第5章电感式讲义教材

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1、5.1 变磁阻式传感器 5.2 差动变压器式传感器 5.3 电涡流式传感器,第5章 电感式传感器,返回主目录,第 5 章 电 感 式 传 感 器,利用电磁感应原理将被测非电量如位移、压力、流量、 振动等转换成线圈自感量L或互感量M的变化, 再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出, 这种装置称为电感式传感器。,自感式 互感式 电涡流式,按结构原理电感式传感器可分为：,5.1 变磁阻式传感器（自感式）,一、 结构和工作原理,组成：,线圈、铁芯和衔铁,L=,线圈总磁链,I 通过线圈的电流,N线圈的匝数, 穿过线圈的磁通,由磁路欧姆定律, 得,Rm磁路总磁阻,通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻, 即

2、,Rm =,Rm=,L=,变磁阻式传感器分为:,变气隙厚度的传感器(上下运动),变气隙面积0的传感器(前后左右运动),二、 输出特性（变气隙式）,当衔铁下移时,当/01,L = L0+L,=,L与为反比关系,电感初始气隙0 处, 初始电感量为,当衔铁上移时,线性处理，忽略高次项,当衔铁下移时,讨论： 1. 测量范围、灵敏度k0、线性度/0 相矛盾, 2. 变间隙式电感传感器用于小位移比较精确,一般取 /0 = 0.10.2 ，（12mm/10mm）； 3. 为减小非线性误差实际测量中多采用差动形式。,三、差动自感传感器(非线性补偿),1、结构和工作原理,2、输出特性,L = L2-L1,当衔铁

3、移动时，两个电感一个增加另一个减小变化时,差动变隙式总的电感变化为：,结论：, 差动式比单线圈式的灵敏度高一倍, 差动式的非线性项不含偶次项，非线性比单线圈小,线性处理，忽略高次项得,灵敏度为,单线圈,L,差动式的两个电感结构可抵消部分温度、噪声干扰。,四、测量电路,1、交流电桥式,交流电桥结构示意图,等效电路,线圈品质因素Q 较高时可以消除正交分量,2、变压器式交流电桥,衔铁处于中间, 即Z1= Z2=Z,得,衔铁偏移, 即Z1=Z+Z, Z2=Z-Z,得,衔铁反方向偏移, 则Z1=Z-Z, Z2=Z+Z,得,判断位移方向, 必须配合相敏检波电路,调幅式电路,调频电路,输出幅值随电感L变化，

4、 L0 为谐振点的电感值；,电感L变化时谐振频率f0变化， f0 = 1/（2（LC）1/2） 线性范围小,3、谐振式（调幅、调频、调相）,被测压力经过位移、 电压两次转换输出,压 力 测 量,变隙式原始气隙0可取得很小, 0 = 0.10.5mm, 当 =1m 时，L/L0可达 1/100 1/500。 变隙式传感器灵敏度高，缺点是非线性严重,自由行程小，工艺制作难。,五、 变磁阻式传感器的应用,变磁阻式传感器的特点：,游标卡尺分辨率为0.02mm; 千分尺分辨率为0.01mm; 现代机械加工要求测量工具的分辨率高于公差的一个数量级，传统工具无法实现，电感传感器的分辨率可达0.01m ,可优

5、于要求公差。,新型测量工具设计结构示意图,5.2 差动变压器式传感器（互感式）,一、 结构和工作原理,两个次级线圈反向串联,1、结构： 差动变压器的结构形式较多,应用最多的是螺线管式差动变压器(介绍三节式),可测量1100mm 范围内机械位移。,差动输出电压为零：,并且有两线圈电动势相等,初级L1，次级线圈L2a、L2b须反相连接，保证差动形式 如果线圈完全对称，并且衔铁处于中间位置时两线圈互感系数相等,若衔铁上移,若衔铁下移,输出电压与输入同相,输出电压与输入反相,结论：差动变压器的输出电压大小和符号反映了铁心位移的大小和方向。,2.工作原理,二、 基本特性,当次级开路，初级电流,根据电磁感

