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1、第四章 电感式传感器第一页，本课件共有29页本章主要内容本章主要内容掌握自感式传感器的工作原理，了解其分类掌握自感式传感器的工作原理，了解其分类掌握自感式传感器的等效电路和测量电路掌握自感式传感器的等效电路和测量电路熟悉差动变压器的工作原理熟悉差动变压器的工作原理了解差动变压器的测量电路了解差动变压器的测量电路了解电涡流式传感器的工作原理了解电涡流式传感器的工作原理熟悉电感式传感器的主要应用熟悉电感式传感器的主要应用第二页，本课件共有29页4.1 4.1 自感式传感器自感式传感器有气隙型和螺管型两种结构。4.1.14.1.1气隙型自感传感器气隙型自感传感器1 1、工作原理、工作原理组成：线圈1
2、，衔铁3和铁芯2等。图中点划线表示磁路，磁路中空气隙总长度为l。0.5l123x(a)气隙式(b)变截面式变化曲线示意图第三页，本课件共有29页N：线圈匝数；Rm：磁路总磁阻(铁芯与衔铁磁阻和空气隙磁阻)气隙式自感传感器，因为气隙较小(l为0.11mm)，所以，认为气隙磁场是均匀的，若忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为 l1：铁芯磁路总长；l2：衔铁的磁路长；S：隙磁通截面积；S1：铁芯横截面积；S2：衔铁横截面积；1：铁芯磁导率；2：衔铁磁导率；0：真空磁导率，0=410-7Hm；l：空气隙总长。由磁路基本知识知，线圈自感为简化得：第四页，本课件共有29页2 2、特性分析、特性分析主要特性:灵敏度
3、和线性度灵敏度和线性度。若忽略高次项，则自感变化灵敏度为：lLL1L2 L0l0结论：当气隙l发生变化时，自感的变化与气隙变化均呈非线性关系，其非线性程度随气隙相对变化l/l的增大而增加；气隙减少l所引起的自感变化L1与气隙增加同样l所引起的自感变化L2并不相等，即L1L2，其差值随l/l的增加而增大。第五页，本课件共有29页差动差动变隙式电感传感器变隙式电感传感器 当衔铁向上移动时，两个线圈的电感变化量L1、L2 对上式进行线性处理，即忽略高次项得 灵敏度k0为 结论：结论：（1 1）差动变间隙式自感传感器的灵敏度是单线圈式传感器的）差动变间隙式自感传感器的灵敏度是单线圈式传感器的两倍两倍。
4、（2 2）单线圈是忽略）单线圈是忽略 以上高次项，差动式是忽略以上高次项，差动式是忽略 以上高次项，以上高次项，因此差动式自感式传感器因此差动式自感式传感器线性度得到明显改善线性度得到明显改善。第六页，本课件共有29页4.1.24.1.2 螺管型自感传感器螺管型自感传感器有单线圈和差动式两种结构形式。单线圈螺管型传感器的主要元件为一只螺管线圈和一根圆柱形铁芯。传感器工作时，因铁芯在线圈中伸入长度的变化，引起螺管线圈自感值的变化。当用恒流源激励时，则线圈的输出电压与铁芯的位移量有关。螺管线圈内磁场分布曲线rxl1.00.80.60.40.20.20.40.60.81.0H（）INlx（l）结论：
5、结论：1.在线圈在线圈中段中段才有可能获得较高的灵敏度，并且有较好的线性特性。才有可能获得较高的灵敏度，并且有较好的线性特性。单线圈螺管型传感器第七页，本课件共有29页为了提高灵敏度与线性度,常采用差动螺管式自感传感器。2lclc2l线圈线圈r0.80.60.40.20.20.40.60.8-0.80.80.41.2-1.2-0.4xH（）INl差动螺旋管式自感传感器(b)磁场分布曲线x(l)(a)(a)结构示意图结论：1.为了得到较好的线性,铁芯长度取0.6l时,则铁芯工作在H曲线的拐弯处,此时H变化小。特点：这种差动螺管式自感传感器的测量范围为(550)mm,非线性误差在0.5左右。第八页
6、，本课件共有29页4.1.3 4.1.3 自感线圈的等效电路自感线圈的等效电路 假设自感线圈为一理想纯电感，但实际传感器中包括：线圈的铜损电阻线圈的铜损电阻（Rc）、铁芯的涡流损耗电阻铁芯的涡流损耗电阻（Re）和线圈的寄生电容线圈的寄生电容（C）。CLRcRe自感传感器的等效电路第九页，本课件共有29页4.1.4测量电路测量电路1 1、交流电桥、交流电桥交流电桥是自感传感器的主要测量电路，为了提高灵敏度，改善线性度，自感线圈一般接成差动形式，如图。Z1、Z2为工作臂，即线圈阻抗，R1、R2为电桥的平衡臂 电桥平衡条件：设Z1=Z2=Z=RS+jL；R1=R2=R RS1=RS2=RS；L1=L
