电感式传感器素材.pptx

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1、5.1 5.1 变变磁阻式传感器（自感式）磁阻式传感器（自感式）1第1页/共83页2工作原理工作原理1. 磁路及磁路定理 磁通的闭合路径称为磁路磁通的闭合路径称为磁路。图示为交流接触器的磁路，磁通经图示为交流接触器的磁路，磁通经过铁心和空气隙而闭合。过铁心和空气隙而闭合。根据安培换路定理有根据安培换路定理有IlHldlSlBHlIN线圈匝数磁势磁路平均长度mRFSlIN/磁通磁阻 磁势是产生磁通的激励 磁阻是描述阻碍磁通的 物理量 该关系也称作磁路欧姆 定律，简称磁路定理NI 第2页/共83页3磁路欧姆定律与电路中的欧姆定律在形式上相似对照如下：磁路电路磁动势 F磁通 磁感应强度B磁阻 R=

2、l / SmRF电动势 E电流 I电流密度 J电阻 R= l / SREI NI +EIR若磁路不均匀，由不同材料构成，则磁路的磁阻应由不同的几段串联而成，即)(2211lHlHlHIN类似磁路KVL第3页/共83页v 结构线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成，在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为，传感器的运动部分与衔铁相连。线圈铁芯衔铁2. 变磁阻式传感器工作原理v 磁路构成及磁阻由铁芯、空气隙和衔铁三部分组成总磁阻为002221112SSlSlRm由于铁磁材料的磁导率远远大于真空磁导率，所以002SRm根据磁路欧姆定律得mRIN v 变换原理20022SNR

3、NINLm可见，当气隙厚度气隙厚度或面积或面积S S改变时，电感L就发生改变。当传感器线圈接入测量电路后，电感的变化进一步转换成电压、电流或频率的变化，实现非电量到电量的转换。 第4页/共83页输出特性输出特性5 以变间隙式传感器为例。改变衔铁与铁芯间的间隙厚度，变磁阻式传感器输出特性曲线如图所示。变隙式电压传感器的L-特性第5页/共83页6 当衔铁上移时，传感器气隙减小，即=0-， 则此时输出电感为L=L0+L， 整理得： 设电感传感器初始气隙为0，初始电感量为L0，衔铁位移引起的气隙变化量为 。当衔铁处于初始位置时，初始电感量为： 020002NSL 00000201)(2LSLLLN第6

4、页/共83页 当/01时，可将上式用泰勒级数展开为级数形式： 由上式可求得电感增量L和相对增量L/L0的表达式，即： 3020001LL001LL200001LL200001LL第7页/共83页8同理，当衔铁随被测体的初始位置向下移动时，传感器气隙增加，即=0+， 则此时输出电感为L=L0-L，则： 衔铁无论是上移还是下移，在忽略高次项后，均有30200001LL30200001LL00LL第8页/共83页9灵敏度为：单位间隙变化引起的电感的变化量，即：0001LLK%100%100)(2oooL如果只考虑二次非线性项，忽略其它高次项，则得非线性误差： 变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线

5、性度相矛盾，因此变间隙式电感式传感器适用于测量微小位移的场合。一般取测量范围在 = 0.1 0.2mm较适宜。第9页/共83页差差动变间隙式传感器结构原理动变间隙式传感器结构原理10 差动变间隙式自感传感器结构原理如图所示：衔铁衔铁R1R2L2L10UACU1=0-2=0+当衔铁向上移动时，两个线圈的电感分别变为：LLL01LLL02总的电感变化为4020002112LLLL-第10页/共83页11对上式进行线性处理，即忽略高次项得 :灵敏度k0为：002LL0002/LLk总电感的相对变化量为40200012LL如果只考虑三次非线性项，忽略其它高次项，则得非线性误差： %100)/(%100

6、)(230ooL灵敏度提高1倍非线性也很低此外，由于结构上的对称，差动式还可有效地补偿温度变化造成的误差。第11页/共83页测量测量转换电路转换电路12电感式传感器的测量电路形式较多，主要有： 交流电桥； 变压器式交流电桥； 谐振式等。第12页/共83页131、交流电桥、交流电桥 图所示为交流电桥测量电路，传感器的两线圈作为电桥的两相邻桥臂Z1和Z2，另外两个相邻桥臂为纯电阻R。b）交流电桥等效电路ACUoU1Z2Z3R4Ra）交流电桥结构示意图R3R4L2L10UACU12Z1Z2第13页/共83页14根据第3章讲述的知识，电桥输出电压为)(43213241ZZZZZZZZUUACo其中RZ

