第4章 电感式传感器教学教材

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1、第4章 电感式传感器,电感式传感器是利用线圈自感和互感的变化实现非电量电的一种装置。,4.1 自感式传感器,本节内容 4.1.1 气隙型电感传感器工作原理 4.1.2 气隙型电感传感器特性分析 4.1.3 气隙型电感传感器的测量电路 4.1.4 气隙型电感传感器的应用,4.1.1 气隙型电感传感器工作原理,图4-1(a)是气隙型传感器的一种结构原理图，传感器主要由线圈1，衔铁3和铁芯2等组成。,图4-1 气隙型电感传感器,(a)变隙式 (b)变截面式,4.1.2 气隙型电感传感器特性分析,当衔铁处于初始位置时，初始电 感量为 当衔铁上移时，传感器气隙 减小，即=0，则此时 输出电感为 ,当/0

2、1时，把分母用泰勒级数展开，有,4.1.2 气隙型电感传感器特性分析,可求得电感增量L和相对增量L/L0的表达式，即 同理，当衔铁随被测体的初始位置向下移动时，有,4.1.2 气隙型电感传感器特性分析,结论 变隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛 盾，因此变隙式电感式传感器适用于测量微小位移的场合。,0,4.1.2 气隙型电感传感器特性分析,结论：差动式比单线圈的灵敏度提高一倍 差动比单线圈的非线性失真小。,图4-3 差动气隙型电感传感器,4.1.3 气隙型电感传感器的测量电路,1、变压器式交流电桥 根据电路原理，流入工作臂的电流为 输出电压,图4-4 变压器电桥原理图,4.1.3 气

3、隙型电感传感器的测量电路,初始时刻： Z1=Z2=Z=RS+jL USC=0； 双臂工作： Z1=Z-Z，Z2=Z+Z Z1=Z+Z，Z2=Z-Z 结论：当衔铁向不同方向移动时，产生的输出电压USC大小相等、方向相反。,输出电压幅值,输出阻抗,4.1.4 气隙型电感传感器的应用,电感式滚珠直径分选装置,4.1.4 气隙型电感传感器的应用,旁向式差动电感式传感器,总行程： 1.5mm 测量力：0.40.7N 示值变动性：0.2m,轴向式差动电感式传感器,总行程： 3mm 测量力：0.450.65N 示值变动性：0.03m,总行程：1.5mm 测量力：0.120.18N 示值变动性：0.05m,4

4、.1.4 气隙型电感传感器的应用,测头,测杆,电感线圈,磁芯,气 体 压 力 传 感 器,加 速 度 传 感 器,4.2 差动变压器（互感式传感器）,本节内容 4.2.1 差动变压器的结构原理与等效电路（重点） 4.2.2 差动变压器提高灵敏度的措施 4.2.3 差动变压器误差因素分析 4.2.4 差动变压器的测量电路（重点） 4.2.5 差动变压器的应用,4.2.1 差动变压器的结构原理与等效电路,1、螺管型差动变压器的结构原理与等效电路,图4-13 差动变压器结构示意图,(a)气隙型 (b)螺管型 1初级线圈 2、3次级线圈 4衔铁,4.2.1 差动变压器的结构原理与等效电路,1、互感式传

5、感器本身是其互感系数可变的变压器。 2、当一次线圈接入激励电压后，二次线圈将产生感应电压输出，互感变化时，输出电压将作相应变化。 3、一般这种传感器的二次线圈有两个，接线方式又是差动的，故常称之为差动变压器。 4、差动变压器与一般变压器不同之点： 一般变压器是闭合磁路，而差动变压器是开磁路； 一般变压器原、副边间的互感是常数(有确定的磁路尺寸)，而差动变压器原、副边之间的互感随衔铁移动作相应变化。,4.2.1 差动变压器的结构原理与等效电路,图4-14 差动变压器线圈各种排列形式,1初级线圈 2次级线圈 3衔铁图,图4-15 差动变压器等效电路,4.2.1 差动变压器的结构原理与等效电路,e2

