，其大小与电流变化率,i,1,成正比，即,电感式,传感器,互感型,差动变压器,输出电压：,E,w,铁心,e,1,e,2,e,0,W,W,1,W,2,x,铁心,电感式,传感器,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，输出值如用,交流电表,指,示，只能反映铁心位移的大小，,不反映移动的方向性,。其次，,交流电压输出存在一定的零点,残余电压,。它是由于两个二次,侧线圈结构不对称，以及一次,侧线圈铜损电阻、铁磁质材料不均匀、线圈间分布电容等原因形成。所以，即使铁心处于中间位置时，输出也不为零。为此，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,差动相敏,测量电路原理,上图是一种用于小位移测量的差动相敏检波电路工作原理图。,在没有输入信号时，让铁心处于中间位置，调节电阻,R,，使零点残余电压减小,；当有输入信号时，铁心移上或移下，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大小和方向。,电感式,传感器,差动变压器式电感传感器具有精确度高,(,最高分辨力可达,0.1,m,m,),、线性范围大,(,可扩展到,100mm,),、稳定性好和使用方便的,特点,，被广泛用于直线位移测定。但其实际测量频率上限受到传感器机械结构的限制。,借助于弹性元件可以将压力、重量等物理量转换为位移的变化，故也将这类传感器用于压力、重量等物理量的测量。,应用：,厚度，角度，表面粗糙度；拉伸，压缩，,垂直度；压力，流量，液位；张力，重力，,负荷量；扭矩，应力，动力；气压，温度；,振动，速度，加速度，等。,电感式,传感器,差动变压器位移传感器,电感式,传感器,案例：,板的厚度测量,案例：,张力测量,电感式,传感器,