7、Z43）（LLrZ001j铜线内阻则）（LLrZ-j0020002)(2)(LLULrLUUACACojj又002LL所以0UUACo交流电桥的特点是：1）电桥输出与气隙变化量有关，并有正比关系；2) 桥路输出与电桥电压UAC有关，桥压升高，输出U0增加；3）桥路输出与初始气隙 0有关，初始间隙越小，输出越大。初始电感第14页/共83页152. 变压器式交流电桥 图所示电路为变压器式交流电桥测量电路，电桥两臂分别为传感器两线圈的阻抗，另外两桥臂分别为电源变压器的两次级线圈，其匝数比为1/2。变压器式交流电桥Z2Z1IABCD2U2U0UsU当负载阻抗为无穷大时，桥路输出电压为： 2212121

8、211UZZZZUUZZZUo当传感器的衔铁处于中间位置，即Z1=Z2=Z时0oU第15页/共83页16当传感器衔铁上移时，如Z1=Z+Z，Z2=Z-Z时， 22ULLUZZUo当传感器衔铁下移时，如Z1=Z-Z，Z2=Z+Z， 此时 22ULLUZZUo由以上分析可知，这两种交流电桥输出的空载电压相同，且当衔铁上下移动相同距离时，电桥输出电压大小相等而相位相反。由于是交流电压，输出指示无法判断位移方向，必须配合相敏检波电路来解决。 U第16页/共83页17谐振式测量电路分类：谐振式调幅调幅电路和谐振式调频调频电路。3. 谐振式（调幅、调频）谐振式（调幅、调频）谐振式调幅电路LCT0U传感器电

9、感传感器电感Uv 调幅电路组成传感器电感L与电容C、 变压器初级绕组串联在一起， 组成串联谐振回路，接入交流电源 。v 调幅原理变压器副边输出电压的频率与电源频率相同, 而幅度随原边线圈中L的变化而变化 。图中L0为谐振点的电感值，可见此时电路的输出幅度最大 。该电路灵敏度很高，线性差，适用于线性要求不高的场合。第17页/共83页v 调频电路组成传感器电感L与电容C并联组成振荡回路。谐振式调频电路L传感器电感传感器电感振荡回路Cfv 调频原理LC振荡回路的振荡频率 为LCf210 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。f 与L的关系曲线如右图，它具有明显的非线性关系。

10、电路输出频率变化与传感器的电感值变化有如下关系:L/L)(-(f/f2 谐振式调频电路输出特性有严重的非线性，这种传感器限制在动态范围在较小的情况下使用。因此调频电路只有在谐振频率较大情况下才能达到较高精度。第18页/共83页变变磁阻式传感器的应用磁阻式传感器的应用19 当压力进入膜盒时，膜盒的顶端在压力P 的作用下产生与压力P 大小成正比的位移，于是衔铁也发生移动，从而使气隙发生变化，流过线圈的电流也发生相应的变化，电流表A的指示值就反映了被测压力的大小。第19页/共83页2022-9-120 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

11、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。第20页/共83页21 游标卡尺分辨率为0.02mm; 千分尺分辨率为0.01mm; 电感传感器的分辨率可达0.01m 。新型测量工具设计结构示意图第21页/共83页22互感式传感器：被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器。M1234次级线圈初级线圈v 基本结构 主要包括有衔铁、初级绕组、次级绕组和线圈框架等。次级绕组用差动形式连接，也差动变压器式传感器。

12、 v 工作原理 绕组间的互感随被测位移的改变而变化 。 v 基本类型有变隙式、变面积式和螺线管式等。应用最多的是螺线管式差动变压器。第22页/共83页23v 基本结构 1.初级绕组 2.次级绕组a 3.次级绕组b 4.活动衔铁 5.骨架 v 基本形式根据初、次级排列不同有二节式、三节式、四节式和五节式等形式。12345 (a) 二节式 (b) 三节式 (c) 四节式 (d) 五节式31121 2112212123第23页/共83页242123v 等效电路 两个次级线圈反相串两个次级线圈反相串联，理想条件下等效电路联，理想条件下等效电路如左图。如左图。L1ar2bL2aM1M2L2br2ar1i

