机械工程测试技术基础3-2

上海大学机自学院第三章、常用传感器3.3电感式传感器电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。分类:电感式传感器自感型可变磁阻型涡流式互感型上海大学机自学院3.3电感式传感器1，自感型--（1）可变磁阻式可变磁阻式传感器典型结构方案:线圈铁芯衔铁上海大学机自学院•可变磁阻式传感器的结构，它由线圈、铁芯及衔铁组成。在铁芯和衔铁之间有空气隙δ。根据电磁感应定律，当线圈(匝数W)中通以电流i时，产生磁通φm，其大小与电流i成正比，即•根据磁路欧姆定律，磁通φm为•所以线圈电感(自感)可用下式计算:iLφWmRmmiWRWmL2上海大学机自学院磁路总磁阻:•不考虑磁路的铁损时，则磁路总磁阻为•因此，自感L可写为•上式表明，自感L与空气隙δ成反比，而与空气隙导磁截面积S0成正比。δ、S0变化L变化上海大学机自学院•当固定S0不变，•变化δ时，•L与δ呈非线性•（双曲线）关系，•传感器的灵敏度为呈非线性上海大学机自学院•灵敏度S与气隙长度的平方成反比，δ愈小，灵敏度愈高。由于S不是常数，故会出现非线性误差，为了减小这一误差，通常规定δ在较小的范围内工作。•例如，若间隙变化范围为（δ0,δ0+Δδ），则灵敏度为•由上式可以看出，当Δδ«δ0时)21(22202000220022002)(0SSWSWSWSSSWS200022为常数近似线性δ0+Δδδ0上海大学机自学院•由上式可以看出，当Δδ«δ0时•输出与输入近似成线性关系。•实际应用中，一般取Δδ/δ0≤0.1•这种传感器适用于较小位移的测量，一般约为0.001～1mm。δ0+Δδδ0线性关系上海大学机自学院•如将δ固定，变化空气隙导磁截面积S0时，自感L与S0呈线性关系如下图所示。2002sWL202WS可变导磁面积型上海大学机自学院•几种常用可变磁阻式传感器的典型结构有:可变导磁面积型、差动型、单螺管线圈型、双螺管线圈差动型。上海大学机自学院•双螺管线圈差动型，较之单螺管线圈型有较高灵敏度及线性，被用于电感测微计上，其测量范围为0～300μm，最小分辨力为0.5μm。•这种传感器的线圈接于电桥上，构成两个桥臂，线圈电感L1、L2随铁芯位移而变化，其输出特性如下图所示。上海大学机自学院•测量电路:交流电桥图3-6交流电桥的两种实用形式(a)电阻平衡臂电桥(b)变压器电桥退出LZ上海大学机自学院电感式接近传感器（金属）3.3电感式传感器上海大学机自学院教学用低成本四线制无二次仪表传感器3.3电感式传感器上海大学机自学院（2）涡流式原理:涡流效应3.3电感式传感器涡流式传感器的变换原理是利用金属导体在交流磁场中的涡电流效应：如图所示，金属板置于一只线圈的附近，它们之间相互的间距为δ，当线圈输入一交变电流i时，便产生交变磁通量Φ，金属板在此交变磁场中会产生感应电流i1，这种电流在金属体内是闭合的，所以称之为“涡电流”或“涡流”。iδi1线圈金属板上海大学机自学院涡流式传感器的变换原理:涡电流效应3.3电感式传感器涡流的大小与金属板的电阻率ρ、磁导率μ、厚度h、金属板与线圈的距离δ、激励电流角频率ω等参数有关。若改变其中的某两项参数，而固定其它参数不变，就可根据涡流的变化测量该参数。上海大学机自学院•涡流式传感器可分为高频反射式和低频透射式两种。上海大学机自学院高频反射式涡流传感器如图所示，高频(lMHz)激励电流产生的高频磁场作用于金属板的表面，在金属板表面将形成涡电流。与此同时，该涡流产生的交变磁场又反作用于线圈，引起线圈自感L或阻抗Z的变化。线圈自感L或阻抗Z的变化与距离该金属板的电阻率ρ、磁导率μ、激励电流i及角频率ω等有关，若只改变距离δ而保持其它参数不变，则可将位移的变化转换为线圈自感的变化，通过测量电路转换为电压输出。高频反射式涡流传感器多用于位移测量。),,,(ZZ原线圈的等效阻抗Z变化：上海大学机自学院低频透射涡流式传感器低频透射式涡流传感器的工作原理如图所示，发射线圈ω1和接收线圈ω2分别置于被测金属板材料G的上、下方。