电感式传感器

现代检测技术电感式传感器精勤求学敦笃励志果毅力行忠恕任事Xi’anJiaotongUniversity电感式传感器电感式传感器是基于电磁感应原理，将输入量转换成线圈自感和互感变化量的一种装置。常配以不同的敏感元件用来测量位移和可以转换成位移变化的机械量（如力、张力、压力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位、比重、转矩等）。Xi’anJiaotongUniversity电感式传感器优点：结构简单、可靠，测量力小（衔铁重为（0.5~200）×10-4N时，磁吸力为（1~10）×10-4N）；分辨率高，可测量机械位移0.1μm，角位移0.1角秒；输出信号强，电压灵敏度达数百毫伏每毫米，有利于信号传输与放大。重复性好，线性度优良。缺点：存在交流零位信号不宜于高频动态信号测量Xi’anJiaotongUniversityL铁芯线圈衔铁拉簧I自感L与气隙δ成反比，而与气隙导磁截面积A成正比。W——线圈匝数，μ0——空气磁导率。变磁阻式自感传感器Xi’anJiaotongUniversity变气隙式自感传感器Xi’anJiaotongUniversity变面积式自感传感器Xi’anJiaotongUniversity也可认为是有效线圈匝数变化引起自感变化。螺管式自感传感器Xi’anJiaotongUniversity螺管式自感传感器特点：线圈中段灵敏度最高，线性度最好；由于空气间隙大，磁路磁阻高，灵敏度低，但线性范围大；测量范围：5~50mm，非线性误差在±5%左右；易受外部磁场干扰；线圈分布电容大；线圈框架尺寸和形状稳定性要求高。Xi’anJiaotongUniversity两个结构完全相同的自感线圈组合在一起形成差动结构，可提高灵敏度，改善输出特性的非线性，实际中常用。差动测量系统Xi’anJiaotongUniversity差动测量系统差动式电感传感器工作原理及输出特性Xi’anJiaotongUniversity差动测量系统Xi’anJiaotongUniversity差动测量系统，间隙改变量与呈理想线性关系1212LLLL1212LLLLXi’anJiaotongUniversity差动测量系统Xi’anJiaotongUniversity差动式自感传感器的线圈可以用复阻抗Z等效，常采用交流电桥、谐振电路等测量。交流电桥交流电桥平衡条件为：若阻抗写成复指数形式时，平衡条件为:1324ZZZZZ1Z2Z4Z3bacdexeoI1I2~自感传感器测量电路Xi’anJiaotongUniversityR1R2R4R3bacdexeo~L4L1113442RjLRRjLR令实部、虚部分别相等。电感式电桥当电桥不平衡时，试写出输出电压eo的表达式。Xi’anJiaotongUniversity输出电压，以d为参考点221121222oacZZZuuuuuuZZZZ当感抗远大于直流电阻时：102002oLLLuLuLLLL变压器电桥Xi’anJiaotongUniversity自感传感器测量电路L1和L2是差动电感传感器相邻两个桥臂，输出电压的大小和极性反映了被测量的性质（如位移的大小及方向）。由于输出是交流电压，需要专门的电路来鉴别输出电压的极性，以确定衔铁的位移方向。变压器电桥与电阻平衡电桥相比：优点：元件少，输出阻抗小；缺点：变压器副边不接地，容易产生来自缘原边的静电感应电压，使高增益放大器不能正常工作。Xi’anJiaotongUniversity交流电桥的调制与解调Xi’anJiaotongUniversity交流电桥的调制与解调Xi’anJiaotongUniversity交流电桥的调制与解调Xi’anJiaotongUniversity交流电桥的调制与解调已调制波的频谱相当于将调制波的频谱移至载波频率±f0处，幅值下降一半。maxmaxX10max0maxX1/200Xi’anJiaotongUniversity交流电桥的调制与解调ω1ω2Xi’anJiaotongUniversity交流电桥的调制与解调0max0maxX1/200Xi’anJiaotongUniversity•同步解调法：将调幅波经一乘法器与原载波信号相乘。0001cos2cos21cos42rtxtftftxtft000012112224mmRfXffXffXfXffXff幅值调制的解调0max20max2X1/40202maxmax1/2Xi’anJiaotongUniversity幅值调制的解调理想低通滤波器的截止频率f满足：max0max2ffff同步解调法必须采用频率合成技术保证载波频率与解调时频率严格一致，采用锁相器保证相位变化完全同步，故成本较高。Xi’anJiaotongUniversity•整流检波法：在调制信号上加一个直流分量A，使偏置后的信号具有正电压值。该方法得到的已调制波的包络线具有原信号形状，可以经过整流和滤波恢复出原调制信号。xtAtmxtAtmxtˆxtRC该方法解调简单，但要求调幅发射机有较大的功率容量。幅值调制的解调Xi’anJiaotongUniversity•相敏解调法：通过检测调制信号的相位，使已调制信号的幅值和相位均同原调制信号一致。