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1、电磁电磁感应感应 被测非电量被测非电量自感系数自感系数L L互感系数互感系数MM测量测量电路电路UU、I I、f f 第4章 电感式传感器 uu电感式传感器的定义电感式传感器的定义 一种利用线圈自感和互感的变化实现非电量电测的装置。一种利用线圈自感和互感的变化实现非电量电测的装置。uu电感式传感器的感测量电感式传感器的感测量 位移、振动、压力、应变、流量、比重等。位移、振动、压力、应变、流量、比重等。uu电感式传感器的种类电感式传感器的种类 根根据据转转换换原原理理：自自感感式式（変変磁磁阻阻式式）、互互感感式式（差差动动变变压压器式）、电涡流式三种；器式）、电涡流式三种；根据结构形式：根据结
2、构形式：气隙型、面积型和螺管型。气隙型、面积型和螺管型。第1页/共85页 第4章 电感式传感器 uu电感式传感器的优点电感式传感器的优点 结构简单、可靠结构简单、可靠 分辨率高分辨率高 机械位移机械位移0.1m0.1m，甚至更小；角位移，甚至更小；角位移0.10.1角秒。角秒。输出信号强，电压灵敏度可达数百输出信号强，电压灵敏度可达数百mV/mm mV/mm。重复性好，线性度优良重复性好，线性度优良 在几十在几十mm到数百到数百mmmm的位移范围内，输出特性的线性度较好，的位移范围内，输出特性的线性度较好，且比较稳定。且比较稳定。能实现远距离传输、记录、显示和控制能实现远距离传输、记录、显示和
3、控制uu电感式传感器的不足电感式传感器的不足 存在交流零位信号，不宜高频动态测量。存在交流零位信号，不宜高频动态测量。第2页/共85页 第4章 电感式传感器 4.1 变磁阻式电感传感器4.2 差动变压器式电感传感器4.3 电涡流式传感器4.4 电感式传感器的应用第3页/共85页一、变磁阻式传感器工作原理二、变磁阻式传感器基本类型三、变截面式自感传感器输出特性四、变间隙式自感传感器输出特性五、差动式自感传感器六、自感式传感器的等效电路七、自感式传感器的测量电路4.1 变磁阻式电感传感器第4页/共85页变磁阻式传感器即自感式电感传感器：利用线圈自感量的变化来实现测量的。传感器结构：线圈、铁芯和衔铁
4、三部分组成。一、变磁阻式传感器工作原理一、变磁阻式传感器工作原理4.1 变磁阻式电感传感器线圈中电感量：线圈铁芯衔铁工作原理：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。当被测量变化时，使衔铁产生位移，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感量变化。因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。总磁阻总磁阻线圈匝线圈匝数数第5页/共85页一、变磁阻式传感器工作原理一、变磁阻式传感器工作原理4.1 变磁阻式电感传感器磁导率磁导率H/mH/muu气气隙隙截截面面积积A A保保持持不不变变，则则L L为为 的的单单值
5、值函函数，构成数，构成变气隙厚度式自感传感器变气隙厚度式自感传感器。uu保保持持气气隙隙间间距距 不不变变，A A随随被被测测量量（如如位位移）变化，构成移）变化，构成变气隙面积式自感传感器变气隙面积式自感传感器。线圈铁芯衔铁l1l2第6页/共85页一、变磁阻式传感器工作原理二、变磁阻式传感器基本类型三、变截面式自感传感器输出特性四、变间隙式自感传感器输出特性五、差动式自感传感器六、自感式传感器的等效电路七、自感式传感器的测量电路4.1 变磁阻式电感传感器第7页/共85页变磁阻式传感器即自感式电感传感器的基本类型：二、变磁阻式传感器基本类型二、变磁阻式传感器基本类型4.1 变磁阻式电感传感器线
