第四章电感式传感器.

传感器原理及工程应用第4章电感式传感器主要内容：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电涡流式传感器传感器原理及工程应用第4章电感式传感器自感传感器测量电桥放大器相敏检波滤波器振荡器输出传感器原理及工程应用第4章电感式传感器4.1变磁阻式传感器（自感式）4.1.4变磁阻式传感器的应用4.2差动变压器式传感器（互感式）4.2.1工作原理.把被测的非电量变化转换成为线圈互感量的变化的传感器称为互感式传感器。这种传感器根据变压器的基本原理制成，并将次级线圈绕组用差动形式连接。差动变压器的结构形式较多，应用最多的是螺线管式差动变压器。它可测量1—100mm范围内的机械位移。次级次级骨架初级衔铁次级次级初级传感器原理及工程应用第4章电感式传感器4.2差动变压器式传感器（互感式）4.2.1工作原理当衔铁上下移动时，输出电压随衔铁位移变化。12MM若衔铁上移21MM若衔铁下移传感器原理及工程应用第4章电感式传感器022abUEE4.2差动变压器式传感器（互感式）4.2.2基本特性由此得到输出电压有效值为：12022221111()2()()UMMUMUrLrL可见输出电压与互感的差值有关211aEjMI221bEjMI根据电磁感应定律，次级感应电动势分别为传感器原理及工程应用第4章电感式传感器差动变压器输出电压：02211111211()abUEEjMIjMIjMMUrjL111UIrjL（无法判断位移的方向）差动变压器随衔铁的位移输出一个调幅波，因而用电压表来测量存在下述问题：①总有零位电压输出，因而零位附近的小位移测量困难。②交流电压表无法判别衔铁移动方向，为此常采用必要的测量电路来解决。传感器原理及工程应用第4章电感式传感器4.2差动变压器式传感器（互感式）4.2.4差动变压器式传感器及测量电路相敏检测电路差动整流电路4.2差动变压器式传感器（互感式）4.2.4差动变压器式传感器及测量电路差动变压器输出交流信号。为正确反映衔铁位移大小和方向，常采用差动整流电路和相敏检波电路。（1）差动整流电路，输入一交流信号时传感器原理及工程应用第4章电感式传感器1）差动整流电路U0差动整流后输出特性传感器原理及工程应用第4章电感式传感器4.2差动变压器式传感器（互感式）4.2.4差动变压器式传感器及测量电路1）差动整流电路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，获得广泛的应用。4.2差动变压器式传感器（互感式）4.2.4差动变压器式传感器及测量电路传感器原理及工程应用第4章电感式传感器2）相敏检波电路传感器原理及工程应用第4章电感式传感器4.2差动变压器式传感器（互感式）4.2.4差动变压器式传感器及测量电路2）相敏检波电路22201201(2)2(2)LLLLLLRURUuRnRRRRUunRRa)相敏检波电路原理图；b)us、u2为正半周时等效电路；c)us、u2为负半周时等效电路相敏检波电路波形(a）被测位移变化波形图；(b)差动变压器激励电压波形；(c)差动变压器输出电压波形；(d)相敏检波解调电压波形；(e)相敏检波输出电压波形4.2差动变压器式传感器（互感式）4.2.4差动变压器式传感器及测量电路相敏检波后的输出特性：由①→②，工作曲线为过零点的直线。相敏检波前后输出特性传感器原理及工程应用第4章电感式传感器传感器辨向解调放大器滤波器振荡器输出4.2差动变压器式传感器（互感式）传感器原理及工程应用第4章电感式传感器4.2差动变压器式传感器（互感式）差动变压器结构形式传感器原理及工程应用第4章电感式传感器4.2差动变压器式传感器（互感式）差动变压器传感器的应用传感器原理及工程应用第4章电感式传感器差动变压器式传感器可直接用于位移测量，也可以用来测量与位移有关的任何机械量，如振动，加速度，应变等等。