电感式传感器学习课件PPT.ppt
2023/2/21,1,第四章 电感式传感器,原理：利用电磁感应原理磁路磁阻的变化，引起传感器线圈的电感(自感或互感)的变化。,2023/2/21,2,分类：,按磁路几何参数变化 变气隙式、变面积式、螺管式按线圈组成方式 单一式，差动式,电感式传感器种类,自感式传感器,互感式传感器,电涡流式传感器,2023/2/21,3,电感传感器的基本工作原理演示,F,220V,准备工作,2023/2/21,4,电感传感器的基本工作原理演示,气隙变小，电感变大，电流变小,F,2023/2/21,5,一 自感式传感器（变磁阻式传感器）,1、工作原理,单一式,1线圈，2铁心，3衔铁,线圈自感：,其中：,W线圈的匝数，Rmii段的磁阻RM磁路总磁阻,第i段磁路的平均长度,第i段磁路的横截面积,第i段磁路的导磁率,又,2023/2/21,6,当,时,所以：,：气隙的厚度：磁路导磁率：磁路相对导磁率,d,其中：,对于图中的磁阻,2023/2/21,7,一般情况下：,要改变L,气隙厚度S0 气隙截面积0 气隙导磁率,在,中,变气隙变面积螺旋管,2023/2/21,8,（i）当衔铁下移：,当,(1)变气隙式(自感)传感器,2、输出特性,2023/2/21,9,（ii）当衔铁上移,同理,灵敏度：,2023/2/21,10,灵敏度：,L0,L0+L,L0-L,0,0+,0-,L,2023/2/21,11,由此可见,变气隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾,所以变隙式电感传感器用于测量微小位移时是比较精确的。为了减小非线性误差,实际测量中广泛采用差动变气隙式电感传感器。,2023/2/21,12,差动式传感器结构图,L1,L2,灵敏度：,结论:差动式比单线圈式的灵敏度高一倍。差动式的非线性项等于单线圈非线性项乘以（/0）因子,线性度得到明显改善。,(2)差动变气隙式(自感)传感器,2023/2/21,13,(3)变面积型(自感)传感器,单一式,忽略RF,单一式变面积型,初始电感：,2023/2/21,14,差动式变截面积型,(4)差动变面积型(自感)传感器,2023/2/21,15,(5)螺旋型自感传感器,1螺管线圈2外套3柱状衔铁,假设线圈的长径比L/r1,线圈内部的磁场认为是均匀的,则空心线圈的电感：,2023/2/21,16,插入后其覆盖的那部分线圈局部电感增大,据推导,WX：覆盖线圈匝数,x：衔铁插入线圈的长度,联系L0和 L表达式得,2023/2/21,17,单一式,线圈沿轴向位置移动,令衔铁处于线圈1，2的中间位置,2023/2/21,18,当衔铁处于中间位置时，x1=x2=x0,L1=L2 若偏离中心位置 时：,三种自感传感器的比较,变面积式、螺旋式传感器线性度好，示值范围大变气隙式传感器非线性强，示值范围小变气隙式传感器灵敏度高，螺旋式传感器最低螺旋式比变面积式传感器互换性好,2023/2/21,19,上面分析时，将自感线圈看成理想的纯电感，实际上存在损耗。RC线圈铜耗电阻Re铁心涡流损耗电阻Rh磁滞损耗电阻C 线圈的寄生电容,更换电缆后必须重新校准或采用并联电容调准,等效电路,3、等效电路,2023/2/21,20,(1)交流电桥式测量电路 图所示为交流电桥测量电路，把传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂Z1和Z2，另外二个相邻的桥臂用纯电阻代替。,4、测量电路,2023/2/21,21,对于高品质因数Q值（LR）的差动式电感传感器，其输出电压为：,将L=2L0（/0）代得出：电桥输出电压与成正比,2023/2/21,22,2023/2/21,23,(2)变压器式交流电桥 变压器式交流电桥测量电路如图所示，电桥两臂Z1、Z2为传感器线圈阻抗，另外两桥臂为交流变压器次级线圈的1/2阻抗。当负截阻抗为无穷大时，桥路输出电压为：,2023/2/21,24,当传感器的衔铁处于中间位置，即Z1=Z2=Z时有U0=0，电桥平衡。当传感器衔铁上移时,即Z1=Z+Z,Z2=Z-Z,此时,当传感器衔铁下移时,由于U0是交流电压,输出指示无法判断位移方向,必须配合相敏检波电路来解决。,2023/2/21,25,(3)谐振式测量电路 谐振式测量电路有谐振式调幅电路、谐振式调频电路如图所示。,2023/2/21,26,在调幅电路中,传感器电感L与电容C、变压器原边串联在一起，接入交流电源，变压器副边将有电压输出，输出电压的频率与电源频率相同，而幅值随着电感L而变化。