13、U0UaE2b2E 衔铁位于中间位置衔铁位于中间位置一次绕组加电压iU二次绕组产生感应电动势 和aE2b2E假设差动变压器线圈完全对称则两线圈的互感系数相等，所以b22EEa00U 衔铁移动时衔铁移动时两线圈的互感系数向相反方向变化，所以00U输出将随衔铁位移大小发生变化第24页/共83页基本基本特性特性25当次级开路时有 则次级绕组中感应电势的表达式分别为 L1ar2bL2aM1M2L2br2ar1iU0UaE2b2E111LjrUIi12IMjEaa22IMjEbb 由于次级两绕组反向串联，且考虑到次级开路，则：11220LjrUMMjEEUibaba第25页/共83页26输出电压的有效值

14、为 21210LrUMMUiba 活动衔铁向上移动MMMaMMMb则212102LrMUUi与 同极性。 aE2 活动衔铁向下移动MMMaMMMb则212102LrMUUi与 同极性。 bE2第26页/共83页2022-9-127差动变压器输出电压的特性曲线 e21e220 xe2第27页/共83页零零点残余点残余电压电压28 当差动变压器的衔铁处于中间位置时，理想条件下其输出电压为零。但实际上，当使用桥式电路时，在零点仍有一个微小的电压值(从零点几mV到数十mV)存在，称为零点残余电压。x-x0e2e20第28页/共83页29零点残余电压产生原因 v 基波分量 由于差动变压器两个次级绕组不可

15、能完全一致，因此它的等效电路参数（互感M、自感L及损耗电阻R）不可能相同，从而使两个次级绕组的感应电动势数值不等。 又因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等因素，使激励电流与所产生的磁通相位不同。 v 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。 另外，激励电流波形失真，因其内含高次谐波分量，这样也将导致零点残余电压中有高次谐波成分。第29页/共83页30减少零点残余电压的措施。选用合适的测量线路。采用相敏检波电路不仅可鉴

16、别衔铁移动方向，而且把衔铁在中间位置时，因高次谐波引起的零点残余电压消除掉。RP(a)RP(b)C第30页/共83页31(c)CR(d)RPR第31页/共83页测量测量电路电路32第32页/共83页331.差动整流电路R2R1abhgcfde+uU0当e点为“”，f点为“”，则电流路径是eacdbf.v工作原理当e点为“”，f点为“+”，则电流路径是fbcdae.无论次级线圈的输出瞬时电压极性如何，通无论次级线圈的输出瞬时电压极性如何，通过电阻过电阻R的电流总是从的电流总是从c到到d。整流电路的输出电压整流电路的输出电压UhgdcUUU0第33页/共83页铁芯在零位铁芯在零位UdctttUgh

17、U2tUdctUghtU2铁芯在零位以上铁芯在零位以上ttUdcUghtU2v 波形hgdcUUU0R2R1abhgcfde+uU0第34页/共83页352.二极管相敏检波电路v电路组成u1u2+R-RD3D2D1D4RRT1T2-+RLuiusu0来自传感器来自传感器参考信号参考信号输出信号输出信号 D1D4为四个性能相同的二极管，以同一方向串联接成一个闭合回路，形成环形电桥。 平衡电阻R起限流作用，以避免二极管导通时变压器T2的次级电流过大。 输入信号ui通过变压器T1加到环形电桥的一个对角线上。参考信号us通过变压器T2加到环形电桥的另一个对角线上。 输出信号uo从变压器T1与T2的中心

18、抽头引出。第35页/共83页36u1u2+R-RD3D2D1D4RRT1T2-+RLuiusu0来自传感器参考信号输出信号v工作原理iLiLT2是中间抽头，u1=u2,流经RL的电流为同理，当ui与us都是负半周，将对应D1和D2导通uiusLRRui1LLRRui2L 第36页/共83页+-u1u2+R-RD3D2D1D4RRT1T2-+RLuiusu0来自传感器参考信号输出信号e1e237iLiLuius同频同相设计要求us的振幅远大于ui的振幅。正半周LRReui21LLRReui2 2L负半周+-+LRReui1 1LLRReui12L第37页/共83页38+-u1u2+R-RD3D2

19、D1D4RRT1T2-+RLuiusu0来自传感器参考信号输出信号e1e2iLiLuius同频反相正半周LRReui21LLRReui2 2L负半周+-+LRReui1 1LLRReui12L第38页/共83页39结论：衔铁在中间位置时，无论参考电压是正半周还是负半周，在负载RL上的输出电压始终为0。衔铁在零位以上移动时，无论参考电压是正半周还是负半周，在负载RL上得到的输出电压始终为正。 衔铁在零位以下移动时，无论参考电压是正半周还是负半周，在负载RL上得到的输出电压始终为负。由此可见，该电路能判别铁芯移动的方向。第39页/共83页应用举例应用举例401、电感测厚仪第40页/共83页412、

