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1、第二章 电感式传感器,本章主要讲述： 1、自感式传感器的工作原理、输出特性、测量电路及应用； 2、差动变压器式传感器的工作原理，基本特性及应用； 3、电涡流式传感器工作原理，基本特点及应用； 需要掌握的知识: 1、了解自感式传感器的输出特性，掌握自感式传感器的工作原理、测量电路，学会用自感式传感器测量非电量； 2、了解差动变压器式传感器的基本特性，掌握差动变压器式传感器的工作原理，学会用差动变压器式传感器测量非电量； 3、了解电涡流式传感器的基本特性，掌握电涡流式传感器的工作原理，学会用电涡流式传感器测量非电量；,导 入,电感式传感器是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
2、成线圈自感系数 或互感系数 的变化，再由测量电路转换为电压或电流变化量输出的装置。 电感式传感器具有结构简单，工作可靠，分辨力和测量精度高优点，主要缺点是分辨力和测量范围相互制约，传感器自身响应低，不适用于快速动态测量。能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。 本章主要介绍自感式、互感式和电涡流式三种传感器。,2.1 自感式传感器,2.1.1 工作原理 由磁路欧姆定律有： 如气隙很小，气隙中磁场是均匀的。若忽略磁路磁损，则：,线圈,铁心,衔铁,通常 则： 得： 自感式传感器可分为变隙式和变面积式， 使用最广泛的是变隙式电感传感器。,2.1.2 变隙式电感传感器
3、的输出特性,初始电感为 当衔铁上移 时， 经计算得：,灵敏度为： 变隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾，所以它用于测量微小位移是比较精确的。为减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变隙式。 当衔铁往上移动 时， 有： 灵敏度为：,结论： 差动式（双线圈）比自感式（单线圈）的灵敏度高一倍。 因为（ ） 1 ，所以，差动式的线性度得到明显改善。 构成差动的两个线圈在结构尺寸、材料、电气参数等方面均应完全一致。,2.1.3 差动变隙式电感传感器的测量电路,1.交流电桥式测量电路 进一步推导得： 电桥输出电压与 有关,2.变压器式交流电桥 负载阻抗为无穷大时: 当衔铁处于中间位置时， ，有
4、 ，电桥平衡。 当衔铁上移时，即 ， 。此时 当传感器衔铁下移时，即 ， 。此时 根据 可判断衔铁位移大小，用相敏检波电路判断衔铁移 动方向。,3.谐振式测量电路,谐振式调幅电路 此电路灵敏度很高，但线性差，,谐振式调频电路 具有明显的非线形,2.1.4 自感式传感器的应用,变隙电感式压力传感器,变隙式差动电感压力传感器,2.2 差动变压器式传感器,2.2.1 结构及工作原理 结构：,活动衔铁,导磁外壳,骨架,匝数为的初级绕组,匝数为的次级绕组,匝数为的次级绕组,一节式,二节式,三节式,四节式,五节式,通常采用二节式 和三节式,工作原理： 由差动变压器等效电路，当次级开路时有： 根据电磁感应定
5、律，有： 经推导：,差动变压器等效电路,输出电压的有效值为： 下面分三种情况进行分析： 1、活动衔铁处于中间位置时， ，故 2、活动衔铁向上移动时， ， 故 ，与 同极性。 3、活动衔铁向下移动时， ， 故 ，与 同极性。 与 有关，通过 可以测量 。,下图给出了变压器输出电压 与衔铁位移 的关系曲线。,差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压，记作 ， 它的存在使传感器的输出特性不过零点， 零点残余电压产生的原因主要是传感器的两次级绕组的电气参数与几何尺寸不对称，以及磁性材料的非线性等问题。 零点残余电压一般在几十毫伏以下， 在实际使用时，应设法减小，否则将会影响传感器的测量结果。,2
6、.2.3 差动变压式传感器的应用,差动变压器式加速度传感器的结构,悬臂梁,悬臂梁,差动变压器,2.3 电涡流式传感器,根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈涡旋状的感应电流，此电流叫电涡流，以上现象称为电涡流效应； 根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器； 分为高频反射式和低频透射式，基本工作原理相似。 特点：对位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等进行非接触式连续测量，体积小灵敏度高，频率响应宽； 应用极其广泛。,2.3.1 工作原理,电阻率 磁导率 为线圈与被测体的 尺寸因子 电源频率 线圈与导体间的距离,电涡流传感器的
7、等效电路： 由等效电路，可列出如下方程：,传感器线圈,电涡流短路环,解得等效阻抗 的表达式为: 式中： 可见，传感器线圈的等效阻抗 是互感系数二次方的 函数，而互感系数是随线圈与金属导体间距离的变化而 变化的。,2.3.2 电涡流式传感器的应用,1低频透射式涡流厚度传感器 可根据 的大小得知被测金属板的厚度， 透射式涡流厚度传感器检测范围可达1 100mm，分辨率为0.1，线性度为l%。,2.高频反射式涡流厚度传感器 如果被测带材厚度改变量为 ，两传感器输出电压 为 。经放大后，通过指示仪表电路即可指示出 带材的厚度变化值。,3、电涡流式转速传感器 可实现非接触式测量，抗污染能力很强，可安装在旋转轴近旁长期对被测转速进行监视。 最高测量转速可达600000转分。,