7、2=LE为桥路电源，ZL是负载阻抗。工作时，Z1=Z+Z和Z2=Z-ZZLR1R2Z2Z1L1L2RS1RS2交流电桥原理图USCE第十页，本课件共有29页Z1Z2USCE/2E/2E变压器电桥原理图I2 2、变压器电桥、变压器电桥平衡臂为变压器的两个副边，当负载阻抗为无穷大时，流入工作臂的电流为 变压器电桥的输出电压幅值优点优点：与电阻平衡电桥相比，元件少，输出阻抗小，桥路开路时电路呈线性；缺点缺点：变压器副边不接地，易引起来自原边的静电感应电压，使高增益放大器不能工作。第十一页，本课件共有29页1.1.1.1.自感式位移自感式位移自感式位移自感式位移传传感器感器感器感器 1 传感器引线 2
8、 铁心套筒 3 磁芯 4 电 感 线 圈 5 弹 簧 6 防转件 7 滚 珠 导 轨 8 测杆 9 密封件 10玛瑙测端 4.1.5自感式传感器的应用自感式传感器的应用第十二页，本课件共有29页2.2.自感式自感式压力力传感器感器 变隙式自感压力传感器结构图 变隙差动式电感压力传感器 4.1.5自感式传感器的应用自感式传感器的应用第十三页，本课件共有29页4.2 4.2 差动变压器差动变压器4.2.1结构原理与等效电路结构原理与等效电路分气隙型和差动变压器两种。目前多采用螺管型差动变压器。1 初级线圈;2.3次级线圈;4衔铁1243123(a)气隙型(b)螺管型基本元件有衔铁、初级线圈、次级线
9、圈和线圈框架等。第十四页，本课件共有29页e2R21R22e21e22e1R1M1M2L21L22L1 e1初级线圈激励电压L1,R1初级线圈电感和电阻M1,M1分别为初级与次级线圈1,2间的互感L21,L22两个次级线圈的电感R21,R22两个次级线圈的电阻I1根据原理图可得：在次级线圈中感应出电压e21和e22，其值分别为空载输出电压幅值输出阻抗第十五页，本课件共有29页副0e2e2e21e22x副原线圈差动变压器输出电势e2与衔铁位移x的关系。其中x表示衔铁偏离中心位置的距离。第十六页，本课件共有29页4.2.24.2.2 误差因素分析误差因素分析1 1、激励电压幅值与频率的影响、激励电
10、压幅值与频率的影响激励电源电压幅值的波动，会使线圈激励磁场的磁通发生变化，直接影响输出电势。而频率的波动，只要适当地选择频率，其影响不大。2 2、温度变化的影响、温度变化的影响周围环境温度的变化，引起线圈及导磁体磁导率的变化，从而使线圈磁场发生变化产生温度漂移。当线圈品质因数较低时，影响更为严重，因此，采用恒流源激励比恒压源激励有利。适当提高线圈品质因数并采用差动电桥可以减少温度的影响。3 3、零点残余电压、零点残余电压 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。如图是扩大
11、了的零点残余电压的输出特性。零点残余电压的存在造成零点附近的不灵敏区；零点残余电压输入放大器内会使放大器末级趋向饱和，影响电路正常工作等。第十七页，本课件共有29页1 基波正交分量 2 基波同相分量 3 二次谐波 4 三次谐波 5 电磁干扰ee1e20e2012345(a)残余电压的波形(b)波形分析tt图中e1为差动变压器初级的激励电压，e20包含基波同相成分、基波正交成分，二次及三次谐波和幅值较小的电磁干扰等。0e2x-xe20第十八页，本课件共有29页4.2.3 4.2.3 测量电路测量电路用交流电压表不能测得方向，因此常采用差动整流电路和相敏检波电路进行测量，取得衔铁位移的大小和移动的
12、方向。（1 1）差动整流电路）差动整流电路当f点为“”，e点为“”，则电流路径是fgdche）。当f点为“”，e点为“”，则电流路径是ehdcgf。e1RRcabhfdeUSC衔铁在零位以下eabttteabttteabtecdtUSCtecdUSCUSCecd衔铁在零位以上衔铁在零位第十九页，本课件共有29页（2 2）相敏检波电路）相敏检波电路容易做到输出平衡，便于阻抗匹配。图中调制电压er和e同频，经过移相器使er和e保持同相或反相，且满足ere。调节电位器R可调平衡，图中电阻R1=R2=R0，电容C1=C2=C0，输出电压为UCD。当铁芯在中间时,e=0,只有er起作用，输出电压UCD0