20、电感测微仪第41页/共83页42第42页/共83页433、电感压力计4、张力测量控制系统第43页/共83页5.3 5.3 电涡流式传感器电涡流式传感器44 根据法拉第电磁感应定律，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，导体内将产生呈涡流状的感应电流，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传感器。 电涡流传感器结构简单、频率响应宽、灵敏度高、抗干扰能力强、测量线性范围大，而且又具有非接触测量的优点。电涡流传感器可以测量位移、振动、厚度、转速、温度等参数，并且还可以进行无损探伤和制作接近开关。 第44页/共83页工作工作原理原理v 存在交变

21、磁场1、形成涡流的条件v 导体处于交变磁场中2、影响涡流的因素v 金属板的电阻率v 磁导率v 金属板厚度hv 金属板与线圈的距离v 激励电流角频率第45页/共83页等效电路分析等效电路分析v 导体上形成的涡流等效成一个短路环短路环中的电流，中的电流，短路环可以认为是短路环可以认为是一匝短路一匝短路线圈，其电阻为线圈，其电阻为R R2 2、电感为、电感为L L2 2。1、等效电路v 线圈与导体等效为两个相互耦合的线圈。线圈与导体间的互感M随线圈与导体间距x的减小而增大。MMR R1 1L L2 2L L1 1R R2 21I1U2I第46页/共83页2、等效电路分析MMR R1 1L L2 2L

22、 L1 1R R2 21I1U2I根据KVL，可列出下面的方程：022221121111ILjIRIMjUIMjILjIR解方程得等效阻抗的表达式为eqeqLjRLLRMLjRLRMRIUZ222222221222222221111可以看到：v 导体的电阻率、导磁率、线圈与被测体间的距离x，激励线圈的角频率,都通过涡流效应和磁效应影响。控制某些参数不变，只改变其中一个参数，可使线圈阻抗 Z1成为这个参数的单值函数。从而实现对这个参数的测量。 第47页/共83页涡流的分布和强度涡流的分布和强度48 因为金属存在，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

23、径向分布和轴向分布。金属扁平线圈涡流区涡流区r/rosjmaxhrosjv 径向分布 涡流范围与线圈外径有固定比例关系，如图所示。 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 0.4ros 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%。第48页/共83页49v 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。hz10ej0jZjhzzejj/0j0 Z = 0 处金属表面涡流密度(最大） jz 金属表面距离Z

24、处的涡流h 趋肤深度第49页/共83页50 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。 当线圈与导体距离x发生变化时，涡流密度发生变化，电流强度随之变化，根据导体系统的电磁作用得到电流强度为22121osrxxIIx/rosI2/I11.01 2 3 4 要增加测量范围需加大线圈直径，传感器体积增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。这是电涡流传感器应用的局限性。第50页/共83页测量测

25、量电路电路51第51页/共83页521. 交流电桥交流电桥 交流电桥法主要用于两个电涡流线圈组成的差动式传感器。U U0 0交流电桥测量电路交流电桥测量电路L L1 1振荡器振荡器R R1 1R R2 2C C2 2 C C1 1L L2 2检波检波放大放大第52页/共83页532. 调幅式电路调幅式电路石英晶体振荡器起恒流源的作用，给谐振回路提供一个频率f0稳定的激励电流io，LC回路的阻抗为Z时输出电压当金属导体远离传感器线圈时，谐振回路谐振频率f0，回路呈现的阻抗最大，谐振回路上的输出电压也最大。调幅式测量电路原理框图调幅式测量电路原理框图晶体振荡器晶体振荡器L LC C输出输出放大放大

26、检波检波滤波滤波R R当金属导体靠近时，线圈的等效电感L发生变化，导致回路失谐，输出电压降低，L的数值随距离的变化而变化。因此，输出电压也随而变化。第53页/共83页543. 调频式电路调频式电路传感器线圈接入LC振荡回路。当传感器与被测导体距离改变时，在涡流影响下，传感器的电感变化，导致振荡频率的变化。 振荡频率可由数字频率计直接测量，或者通过F-V变换，用数字电压表测量对应的电压。L LC C接频率计接频率计R R2 2R R1 1C C1 1+ +U U调频式测量电路调频式测量电路第54页/共83页电涡流传感器的应用电涡流传感器的应用55第55页/共83页1、测量过程： 电涡流位移传感器