6、圈铁芯衔铁（1）变气隙厚度式（2）变气隙面积式变截面式和螺管式变气隙变气隙厚度式厚度式螺管螺管式式线圈铁芯衔铁衔铁移动方向变气变气隙截隙截面式面式第8页/共85页一、变磁阻式传感器工作原理二、变磁阻式传感器基本类型三、变截面式自感传感器输出特性四、变间隙式自感传感器输出特性五、差动式自感传感器六、自感式传感器的等效电路七、自感式传感器的测量电路4.1 变磁阻式电感传感器第9页/共85页三、变截面式自感传感器输出特性三、变截面式自感传感器输出特性4.1 变磁阻式电感传感器气隙截面面积A0时自感系数当传感器截面增加A时，则输出电感为线圈铁芯衔铁衔铁移动方向因此，输出电感的变化与截面面积的变化成线性
7、关系。第10页/共85页三、变截面式自感传感器输出特性三、变截面式自感传感器输出特性4.1 变磁阻式电感传感器当传感器截面减小A时，同理有线圈铁芯衔铁衔铁移动方向输出电感灵敏度与初始截面面积的成反比关系。因此既可确定衔铁位移量的大小又可确定方向。输出电感灵敏度第11页/共85页三、变截面式自感传感器的输出特性三、变截面式自感传感器的输出特性4.1 变磁阻式电感传感器第12页/共85页一、变磁阻式传感器工作原理二、变磁阻式传感器基本类型三、变截面式自感传感器输出特性四、变间隙式自感传感器输出特性五、差动式自感传感器六、自感式传感器的等效电路七、自感式传感器的测量电路4.1 变磁阻式电感传感器第1
8、3页/共85页四、变间隙式自感传感器输出特性四、变间隙式自感传感器输出特性4.1 变磁阻式电感传感器线圈铁芯衔铁气隙厚度0时自感系数当衔铁上移时，传感器气隙减小，即=0-，则输出电感为第14页/共85页四、变间隙式自感传感器输出特性四、变间隙式自感传感器输出特性4.1 变磁阻式电感传感器线圈铁芯衔铁当/0R，则有Z1+Z2j(L1+L2)电感式传感器的测量电路：交流电桥、变压器式交流电桥以及谐振式等。1、交流电桥式测量电路第23页/共85页电桥输出电压为七、自感式传感器的测量电路七、自感式传感器的测量电路4.1 变磁阻式电感传感器线性处理后电桥输出电压为1、交流电桥式测量电路差动式传感器的电感
9、灵敏度K0为 变间隙差动式电感传感器的灵敏度是单线圈式的两倍。差动式的线性度明显改善。输出电压与成正比。第24页/共85页曲线1、2为两线圈各自电感特性；曲线3为两线圈差接时的电感特性；曲线4为差接后电桥输出电压与衔铁位移的特性曲线。七、自感式传感器的测量电路七、自感式传感器的测量电路4.1 变磁阻式电感传感器1、交流电桥式测量电路U0L/mH/mmL043211234-电桥输出特性：电桥输出电压大小与衔铁位移量有关，相位与衔铁移动方向有关。若设衔铁向上移动为负，则U0为负；衔铁向下移动为正，则U0为正，相位差180。第25页/共85页变压器式交流电桥测量电路，电桥两桥臂分别为传感器两线圈的阻
10、抗，另外两桥臂分别为电源变压器的两次级线圈，其阻抗为次级线圈总阻抗的一半。七、自感式传感器的测量电路七、自感式传感器的测量电路4.1 变磁阻式电感传感器2、变压器式交流电桥测量时被测件与传感器衔铁相连，当衔铁处于中间位置，即Z1=Z2=Z时电桥输出电压为零，电桥平衡。Z1Z2IABCD当负载阻抗为无穷大时，桥路输出电压为 第26页/共85页当传感器衔铁上移时，Z1=Z+Z，Z2=Z-Z，若线圈的Q值很高，损耗电阻可忽略，则桥路输出电压为 七、自感式传感器的测量电路七、自感式传感器的测量电路4.1 变磁阻式电感传感器2、变压器式交流电桥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。要
11、判断衔铁方向需要经过相敏检波电路的处理。Z1Z2IABCD当传感器衔铁下移时，Z1=Z-Z，Z2=Z+Z，桥路输出电压为 第27页/共85页七、自感式传感器的测量电路七、自感式传感器的测量电路4.1 变磁阻式电感传感器2、变压器式交流电桥第28页/共85页 衔铁中间位置七、自感式传感器的测量电路七、自感式传感器的测量电路4.1 变磁阻式电感传感器3、相敏检波测量电路 衔铁上移L1增大，自感电动势增加；L2减小，自感电动势减少。正半周E点电势高，F点低通路EJGF，UG降低通路EKHF，UH升高负半周F点电势高，E点低通路EJHF，UG降低通路EKGF，UH升高结论：无论是正半周还是负半周，衔铁