13、。若铁芯上移，e0，设e和er同相位，由于ere，故er正半周时D1、D2仍导通，但D1回路内总电势为ere，而D2回路内总电势为ere，故回路电流i1i2输出电压UCD=R0（i1i2）0。当er负半周时，Ri1e1R1R2e21e22C2C1er移相器D1D4D3D2CDABi3i2i4eUCD=R0(i4-i3)0，因此铁芯上移时输出电压UCD0。当铁芯下移时，e和er相位相反。同理可得UCD0。由此可见，该电路能判别铁芯移动的方向。第二十页，本课件共有29页4.2.4 4.2.4 应用应用可用于测量振动、厚度、应变、压力、加速度等各种物理量。1.1.差动变压器式加速度传感器差动变压器式
14、加速度传感器用于测定振动物体的频率和振幅时其激磁频率必须是振动频率的十倍以上，才能得到精确的测量结果。可测量的振幅为(0.15)mm，振动频率为(0150)Hz。稳压电源振荡器检波器滤波器(b)(a)220V加速度a方向a输出1211 弹性支承 2 差动变压器第二十一页，本课件共有29页2.2.微压力变送器微压力变送器将差动变压器和弹性敏感元件（膜片、膜盒和弹簧管等）相结合，可以组成各种形式的压力传感器。220V1接头 2 膜盒 3 底座 4 线路板 5 差动变压器 6 衔铁 7 罩壳V振荡器稳压电源差动变压器相敏检波电路1234567这种变送器可分档测量(5105105 56106105 5
15、)N/m)N/m2 2压力，输出信号电压为(0(050)mV50)mV，精度为1.5级。第二十二页，本课件共有29页4.3 4.3 电涡流式传感器电涡流式传感器 当导体置于交变磁场或在磁场中运动时，导体上引起感生电流ie，此电流在导体内闭合，称为涡流。涡流大小与导导体体电电阻阻率率、磁磁导导率率以及产生交变磁场的线圈与被测体之间距距离离x，线圈激励电流的频频率率f有关。显然磁场变化频率愈高，涡流的集肤效应愈显著。即涡流穿透深度愈小，其穿透深度h可表示 导体电阻率(cm)；r导体相对磁导率；f交变磁场频率(Hz)。可见，涡流穿透深度h和激励电流频率f有关，所以涡流传感器根据激励频率：高频反射式高
16、频反射式或低频透射低频透射式两类。目前高频反射式电涡流传感器应用广泛。第二十三页，本课件共有29页（一）（一）结构和工作原理结构和工作原理主要由一个安置在框架上的扁平圆形线圈构成。此线圈可以粘贴于框架上，或在框架上开一条槽沟，将导线绕在槽内。下图为CZF1型涡流传感器的结构原理，它采取将导线绕在聚四氟乙烯框架窄槽内，形成线圈的结构方式。1234561 线圈 2 框架 3 衬套4 支架 5 电缆 6 插头iedM电涡流传感器原理图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。第二十四页，本课件共有29页低频投射式和高频反射式动画第二十五页，
17、本课件共有29页4.4电感式传感器的典型应用电感式传感器的典型应用 4.4.1位移测量位移测量 induNCDT系列位移传感器系列位移传感器 如图是induNCDT系列位移传感器的外形图，它主要用于位移，振动，转速测量。传感器的前置放大器被集成安装在传感器壳体里，其输出信号与测量位移成正比。在传感器测量量程内线性精度优于2%。induNCDT系列位移传感器的外形图系列位移传感器的外形图 第二十六页，本课件共有29页4.4.2振动检测振动检测 RS9300RS9300低频振动速度传感器低频振动速度传感器 RS9300低频振动传感器属于惯性式传感器。利用磁电感应原理把振动信号变换成电信号。主要由磁
18、路系统、惯性质量、弹簧阻尼等部分组成。在传感器壳体中刚性地固定着磁铁，惯性质量（线圈组件）用弹簧元件悬挂于壳体上。工作时，将传感器安装在机器上，在机器振动时，在传感器工作频率范围内，线圈与磁铁相对运动、切割磁力线，在线圈内产生感应电压，该电压信号正比于被测物体的振动速度值，对该信号进行积分放大处理即可得到位移信号。RS9300低频振动传感器低频振动传感器 第二十七页，本课件共有29页Coiled TubeEddy Sensor Reference Circle原理：原理：4.4.3连续油管的椭圆度测量连续油管的椭圆度测量4.4.44.4.4.电感式滚柱直径分选装置电感式滚柱直径分选装置第二十八页，本课件共有29页4.4.5 4.4.5 无损探伤无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。火车轮检测火车轮检测油管检测油管检测第二十九页，本课件共有29页