6、1=-jM1I1 e22=-jM2I1,空载输出电压：,幅值：,输出阻抗：,4.2.1 差动变压器的结构原理与等效电路,2、差动变压器输出电势e2与衔铁位移x的关系,图4-16 差动变压器的输出特征(、为次级线圈),4.2.2 差动变压器提高灵敏度的措施,1、提高线圈Q值；2、增大衔铁直径；3、增大匝数比；4、提高激励电压；5、减少涡流损耗；6、电源频率为400Hz-10KHz。,图4-19 灵敏度K1与线圈匝数比的关系,图4-20 灵敏度K1与初级线圈电压e1的关系,4.2.3 差动变压器误差因素分析,一、激励电压的幅值与频率的影响 二、温度变化的影响 三、零点残余电压,图4-21 差动变压

7、器的零点残余电压,图4-22 零点残余电压及其组成,( a)残余电压的波形 (b)波形分析,1实际特性 2理想特性,4.2.3 差动变压器误差因素分析,1、零点残余电压产生的原因 1）基波分量 次级线圈绕组不完全一致 初级线圈中铜损电阻及导磁材料的铁损和材质的不均匀，线圈匝间电容的存在,图4-23 两次级绕组相位差不等于180时的差动输出电压,4.2.3 差动变压器误差因素分析,2）高次谐波 高次谐波分量主要由导磁材料磁化曲线的非线性引起。由于磁滞损耗和铁磁饱和的影响，使得激励电流与磁通波形不一致，产生了非正弦(主要是三次谐波)磁通，从而在次级绕组感应出非正弦电势。,图4-24 磁化曲线非线性

8、引起磁通波形失真,4.2.3 差动变压器误差因素分析,2、消除零点残余电压的方法 1）从结构和工艺上保证结构对称性 提高加工精度，线圈选配成对，采用磁路可调节结构。 应选高导磁率、低矫顽磁力、低剩磁感应的导磁材料，并应经过热处理，消除残余应力，以提高磁性能的均匀性和稳定性。 2）选用合适的测量电路 相敏检波电路,图4-25 采用相敏检波后的输出特性,4.2.3 差动变压器误差因素分析,3）采用补偿线路 调相位式零点残余电压补偿电路 电位器调零零点残余电压补偿电路,图4-26 调相位式残余电压补偿电路,4.2.3 差动变压器误差因素分析,R或L零点残余电压补偿电路,4-27 电位器调零点残余电压

9、补偿电路,图4-28 R或L补偿电路,4.2.4 差动变压器的测量电路,1、差动全波整流电路 USC=eab+ecd,图4-29 全波整流电路和波形图,4.2.4 差动变压器的测量电路,2、相敏检波电路,图4-30 二极管相敏检波电路图,4.2.5 差动变压器的应用,1、差动变压器式加速度传感器 测量振幅范围：0.15 mm 振动频率范围：0150 Hz,图4-31 差动变压器式加速度传感器,(a)结构示意图(1弹性支承 2差动变压器) (b)测量电路方框图,4.2.5 差动变压器的应用,2、微压力变送器 测量范围：-41046104Pa 输出信号电压：050 mV，精度：1.5级,图4-32

10、 微压力变送器,(a)结构图 (b)测量电路方框图,1接头 2膜盒 3底座 4线路板 5差动变压器 6衔铁 7罩壳,4.2.5 差动变压器的应用,3、轴向式差动变压器式传感器,总行程： 100mm 线性度：0.15%,总行程： 2 7mm 测量力：0.91.2N 示值变动性：0.5m,4.3 电涡流式传感器,本节内容 4.3.1 电涡流式传感器的结构和工作原理（重点） 4.3.2 电涡流式传感器的等效电路（重点） 4.3.3 电涡流式传感器的测量电路（重点） 4.3.4 电涡流式传感器的应用,4.3.1 电涡流式传感器的结构和工作原理,1、涡流 当导体置于交变磁场或在磁场中运动时，导体上引起感

11、生电流ie，此电流在导体内闭合，称为涡流。 2、分类根据涡流穿透深度h和激励电流频率f 高频反射式 低频透射式 3、高频反射式电涡流传感器的结构和工作原理,4.3.1 电涡流式传感器的结构和工作原理,传感器线圈由高频信号激励，使它产生一个高频交变磁场 ，当被测导体靠近线圈时，在磁场作用范围的导体表层，产生了与此磁场相交链的电涡流ie，而此电涡流又将产生一交变磁场 阻碍外磁场的变化。从能量角度来看，在被测导体内存在着电涡流损耗。能量损耗使传感器的Q值和等效阻抗Z降低，因此当被测体与传感器间的距离d改变时，传感器的Q值和等效阻抗Z、电感L均发生变化，于是把位移量转换成电量。,图4-33 CZF1型