27、是一种输出为模拟电压的电子器件。接通电源后，在电涡流探头的有效面（感应工作面）将产生一个交变磁场。当金属物体接近此感应面时，金属表面将吸取电涡流探头中的高频振荡能量，使振荡器的输出幅度线性地衰减，根据衰减量的变化，可地计算出与被检物体的距离、振动等参数。这种位移传感器属于非接触测量，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，寿命较长，可在各种恶劣条件下使用。一、位移测量一、位移测量第56页/共83页 位移测量包含：偏心、间隙、位置、倾斜、弯曲、变形、移动、圆度、冲击、偏心率、冲程、宽度等等。来自不同应用领域的许多量都可归结为位移或间隙变化。第57页/共83页2 2、位移测量仪外形与探头、位移测量仪外形

28、与探头第58页/共83页第59页/共83页3 3、测量金属薄膜、板材厚度电涡流测厚仪、测量金属薄膜、板材厚度电涡流测厚仪 测量冷轧板厚度第60页/共83页4 4、测量尺寸、公差及零件识别、测量尺寸、公差及零件识别 xx第61页/共83页5 5、位移的标定方法位移的标定方法第62页/共83页二、振动测量二、振动测量1、测量过程： 用多个传感器放在机械不同部位检测，得到各个位置的振幅值和相位值，画出振动波形图，由频谱仪分析输出波形的振幅及频率。xy第63页/共83页 2、测量悬臂梁的振幅及频率第64页/共83页65第65页/共83页第66页/共83页 对桥梁、丝杆等机械结构的振动测量，须使用多个传

29、感器。第67页/共83页三、转速测量三、转速测量 1、测量过程： 若转轴上开z 个槽(或齿)，频率计的读数为f（单位为Hz），则转轴的转速n（单位为r/min）的计算公式为： 60 fnz第68页/共83页 例： 下图中，设齿数z =48，测得频率 f=120Hz，求该齿轮的转速n 。结论： 1500r/min第69页/共83页第70页/共83页四、镀层厚度测量四、镀层厚度测量 1、测量过程： 由于存在集肤效应，镀层或箔层越薄，电涡流越小。测量前，可先用电涡流测厚仪对标准厚度的镀层和铜箔作出“厚度-输出”电压的标定曲线，以便测量时对照。 第71页/共83页x第72页/共83页五、电涡流式通道安

30、全检查门五、电涡流式通道安全检查门 1、测量过程： 安检门的内部设置有发射线圈和接收线圈。当有金属物体通过时，10KHz的音频信号产生的交变磁场就会在该金属导体表面产生电涡流，会在接收线圈中感应出电压，计算机根据感应电压的大小、相位来判定金属物体的大小。在安检门的侧面还安装一台“软x光”扫描仪，它对人体、胶卷无害，用软件处理的方法，可合成完整的光学图像。 第73页/共83页当有金属物体穿当有金属物体穿越安检门时报警越安检门时报警第74页/共83页六、电涡流表面探伤六、电涡流表面探伤 第75页/共83页滚子涡流探伤机第76页/共83页手持式裂纹测量仪进行油管探伤第77页/共83页第78页/共83

31、页第79页/共83页 思考题1、电感式传感器是建立在（电感式传感器是建立在（ ）基础上的，电感式传感器可以把输入的物）基础上的，电感式传感器可以把输入的物理量转换为线圈的（理量转换为线圈的（ ）或）或（ ） 的变化，的变化， 并通过测量电路进一步转换为电并通过测量电路进一步转换为电量的变化，进而实现非电量的测量。量的变化，进而实现非电量的测量。2、对自感式传感器，当气隙变小时，电感（ ） ，对交流电的阻碍能力变，对交流电的阻碍能力变大，电流变小。大，电流变小。3、电涡流效应既与被测体的电涡流效应既与被测体的（ ） 、磁导率、磁导率以及以及（ ） 有关，又与线圈几有关，又与线圈几何参数、线圈中激

32、磁电流频率有关，还与何参数、线圈中激磁电流频率有关，还与（ ）有关。如果保持其他参数不有关。如果保持其他参数不变，而变，而（ ） ，传感器线圈阻抗，传感器线圈阻抗Z就仅仅是这个参数的单值函数。通过与传就仅仅是这个参数的单值函数。通过与传感器配用的测量电路测出阻抗感器配用的测量电路测出阻抗Z的变化量，即可实现对该参数的测量。的变化量，即可实现对该参数的测量。第80页/共83页人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。第81页/共83页第82页/共83页83感谢您的观看！第83页/共83页