由于低频磁场渦电流小，渗透深，当低频(音频范围)电压e1加到线圈ω1的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板材料G，使线圈ω2产生感应电动势e2。但由于涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势e2减少，当金属板材料G越厚时，损耗的能量越大，输出电动势e2越小。因此，e2的大小与G的厚度及材料的性质有关，试验表明，e2随材料厚度h的增加按负指数规律减少,如图所示，因此，若金属板材料的性质一定，则利用e2的变化即可测量其厚度。低频透射式涡流传感器可用于金属板材厚度。e2金属板厚度h上海大学机自学院•涡流式传感器的应用:•涡流式电感传感器主要用于位移、振动、转速、距离、厚度等参数的测量。上海大学机自学院3.3电感式传感器上海大学机自学院3.3电感式传感器上海大学机自学院产品：3.3电感式传感器上海大学机自学院案例：连续油管的椭圆度测量CoiledTubeEddySensorReferenceCircle3.3电感式传感器上海大学机自学院案例：无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。火车轮检测油管检测3.3电感式传感器上海大学机自学院2互感型--差动变压器工作原理:互感现象3.3电感式传感器互感型电感传感器是利用互感M的变化来反映被测量的变化。这种传感器实质上是一个输出电压可变的变压器。当变压器初级线圈输入稳定交流电压后，次级线圈便会有感应电压输出，该电压随被测量的变化而变化。EwEout两次级线圈什么引起互感M的变化呢?一初级线圈上海大学机自学院EwEout3.3电感式传感器常用的互感型传感器是差动变压器式电感传感器两次级线圈反接上海大学机自学院WW1W2Esx-x3.3电感式传感器传感器主要由线圈、铁芯和活动衔铁三部分组成。线圈包括一个初级线圈和两个反接的次级线圈，当初级线圈输入交流激励电压时，次级线圈将产生感应电动势e1和e2。EwEout上海大学机自学院•由于两个次级线圈极性反接，因此，传感器的输出电压为两者之差，即ey=e1-e2。活动衔铁能改变线圈之间的藕合程度。输出ey的大小随活动衔铁的位置而变。当活动衔铁的位置居中时，e1=e2，ey=0；当活动衔铁向上移时，e1e2，ey0；当活动衔铁向下移时，e1e2，ey0。活动衔铁的位置往复变化，其输出电压也随之变化。上海大学机自学院•值得注意的是：首先，差动变压器式传感器输出的电压是交流量，如用交流电压表指示，则输出值只能反应铁芯位移的大小，而不能反应移动的方向；其次，交流电压输出存在一定的零点残余电压，零点残余电压是由于两个次级线圈的结构不对称，以及初级线圈铜损电阻、铁磁材质不均匀、线圈间分布电容等原因所形成的。所以，即使活动衔铁位于中间位置时，输出也不为零。•鉴于这些原因，差动变压器式传感器的后接电路应采用既能反应铁芯位移极性，又能补偿零点残余电压的差动相敏检波直流输出电路。上海大学机自学院差动相敏检波电路•下图所示为用于小位移的差动相敏检波电路的工作原理，当没有信号输入时，铁芯处于中间位置，调节电阻R，使零点残余电压减小；当有信号输入时，铁芯移上或移下，其输出电压经交流放大、相敏检波、滤波后得到直流输出。由表头指示输入位移量的大小和方向。上海大学机自学院差动变压器位移传感器3.3电感式传感器上海大学机自学院案例：板的厚度测量~3.3电感式传感器上海大学机自学院案例：张力测量3.3电感式传感器上海大学机自学院图3-23差动变压器式位移传感器退出差动变压器式微位移测量头有精度高（达0.lμm量级），线圈变化范围大(可扩大到±l00mm，视结构而定)，结构简单，稳定性好等优点，被广泛应用于直线位移测量及其它压力、振动等参量的测量上海大学机自学院•这种传感器经分挡可测量41046104Pa的压力，精度为1.5。