（参见二极管相敏检波电路）mxttmxtt调幅波相敏检波后的波形该方法能同时恢复被测信号的幅值和相位，因此得到广泛应用，尤其是对具有极性和方向性的被测量。幅值调制的解调Xi’anJiaotongUniversity幅值调制的解调Xi’anJiaotongUniversity幅值调制的解调Xi’anJiaotongUniversity二极管相敏检波电路及波形VD1VD2VD4VD3Mu1u'1u1u2u'2u2T1T2i4(i1)i3(i2)VD1VD2VD4VD3Mu1u'1u1u2u'2u2T1T2(a)u1=0(b)u1≠0OOOOOOO(c)u1、u2同相时的波形u1u2i1i2i3i4iMttttttt+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-i3(i2)i4(i1)iM=i1+i4-i2-i3Xi’anJiaotongUniversity二极管相敏检波电路及波形u1为输入信号——交流电桥输出的调幅信号，u2为基准信号，二者频率相同，幅值上u2u1；当u1=0时，在u2作用下，在正半周时，VD3、VD4导通；在负半周时，VD1、VD2导通，电流表输出始终为零；当u1≠0时，若u1和u2相位相同，iM=(i1+i4)-(i2+i3),输出电流始终为正值；当u1≠0时，若u1和u2相位相反，iM=(i1+i4)-(i2+i3),此时输出电流始终为负值；Xi’anJiaotongUniversity互感型传感器的工作原理是利用电磁感应中的互感现象，将被测量(位移)转换成感应电势的变化。由于常采用两个次级线圈组成差动式，故又称差动变压器式传感器。实际中多采用螺管线圈型差动变压器。传感器输出电压(调幅波)反映了位移的大小及方向，但因为交流信号，只有接入相应电路（相敏检波、差动整流等），才能提取出这两种信息。M1M2idieMdt感应电势互感传感器Xi’anJiaotongUniversity判断铁芯移动大小和方向，消除零点残余电压12341234Xi’anJiaotongUniversity互感传感器Xi’anJiaotongUniversityH2被测导体H1传感器激励电流电涡流传感器原理图～I1I2(,,,,)ZFrfx其中：ρ金属电导率，μ金属磁导率，r线圈与被测物体的尺寸因子，f激磁电流频率，x线圈与导体间的距离基于法拉第电磁感应原理，当传感器线圈通以正弦交变电流I1时，线圈周围空间将产生正弦交变磁场H1，被测导体内产生呈涡旋状的交变感应电流I2，称电涡流效应。电涡流产生的交变磁场H2与H1方向相反，它使传感器线圈等效阻抗发生变化。电涡流式传感器Xi’anJiaotongUniversity应用：x——位移、厚度、振幅；ρ——表面温度、电解质浓度、材质判别等；μ，ρ——无损探伤等。特点：非接触连续测量，灵敏度高、频响宽、分辨率高涡流分布在导体表面电涡流式传感器Xi’anJiaotongUniversity电涡流式传感器XRXi’anJiaotongUniversity电涡流式传感器Xi’anJiaotongUniversity高频反射式电涡流式传感器：高频(lMHz)激励电流高频反射式涡流传感器多用于位移及与位移相关的厚度、振动等测量。电涡流式传感器Xi’anJiaotongUniversity低频透射式电涡流式传感器：音频(20kHz)激励电流低频透射式涡流传感器多用于测定材料厚度。电涡流式传感器Xi’anJiaotongUniversity测量电路——交流电桥、谐振电路电涡流式传感器Xi’anJiaotongUniversity电涡流式传感器LC并联阻抗→∞Xi’anJiaotongUniversity电涡流式传感器LC回路是振荡器的一部分Xi’anJiaotongUniversity电涡流式传感器电涡流式传感器的特点：非接触测量，不易受油液介质影响；结构简单，使用方便，灵敏度高，最高分辨率达0.05微米；频率响应范围宽（0~10kHz），适合动态测量。Xi’anJiaotongUniversity电感式传感器的应用图尔克公司生产的各种外形的标准型电感式接近开关，包括环形传感器、窄缝型传感器、模拟量输出型传感器、耐高温传感器、耐高压传感器、抗强磁场干扰型传感器、带转速监控型传感器、深水应用型传感器等。电感式接近传感器（接近开关）’anJiaotongUniversity电感式传感器的应用Xi’anJiaotongUniversity无损探伤电感式传感器的应用Xi’anJiaotongUniversity电感式传感器的应用测转速测厚度计数测裂纹Xi’anJiaotongUniversity二、简答1.调制与解调的目的是什么？2.为什么交流电桥输出的调幅波不能简单地用二极管检波来解调，而必须用相敏检波器来解调?3.涡流的形成范围和渗透深度与哪些因素有关?一、选择与填空题1.电涡流传感器是利用材料的电涡流效应工作的。A.金属导体B.半导体C.非金属材料2.高频反射式涡流传感器是基于和效应来实现信号的感受和变换的。A.涡电流B.纵向C.横向D.集肤3.差动变压器式传感器工作时，如果铁芯做一定频率的往复运动，其输出电压是波。4.差动变压器式位移传感器是将被测位移量的变化转换成线圈____系数的变化,两个次级线圈要求串接。作业：电感式传感器