（1）压差计当压差变化时，腔内膜片位移使差动变压器次级电压发生变化，输出与位移成正比，与压差成正比。传感器原理及工程应用第4章电感式传感器4.2差动变压器式传感器（互感式）差动变压器传感器的应用:4.2差动变压器式传感器（互感式）4.2.5应用举例（2）液位测量沉筒式液位计将水位变化转换成位移变化，再转换为电感的变化，差动变压器的输出反映液位高低。传感器原理及工程应用第4章电感式传感器传感器原理及工程应用第4章电感式传感器4.2差动变压器式传感器（互感式）4.2.5应用举例（3）加速度测量1－悬臂梁；2－差动变压器4.3电涡流式传感器由法拉第电磁感应原理可知：一个块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作用切割磁力线运动时，导体内部会产生一圈圈闭合的电流，这种电流叫电涡流，这种现象叫做电涡流效应。•根据电涡流效应制作的传感器称电涡流传感器;•电涡流传感器能够对被测量进行非接触测量;•电涡流传感器具有结构简单、频率响应快、灵敏度高、测量线性范围大、体积小等优点。•形成电涡流必须具备两个条件：①存在交变磁场②导电体处于交变磁场中传感器原理及工程应用第4章电感式传感器4.3电涡流式传感器4.3.1工作原理把一个扁平线圈置于金属导体附近，当线圈中通以交变电流I1时，线圈周围空间产生交变磁场H1，当金属导体靠近交变磁场中时，导体内部就会产生涡流I2，这个涡流同样产生反抗H1的交变磁场H2。从而导致线圈的电感量、阻抗和品质因数发生变化。一般讲，线圈的阻抗与导体的电导率、磁导率、几何形状、线圈的几何参数、激励电源的频率以及线圈到被测导体间的距离有关。传感器原理及工程应用第4章电感式传感器传感器原理及工程应用第4章电感式传感器4.3电涡流式传感器4.3.1工作原理高频反射式涡流传感器：当高频信号施加于电感线圈上时，由于趋肤效应，高频电磁场不能透过具有一定厚度的金属板，而仅作用于表面的薄层内。hf低频透射式涡流传感器传感器原理及工程应用第4章电感式传感器4.3电涡流式传感器4.3.1工作原理低频透射式涡流传感器的工作原理如图所示：发射线w1和接收线圈w2分别置于被测金属板材料G的上、下方。由于低频磁场集肤效应小，渗透深。hf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。传感器原理及工程应用第4章电感式传感器4.3电涡流式传感器结构1线圈2框架3衬套4支架5电缆6插头4.3电涡流式传感器4.3.2等效电路分析.根据涡流的分布，可以把涡流所在范围近似看成一个单匝短路次级线圈。当线圈靠近金属导体时，次级线圈通过互感M对初级作用。111121RIjLIjMIU122220jMIRIjLI等效电路的两个回路方程（基尔霍夫第二定律）：传感器原理及工程应用第4章电感式传感器传感器原理及工程应用第4章电感式传感器4.3电涡流式传感器4.3.2等效电路分析112222121222222222()()UIMMRRjLLRLRL2222112122222212222eqeqUMMZRRjLRjLIRLRL当线圈靠近金属导体时：4.3电涡流式传感器4.3.2等效电路分析线圈的等效电感为：22212222()eqMLLLRL22212222()eqMRRRRL线圈的等效电阻为：传感器原理及工程应用第4章电感式传感器222212022221211eqeqLMLLZQQRMRRZ线圈的等效品质因数为：22222()ZRL分析：1）当有金属导体的影响后，由于涡流的影响，线圈的电感从原来的L1减小为Leq，电阻从原来的R1增大为Req而线圈的品质因素值Q下降。2）影响线圈Req、Leq、Q变化的因素有导体的性质、激励电源频率以及线圈与导体间的互感系数等。