关系曲线表明，其中L0为谐振点的电感值，此电路灵敏度很高，但线性差，适用于线性要求不高的场合。,2023/2/21,27,调频电路的基本原理是传感器电感L变化将引起输出电压频率的变化。一般是把传感器电感L和电容C接入一个振荡回路中。当L变化时，振荡频率随之变化，根据f的大小即可测出被测量的值。特性曲线表明，它具有明显的非线性关系。,2023/2/21,28,二 互感式传感器（差动变压器式）,互感式传感器使衔铁随被测量移动，从而引起初次级线圈间的互感变化，形成输出电压的变化。原理类似于变压器，次级绕组接成差动方式，故又称差动变压器式传感器。,变压器闭合磁路，初次级间互感为常数,2023/2/21,29,差动变压器也有变气隙式、变面积式和螺旋管式如下图所示：,2023/2/21,30,1、工作原理,忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容，工艺结构对称条件下,初始平衡位置：M1=M2，,向上(下)偏移：M1M2，,输出电压的大小和极性反映了被测体位移的大小和方向。,2023/2/21,31,理论特性曲线,零点残余电压,2023/2/21,32,实际上,当衔铁位于中心位置时,差动变压器输出电压并不等于零,我们把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压。零点残余电压主要是由传感器的两次级绕组的电气参数与几何尺寸不对称，以及磁性材料的非线性（铁磁饱和、磁滞损耗）等问题引起的。零点残余电压一般在几十毫伏以下，在实际使用时，应设法减小。,2023/2/21,33,2、输出特性,传感器的输出电压,2023/2/21,34,当衔铁处中间位置,当衔铁向上移动,当衔铁向下移动,2023/2/21,35,频率特性 根据：,当激励频率过低时,灵敏度随频率增加而增加,2023/2/21,36,由,当激励频率增加,在一定工作范围内输出电压与频率无关,2023/2/21,37,由,当激励频率继续增加,受导线趋肤效应、铁损的影响，特性下降,2023/2/21,38,3、测量电路,差动变压器输出的是交流电压,若用交流电压表测量,只能反映衔铁位移的大小,而不能反映移动方向。其测量值中将包含零点残余电压。为了达到能辨别移动方向及消除零点残余电压的目的,实际测量时,常常采用差动整流电路和相敏检波电路。,2023/2/21,39,反串联接,桥路联接,桥路的灵敏度是反串联接法的一半，由于有Rw，则无需调零电路。,结论,2023/2/21,40,全波电流输出,当衔铁位于零位,当衔铁位于零位以上,当衔铁位于零位以下,IabI1I2,I1I2 Iab0,I1 I2 Iab0,I1 I2 Iab 0,半波电流输出,(1)差动整流电路,2023/2/21,41,电流输出型电路，用在低阻抗负载场合电压输出型电路，用在高阻抗负载场合,注意,当衔铁位于零位,当衔铁位于零位以上,当衔铁位于零位以下,UabUacUbc,UacUbc Uab0,Uac Ubc Uab 0,Uac Ubc Uab 0,全波电压输出,半波电压输出,2023/2/21,42,2.相敏检波电路,U0的幅值要远大于输入信号U2的幅值,以便有效控制四个二极管的导通状态。,U0和U2由同一振荡器供电，保证二者同频、同相（或反相）。,输入检测信号u2,参考信号u0,2023/2/21,43,当位移x0时，U2与U0同频同相，当位移x0时，U2与U0同频反相,x0时，U2与U0为同频同相，当U2与U0均为正半周时，二极管VD1、D4截止，VD2、VD3导通，可得等效电路如图。,2023/2/21,44,当U2与U0均为负半周时，二极管VD2、VD3截止，VD1、VD4导通。其等效电路如图所示。,结论：只要位移x0,不论U2与U0是正半周还是负半周，负载RL两端得到的电压UL始终为正。,2023/2/21,45,同理，当x0时，U2与U0为同频反相。采用上述相同的分析方法不难得到当x0时，不论U2与U0是正半周还是负半周，负载电阻RL两端得到的输出电压UL表达式总是为负。,所以上述相敏检波电路输出电压UL的变化规律充分反映了被测位移量的变化规律，即UL的值反映位移x的大小，而UL的极性则反映了位移x的方向。,2023/2/21,46,优点：对位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等实现非接触式测量,三 电涡流式传感器,2023/2/21,47,1、基本原理,电涡流效应,成块的金属置于激励线圈产生的交变磁场中，金属体内则产生感应电流，电流流线呈闭合的水涡曲线电涡流效应。