12、上移时UGUH。衔铁下移时，UGUH;衔铁上移时，UGU68，U20；衔铁下移时，U24U68，U20。U2的正负表示衔铁位移方向;U2的大小表示衔铁位移大小。差动整流电路具有结构简单,不需要考虑相位调整和零点残余电压的影响,分布电容影响小和便于远距离传输等优点，因而获得广泛应用。第55页/共85页一、螺线管式差动变压器二、变隙式差动变压器三、差动变压器式传感器测量电路4.2 差动变压器式电感传感器第56页/共85页 第4章 电感式传感器 4.1 变磁阻式电感传感器4.2 差动变压器式电感传感器4.3 电涡流式传感器4.4 电感式传感器的应用第57页/共85页一、电涡流式传感器基本原理二、电涡
13、流式传感器输出特性三、电涡流式传感器基本类型四、电涡流式传感器测量电路4.3 电涡流式传感器 第58页/共85页一、电涡流式传感器基本原理一、电涡流式传感器基本原理涡流式传感器的基本原理：利用金属导体在交流磁场中的电涡流效应。电涡流：若一金属板置于一只线圈的附近，当线圈输入一交变电流 时，便产生交变磁通量，金属板在此交变磁场中会产生感应电流，这种电流在金属体内是闭合的，称之为电涡流或涡流。若固定某些参数，就可根据涡流的变化测量另一个参数。4.3 电涡流式传感器 涡流的大小与金属板的电阻率、磁导率、厚度h、金属板与线圈的距离、激励电流角频率等参数有关。激励线圈金属导体第59页/共85页一、电涡流
14、式传感器基本原理二、电涡流式传感器输出特性三、电涡流式传感器基本类型四、电涡流式传感器测量电路4.3 电涡流式传感器 第60页/共85页二、电涡流式传感器输出特性二、电涡流式传感器输出特性被测导体上形成的电涡流等效成一个短路环中的电流，短路环可认为是一匝短路线圈，电阻为R2、电感为L2。线圈与被测导体等效为两个相互耦合的线圈。线圈与导体间存在一个互感M，随线圈与导体间距的减小而增大。电涡流式传感器等效电路4.3 电涡流式传感器 根据基尔霍夫第二定律，有1、等效电路第61页/共85页二、电涡流式传感器输出特性二、电涡流式传感器输出特性解方程得等效阻抗的表达式为线圈受电涡流影响后的等效电感 4.3
15、 电涡流式传感器 线圈受电涡流影响后的等效电阻 2、等效阻抗与品质因数线圈等效品质因数 特性参数影响因素：Q：L2,R2,L1,R1,MReq、Leq、Q是M2的函数第62页/共85页一、电涡流式传感器基本原理二、电涡流式传感器输出特性三、电涡流式传感器基本类型四、电涡流式传感器测量电路4.3 电涡流式传感器 第63页/共85页三、电涡流式传感器的基本类型三、电涡流式传感器的基本类型电涡流式传感器可分为高频反射式和低频透射式两类。4.3 电涡流式传感器 高频信号激励传感器线圈产生高频交变磁场，当被测导体靠近线圈时，产生电涡流，而电涡流又产生一交变磁场阻碍外磁场的变化。1、高频反射式从能量角度分
16、析，被测导体内存在着电涡流损耗，使传感器的Q值和等效阻抗Z降低。当被测体与传感器间距离改变时，传感器的Q和Z、电感L均发生变化，位移量转换成电量。第64页/共85页三、电涡流式传感器基本类型三、电涡流式传感器基本类型4.3 电涡流式传感器 发射线圈和接收线圈置于被测金属板上下方。当低频电压加到线圈1的两端后，产生磁场线的一部分透过金属板，使线圈2产生感应电动势。但涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势减少，当金属板越厚时，损耗的能量越大，输出电动势越小。2、低频透射式电动势的大小与金属板的厚度及材料的性质有关。电动势随材料厚度的增加按负指数规律减少。若金属板材料的性质一定，即可测厚度。第65页/共