由于线圈阻抗Z、品质因素Q的变化与L1、L2和M有关，因此将电涡流式传感器归为电感式传感器。3）由公式Req、Leq、Q可知，它们都与系统互感系数M的平方有关；互感系数是两个磁性相连线圈距离x的非线性函数。传感器原理及工程应用第4章电感式传感器4.3电涡流式传感器4.3.2等效电路分析2222112122222212222UMMZRRjLIRLRL4.3电涡流式传感器4.3.2等效电路分析结论：•ρ、μ、d、X、ω的变化使Req、Leq发生变化，若控制某些参数不变，只改变其中一个参数，可使阻抗Z成为这个参数的单值函数。(,,,,)Zfd等效阻抗与这些参数有函数关系：传感器原理及工程应用第4章电感式传感器检测深度的控制：由于存在集肤效应，电涡流只能检测导体表面的各种物理参数。改变激励源频率，可控制检测深度。传感器原理及工程应用第4章电感式传感器4.3电涡流式传感器4.3.2等效电路分析间距x的测量：如果固定其他因素不变，仅改变间距x，电涡流线圈的阻抗Z就成为间距x的单值函数，可用于非接触测量距离或位移。多种用途：可以用来检测与表面电导率G有关的表面温度、表面裂纹等参数，或者用来检测与材料磁导率有关的材料型号、表面硬度等参数。4.3电涡流式传感器4.3.3涡流的形成范围：径向分布：涡流范围与传感器线圈外径有一定比例关系，线圈外径确定后涡流范围也就确定了。•线圈外径处，r=ras金属涡流密度最大；线圈中心处，r=0涡流密度为零(j=0)；•r0.4ras处（以内）基本没有涡流；•电涡流径向形成范围大约在r=（1.8-2.5）ras范围内，并且分布不均匀。涡流密度最大值在线圈外径附近一个狭窄区域内金属扁平线圈涡流区r/ras1hrasJr/J0114.3电涡流式传感器4.3.3涡流的形成范围强度：当线圈与被测体距离改变时，电涡流密度发生变化，强度也要变化。金属导体表面的电涡流强度I2与距离X是非线性关系。21221asxIIxr电涡流强度随x/ras上升而下降。电涡流强度只有在x/ras1才能有较好线性和灵敏度X/rasI2/I11.01234传感器原理及工程应用第4章电感式传感器根据电涡流传感器的工作原理，被测量可以转换为线圈电感量、阻抗和品质因素Q值的变化，相应的测量电路也应有三种，即测量线圈电感量的谐振电路、测量阻抗的电桥电路和测量Q值电路。谐振电路的基本工作原理，将传感器线圈和电容组成LC谐振电路，谐振频率，谐振时回路阻抗最大，，为回路等效损耗电阻，当电感L变化时，频率和阻抗Z0都随之发生变化，因此通过测量回路的阻抗和谐振频率，即可获得被测值相应的谐振回路分为调频式和调幅式两种。12LCf4.3电涡流式传感器4.3.4测量电路'0LRCZ'R4.3电涡流式传感器4.3.4测量电路传感器原理及工程应用第4章电感式传感器1）调频式电路4.3电涡流式传感器4.3.4测量电路传感器原理及工程应用第4章电感式传感器2）调幅式电路传感器线圈L和电容C并联组成谐振回路，石英晶体组成石英晶体振荡电路，给LC谐振回路提供一个频率（f0）稳定的激励电流i0。LC回路的输出电压：U0=i0f（Z）4.3电涡流式传感器4.3.5电涡流传感器的应用电涡流传感器目前主要应用于测位移、振动、转速、测厚度、测材料、测温度、电涡流探伤。特点：非接触式测量。传感器原理及工程应用第4章电感式传感器电涡流传感器电磁炉的工作原理传感器原理及工程应用第4章电感式传感器4.3电涡流式传感器4.3.5电涡流传感器的应用高频电流通过励磁线圈，产生交变磁场，在铁质锅底会产生无数的电涡流使锅底自行发热，烧开锅内的食物。4.3电涡流式传感器4.3.5电涡流传感器的应用•厚度测量传感器原理及工程应用第4章电感式传感器由图中可知板厚d=D-(x1+x2），当两个传感器在工作时分别测得x1、x2,并转换成电压