12、涡流传感器,1线圈 2框架 3衬套 4支架 5电缆 6插头,图4-34 电涡流传感器原理图,4.3.2 电涡流式传感器的等效电路,电涡流式传感器原理图 （a） 传感器激励线圈 （b） 被测金属导体,图4-35 电涡流传感器的等效电路,4.3.2 电涡流式传感器的等效电路,根据克希荷夫定律,图4-35 电涡流传感器的等效电路,4.3.2 电涡流式传感器的等效电路,线圈的等效阻抗,线圈的等效电感,线圈的等效Q值,无涡流影响下线圈的Q值,金属导体中产生电涡流部分的阻抗,4.3.2 电涡流式传感器的等效电路,结论 1、线圈与金属导体系统的阻抗、电感和品质因数都是此系统互感系数平方的函数。 2、从麦克斯

13、韦互感系数的基本公式出发，可以求得互感系数是两个磁性相联线圈距离x的非线性函数。 3、由1和2可知： Z=F1(x)、L=F2(x)、Q=F3(x)均是非线性函数。 4、线圈的等效电感由两部分组成 第一项L1与静磁效应有关； 第二项为电涡流回路的反射电感，它使传感器的等效电感值减小。,4.3.3 电涡流式传感器的测量电路,调频式测量电路 测量原理：位移的变化引起传感器线圈电感的变化，而电感的变化导致振荡频率的变化，以频率变化作为输出量。,图4-42 调频式测量电路,4.3.3 电涡流式传感器的测量电路,克拉泼振荡器：产生一个高频正弦波，这个高频正弦波频率是随传感器线圈L(x)的变化而变化。 射

14、极输出器：起阻抗匹配作 用，以便和下级电路相连接。 频率可以直接由数字频率计 记录或通过频率电压转换 电路转换为电压量输出，再 由其他记录仪器记录。,图4-43 f-x特性曲线,1钢板 2铜板,4.3.4 电涡流式传感器的应用,涡流式传感器的优点 测量范围大；灵敏度高；结构简单；抗干扰能力强；可以非接触测量,表4-2 线圈可测量的参数,4.3.4 电涡流式传感器的应用,1、位移测量,图4-44 位移计,汽轮机主轴的轴向位移,磨床换向阀、先导阀的位移,金属试件的热膨胀系数,1被测试件 2传感器探头,4.3.4 电涡流式传感器的应用,1、线性范围： 00.5-040（mm)2、线性误差：0.6%3

15、.0%3、探头外径：663（mm)4、信号输出：05V DC.5、工作温度： 传感器100度，前置器65度。6、工作电源：1524V DC.,4.3.4 电涡流式传感器的应用,2、振幅测量,图4-45 振幅测量,主轴的径向振动测量,发动机涡轮叶片的振幅测量,多传感器探头测量轴的振动形状,1被测体 2传感器探头,4.3.4 电涡流式传感器的应用,3、厚度测量 无接触地测量金属板厚度和非金属板的镀层厚度。,图4-46 厚度计,单传感器结构,差动传感器结构,4.3.4 电涡流式传感器的应用,4、转速测量 在一个旋转体上开一条或数条槽，或者做成齿，旁边安装一个电涡流传感器。当旋转体转动时，电涡流传感器将周期性地改变输出信号，此电压经过放大、整形，可用频率计指示出频率数值。此值与槽数和被测转速有关。,图4-47 转速测量,4.3.4 电涡流式传感器的应用,5、涡流探伤 电涡流式传感器可以用来检查金属的表面裂纹、热处理裂纹以及用于焊接部位的探伤等。使传感器与被测体距离不变，如有裂纹出现，将引起金属的电阻率、磁导率的变化。在裂纹处也可以说有位移值的变化。,图4-48 用涡流探伤时的测试信号,(a)未通过幅值甄别电路前的信号 (b)通过幅值甄别电路的信号,本章作业 P190: 4-2; 4-5; 4-8,