图3-25微压传感器退出微压传感器上海大学机自学院•利用差动变压器加上悬臂梁弹性支承可以构成振动测量加速度计，如图所示。由于结构上的限制，该加速度计能测量的振动频率上限一般在150Hz以下。1-悬臂梁；2-差动变压器差动变压器式加速度传感器上海大学机自学院第三章、常用传感器3.4电容式传感器变换原理:将被测量的变化转化为电容量变化AC0+++A以最简单的平行极板电容器为例说明其工作原理。在忽略边缘效应的情况下，平板电容器的电容量为:式中ε0——真空的介电常数，ε0=8.854×10-12F/m；A——极板的遮盖面积，m2；ε——极板间介质的相对介电系数，在空气中，ε=1；δ——两平行极板间的距离。上海大学机自学院3.4电容式传感器+++Aδ、A或ε发生变化时，都会引起电容的变化。上式表明，当被测量δ、A或ε发生变化时，都会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化，再通过配套的测量电路，将电容的变化转换为电信号输出。上海大学机自学院•电容式传感器的类型:•根据电容器参数变化的特性，电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型和介质变化型三种，其中极距变化型和面积变化型应用较广。上海大学机自学院3.4电容式传感器a)极距δ变化型+++SC0+++如果两极板相互覆盖面积及极间介质不变，则当两极板在被测对象作用下发生位移变化时所引起的电容量变化为由此可得到传感器的灵敏度为非线性上海大学机自学院SC0由于灵敏度K与极距δ呈非线性关系，故将引起非线性误差。灵敏度K与极距平方成反比，极距愈小，灵敏度愈高。一般通过减小初始极距来提高灵敏度。为了减小这一非线性误差，通常规定测量范围Δδδ0。一般取极距变化范围为Δδ/δ0≈0.1，此时，传感器的灵敏度近似为常数。上海大学机自学院•极距变化型电容传感器的特点•优点:1)动态非接触测量;•2)灵敏度高,适用于较小位移测量(0.01μm—数百微米）•缺点：传感器的杂散电容对灵敏度和测量精度有影响，后续电子线路要求较高。上海大学机自学院3.4电容式传感器电容式传声器上海大学机自学院3.4电容式传感器电容式传声器上海大学机自学院b)面积变化型SC03.4电容式传感器改变极板间覆盖面积的电容式传感器，ΔS→ΔC常用的有角位移型和线位移型两种。上海大学机自学院角位移型+++3.4电容式传感器当动板有一转角时，与定板之间相互覆盖的面积就发生变化，因而导致电容量变化。上海大学机自学院•当覆盖面积对应的中心角为a、极板半径为r时，覆盖面积为•电容量为•其灵敏度为角位移型上海大学机自学院•线位移型电容式传感器有平面线位移型和圆柱线位移型两种。上海大学机自学院AC0平面线位移型3.4电容式传感器上海大学机自学院•对于平面线位移型电容式传感器，当宽度为b的动板沿箭头x方向移动时，覆盖面积变化，电容量也随之变化，电容量为•变换关系:ΔX→ΔC•其灵敏度为上海大学机自学院柱面线位移型.AC03.4电容式传感器上海大学机自学院•对于圆柱线位移型电容式传感器，当覆盖长度x变化时，电容量也随之变化，其电容为•r1、r2——外圆筒内半径与内圆筒外半径，•x——外圆筒与内圆筒覆盖部分长度•其灵敏度为上海大学机自学院•面积变化型电容传感器无论是角位移型、平面线位移型、柱面线位移型•特点：输出与输入成线性关系，但与极距变化型电容式传感器相比，灵敏度较低，适用于较大量程范围的角位移和直线位移的测量。上海大学机自学院产品.陶瓷电容压力传感器液体压力作用在陶瓷膜片的表面，使膜片产生位移。压力变送器3.4电容式传感器上海大学机自学院c)介质变化型AC03.4电容式传感器上海大学机自学院•这种传感器大多用于测量电介质的厚度(图a)、位移(图b)、液位(图c)，还可根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量(图d)等。上海大学机自学院产品.电容式液位传感器（液位计/料位计）3.4电容式传感器上海大学机自学院其它：电容式接近开