6、应定律,输出电压的有效值为,输出电压与互感的差值成正比,(2) 衔铁向上移动时,M1=M+M， M2=M-M,与U1同极性,(3) 衔铁向下移动时,M1=M-M ，M2=M+M,与U2同极性,(1) 衔铁处于中间位置时,M1=M2=M,1. 输出电压幅值取决于线圈互感M，即衔铁在线圈中移动的距离X，而U0与Ui的相位决定衔铁的移动方向； 2. 输出电压U0与激励电压Ui有关，应尽可能大；U0与激励频率成正比，中频应用在 4001000Hz； 3. 输出电压的正、负（反相）结果，经相敏检波后输出曲线反行程翻转为过零直线；,差动变压器灵敏度可达 0.15V/mm； 其中包括三个内容: 传感器类型、

7、转换电路、电源。 出厂测定灵敏度规定：电源1V，衔铁位移1m的输出电压U0,讨论,5.2.3 零点残余电压,1.由于两个次级线圈绕组电气参数（M互感 L电感 R内阻）不同，几何尺寸工艺上很难保证完全相同， 2.电源中高次谐波，线圈寄生电容的存在等，使实际的特性曲线总有最小输出。,一、定义,二、原因：,三、主要成分,频率、幅度不同的基波、谐波,铁芯处于中间位置时最小不为零的电压。,如： 串联电阻：消除两次级绕组基波分量幅值上的差异； 并联电阻电容：消除基波分量相差，减小谐波分量； 加反馈支路：初、次级间反馈，减小谐波分量；。,1、变压器工艺上采取措施,四、减小零点残余电压的方法,2、电路补偿,不

8、同形式的零点残余电压补偿电路,3、测量电路选用相敏检波电路,5.2.4 测量电路,差动整流电路输入一交流信号时，无论极性如何，整流 电路的输出电压始终为 U0 = UAO-UBO 上绕组输出始终为 U24 下绕组输出始终为 U68 R0为调零电阻,一、差动整流电路,输出为交流信号,为正确反映位移大小和方向， 常采用差动整流电路和相敏检波电路。,整流电路的输出电压大小极性与铁心位置有关： 铁心T在中间位置时，U24 = U68 ，U0 = 0 ; 铁心T上移， U24 U68 ，U0 0 ； 铁心T下移， U24 U68 ，U0 0 。,差动整流电路特点：结构简单，可以不考虑相位调整和零点残余电

9、压的影响,分布电容影响小，便于远距离传输。,2、集成相敏检波电路 差动变压器输出与差动放大器连接,1.电感测厚仪（二极管相敏检波电路),5.2.5 差动变压器式传感器应用,可直接用于位移测量，也可以测量与位移有关的任何机械量，如振动，加速度，应变等等。,被测厚度正常时，L1= L2，Uc=Ud，IM= 0； 设厚度变化，T上移，L1L2，Z1Z2 正半周（a+，b-）时，D1、D4导通， I1I4 ； 负半周（a-，b+）时，D2、D3导通， I3I2 ；,同理，T下移L1 L2，Z1 Z2 UdUc ，电流方向,L1、L2传感器作两个桥臂； C1、C2为另外两个桥臂； D1-D4组成相敏整流

10、器; 磁饱和变压器T提供桥压。,无论电源极性如何，始终有 UdUc ,电流方向,2.压差计,当压差变化时，腔内膜片位移使差动变压器次级电压发生变化，输出与位移成正比，与压差成正比。,3.液位测量,沉筒式液位计将水位变化 转换成位移变化，再转换 为电感的变化，差动变压器 的输出反映液位高低。,5.3 电涡流式传感器,电涡流传感器是一种非接触式的线性化计量工具，在大型 旋转机械状态的在线监测与故障诊断中得到广泛应用。 电涡流传感器能准确测量被测体（必须是金属导体）与探 头端面之间静态和动态的相对位移变化。 电涡流式传感器最大的特点：能够对位移、厚度、表面温 度、速度、应力、材料损伤等被测量进行非接

11、触式测量。 电涡流传感器目前主要应用于位移、振动、转速、厚度等 机械量测量,另外可测材料、测温度和电涡流探伤。,定义：由法拉第电磁感应原理可知,一个块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作用切割磁力线运动时，导体内部会产生一圈圈闭和的电流，这种电流叫电涡流，这种现象叫做电涡流效应, 根据电涡流效应制作的传感器称电涡流传感器。,H2 I2,形成电涡流必须具备的两个条件： 存在交变磁场 金属导体处于交变磁场中,金属导体,UAC,一 电涡流效应,二、 等效电路分析,把一个扁平线圈置于金属导体附近，当线圈中通以交变电流 I1时，线圈周围空间产生交变磁场H1，当金属导体靠近交变磁场中时，导体内部就会产生