17、85页一、电涡流式传感器基本原理二、电涡流式传感器输出特性三、电涡流式传感器基本类型四、电涡流式传感器测量电路4.3 电涡流式传感器 第66页/共85页三、电涡流式传感器测量电路三、电涡流式传感器测量电路1、调频式电路 电涡流传感器的测量电路主要有调频式、调幅式电路和交流电桥等。传感器线圈接入振荡回路，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。4.3 电涡流式传感器 频率变化是距离的函数，频率可由数字频率计直接测量，或通过频率电压变换，用电压表测量对应的电压。第67页/共85页三、电涡流式传感器测量电路三、电涡流式传感器测量电路2、调幅式电路 传感器线圈
18、L、电容器C和石英晶体组成石英晶体振荡电路。当金属导体远离传感器线圈时，谐振回路谐振频率fo，回路呈现的阻抗最大，谐振回路上的输出电压也最大；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。4.3 电涡流式传感器 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时输出电压第68页/共85页一、电涡流式传感器基本原理二、电涡流式传感器输出特性三、电涡流式传感器基本类型四、电涡流式传感器测量电路4.3 电涡流式传感器 第69页/共85页 第4章 电感式传感器 4.1 变磁阻式
19、电感传感器4.2 差动变压器式电感传感器4.3 电涡流式传感器4.4 电感式传感器的应用第70页/共85页载有交变电流的线圈产生交变磁场Hp，金属物平面感应出电涡流，产生交变涡流磁场Hs，均在检测线圈（反向差动线圈）中产生感应电动势。一、电涡流式传感器应用一、电涡流式传感器应用4.4 电感式传感器的应用1、无损金属材料探伤 被测金属物上无缺陷穿过检测线圈的两个线圈的磁通量相等，感应电势相互抵消，输出为零。第71页/共85页一、电涡流式传感器应用一、电涡流式传感器应用4.4 电感式传感器的应用1、无损金属材料探伤 被测金属物上有缺陷穿过两个检测线圈的磁通量不相等，检测线圈输出感应电势不为零。幅值
20、甄别电路信号幅值甄别电路信号处理后幅值甄别电路信号处理后幅值甄别电路信号第72页/共85页量 程：0 30mm分辨率：0.1%一、电涡流式传感器应用一、电涡流式传感器应用4.4 电感式传感器的应用2、测量位移液位监控系统3、测量位移汽轮机主轴的轴向窜动第73页/共85页薄膜厚度：d=X0-X等效电感：L=L0-L一、电涡流式传感器应用一、电涡流式传感器应用4.4 电感式传感器的应用4、测量转速5、测量薄膜厚度齿轮齿数第74页/共85页一、电涡流式传感器应用一、电涡流式传感器应用4.4 电感式传感器的应用6、测量板材厚度第75页/共85页一、电涡流式传感器应用一、电涡流式传感器应用4.4 电感式
21、传感器的应用7、生产工件计数第76页/共85页一、电涡流式传感器应用一、电涡流式传感器应用4.4 电感式传感器的应用8、接近传感器第77页/共85页一、电涡流式传感器应用一、电涡流式传感器应用4.4 电感式传感器的应用8、接近传感器接近开关专用集成电路SC205第78页/共85页动态测量范围：1mm分 辨 率：1um精 度：3%二、自感和互感式传感器应用二、自感和互感式传感器应用4.4 电感式传感器的应用1、电感测微仪探头测量电桥交流放大相敏检波指示器振荡器第79页/共85页二、自感和互感式传感器应用二、自感和互感式传感器应用4.4 电感式传感器的应用2、电感压力传感器A1234567微压传感器1 接头；2 膜盒；3 底座；4 线路板；5 差动变压器；6 衔铁；7 罩壳第80页/共85页二、自感和互感式传感器应用二、自感和互感式传感器应用4.4 电感式传感器的应用3、电感式滚珠直径分选第81页/共85页 第4章 电感式传感器 4.1 变磁阻式电感传感器4.2 差动变压器式电感传感器4.3 电涡流式传感器4.4 电感式传感器的应用第82页/共85页第四章第四章作 业第二版教材86-87页：练习题：4-2，4-4，4-9第三版教材84-85页：练习题：4-2，4-4，4-10第83页/共85页第四章结束第四章结束谢谢合作！第84页/共85页感谢您的观看！第85页/共85页