12、涡流I2，按照楞次定律，这个涡流总是企图抵消原磁场的变化,产生反抗H1的交变磁场H2。,涡流线圈结构非常简单，但要定量分析是很困难的，可根据实际情况建立一个模型，求出模型的等效电路参数。,根据涡流的分布，把涡流所在范围近似看成一个单匝短路的次级线圈。线圈远离被测体时，相当次级开路，原线圈阻抗为,当线圈靠近金属导体时，初次级线圈通过互感相互作用 回路方程：,次级,初级,等效电感,解方程得到金属靠近后传感器（初级线圈）的等效阻抗,等效电阻,凡是引起次级线圈回路变化的物理量R2 、L2 、M均可以引起传感器线圈等效R1 、L1的变化。,M,L2,R2,讨论：,显然, 通过涡流效应和磁效应，线圈阻抗,

13、Z=F（, , w, d, x）,结论： 涡流线圈的等效阻抗与被测金属中各种参数有函数关系。,若控制某些参数不变，只改变其中一个参数，可使初级阻抗 Z1成为这个参数的单值函数。,应用广泛：,位移、厚度、振动 表面温度、电解质浓度 应力、硬度 材料损伤等,x, , x,三、 涡流的强度和分布,因为金属存在趋肤效应，电涡流只存在于金属导体的表面薄层内,存在一个涡流区，涡流区内各处的涡流密度不同,存在径向分布和轴向分布。,径向分布 2ros 线圈外径确定后，涡流范围也就确定了。 r = ro s 线圈外径处，金属涡流密度最大； r = 0 线圈中心处，涡流密度为零 ( j = 0 ) ； r 0.4

14、ros 处（以内）基本没有涡流； r = 1.8ros 线圈外径处，涡流密度衰减到最大值的5%。 涡流范围与电涡流线圈的外径有一固定比例关系， 涡流密度最大值在线圈外径附近一个狭窄区域内,1.涡流的分布,轴向分布 由于趋肤效应涡流只在表面薄层存在，沿磁场H方向（轴向）也是分布不均匀的。距离金属表面Z处,涡流按指数规律衰减,j0 Z = 0 处金属表面涡流密度(最大） jz 金属表面距离Z 处的涡流 h 趋肤深度,按照电涡流在导体内的贯穿情况 分为高频反射式和低频透射式两类,2.强度 当线圈与被测体距离改变时，电涡流密度发生变化，强度也要变化。根据线圈-导体系统，金属表面电涡流强度I2与距离x是

15、非线性关系，随 x/ros上升而下降。,I1为线圈激励电流，I2 为金属导体中的等效电流（涡流） x = 0 处，I2 = I1；x/ros= 1，I2 = 0.3I1, I2 只有在 x/ros ros时电涡流很弱了，所以测大位移时线圈直径要大。 要增加测量范围需加大线圈直径，传感器体积增大,这是电涡流传感器应用的局限性。,四、 测量电路,1.调幅式,L 为电涡流线圈,2. 调频式,电涡流线圈,3.变频调幅式,接近开关电路原理-涡流变换器,变频调幅式电路输出特性,检测原理： 传感器远离被测体时，回路谐振于f0，此时品质因数Q最高，输出最大； 当有磁性导体靠近时，振荡回路失谐，L,f0 使Q,

16、输出电压下降，峰值左移； 当有非磁性导体靠近时L、f0 ，由于R、Q，输出电压也下降，峰值右移； 检测中我们不关心频率的变化，只关心幅值的大小，用检波器获得电压。,五、 电涡流传感器的应用,电涡流传感器以其长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗干扰力强、不受油污等介质的影响、结构简单等优点，在大型旋转机械状态的在线监测与故障诊断中得到广泛应用。,电涡流传感器的应用主要是通过位移变化测量 其他各种物理量 （1）测厚：低频透射式涡流厚度传感器高频反射式涡流厚度传感器 （2）测转速； （3）测位移、测振动； （4）电涡流探伤； （5）金属零件计数、尺寸检测、光洁度检测。,1.测厚 a.低频透射式,在金属板的上下方分别设有发射传感器线圈L1和接收传感器线圈L2，L1加低频电压U1时，L1上产生交变磁通。 无金属板时，磁通直接耦合至L2 ，L2产生感应电压； 有金属板时，线圈L1在金属板中产生电涡流，磁场能量受到损耗，使达到L2的磁通减弱，