,2023/2/21,48,根据法拉第定律：根据楞次定律：,传感器阻抗：,式中：被测体的电阻率；被测体的磁导率；r 被测体及线圈几何尺寸；f 线圈激励电流频率；x 线圈与导体间距。,温度判别材质,位移，厚度，振动，转速等,应力，硬度等,探伤装置,2023/2/21,49,由于趋肤效应，电涡流只能在金属导体靠近激励线圈的表面薄层形成，电涡流的轴向渗透深度：,式中：金属导体的电阻率 金属导体的磁导率 f 激磁频率,2、输出特性,2023/2/21,50,等效电路,列写回路方程：,解方程：,2023/2/21,51,R电涡流区的外半径,r电涡流区的内半径,d激励线圈的外半径,电涡流径向形成范围在线圈外半径1.82.5倍范围，分布均匀；电涡流密度在中心点处值为0；电涡流最大值出现在线圈半径附近的狭窄区域；可用线圈半径大小的短路环集中度表示分散的电涡流。,3、电涡流特性,(1)径向范围,2023/2/21,52,式中：I2金属导体上的电涡流强度 I1激励线圈中的电流 x 金属导体表面至线圈的距离 d激励线圈的外半径,(2)电涡流强度,I2与距离x呈非线性，随x/d的增加而减少x/d 1时，可得较好的线性度和较高的灵敏度高,2023/2/21,53,式中：d金属导体中某点与表面的距离 Jd沿H1轴向d处的电涡流密度 J0金属导体表面电涡流密度 h电涡流轴向贯穿深度(趋肤深度),(3)轴向贯穿深度,贯穿深度指电涡流强度减小到表面强度的1/e处的表面厚度。,被测导体电阻率越大、相对磁导率越小、激磁电流频率越低电涡流贯穿深度h越大,2023/2/21,54,4、测量电路,(1)调频式电路,传感器线圈接入LC振荡电路：x变化L变化振荡频率变化,传感器线圈接入LC振荡电路：x变化L变化振荡频率变化,为消除线路分布电容影响，将L、C同装入传感器内。,2023/2/21,55,(2)调幅式电路,由传感器线圈、电容器和石英晶体组成石英晶体振荡电路。石英晶体振荡为谐振电路提供一衡频率的激励电流i0回路输出电压为：,x时，LC谐振频率为f0，Z最大，U0最大金属导体靠近时，L发生改变，回路失谐，U0降低,2023/2/21,56,5、应用涡流式传感器,2023/2/21,57,(1)低频透射式电涡流厚度传感器,工作过程：,式中：d金属板的厚度 h涡流贯穿深度 k比例常数,测量范围 分辨率 线性度1100mm，0.1m，0.1%,2023/2/21,58,(2)高频反射式电涡流厚度传感器,2023/2/21,59,为了克服带材不够平整或运行过程中上下波动的影响，在带材的上、下两侧对称地设置了两个特性完全相同的涡流传感器S1、S2。S1、S2与被测带材表面之间的距离分别为x1和x2。若带材厚度不变，则被测带材上、下表面之间的距离总有x1+x2=常数的关系存在。两传感器的输出电压之和为2Uo数值不变。如果被测带材厚度改变量为，则两传感器与带材之间的距离也改变了一个，两传感器输出电压此时为2Uo+U。,2023/2/21,60,(3)电涡流式转速传感器 图所示为电涡流式转速传感器工作原理图。在软磁材料制成的输入轴上加工一键槽,在距输入表面d0处设置电涡流传感器,输入轴与被测旋转轴相连。这种转速传感器可实现非接触式测量,抗污染能力很强,可安装在旋转轴近旁长期对被测转速进行监视。最高测量转速可达600000r/min(转/分)。,2023/2/21,61,电涡流位移传感器在空预器间隙控制系统中的应用,2023/2/21,62,大型火力发电厂锅炉燃烧系统,2023/2/21,63,容克式空气预热器,2023/2/21,64,径向漏风上部径向漏风下部径向漏风周向漏风携带漏风,容克式空气预热器的漏风问题,2023/2/21,65,如果不采取措施，满负荷下将有大约60%的漏风是通过上部径向变形间隙泄露的。,空预器上部漏风的减小可明显减小单位千瓦的燃煤消耗。,2023/2/21,66,间隙控制系统的结构,2023/2/21,67,2023/2/21,68,系统主画面,2023/2/21,69,高温电涡流位移检测装置,空预器密封间隙控制系统中的关键问题是预热器变形量的测量问题。它的难点在于发生变形的预热器转子是运动的而且空预器内的温度接近摄氏400度同时其内部还有大量的煤灰和腐蚀性气体。由理工大学信控中心研制的高温型电涡流位移测量装置填补了国内在此领域的空白，在国外也未发现同类型的产品。其成果获国家三等奖。,2023/2/21,70,2023/2/21,71,间隙测量装置的主要性能指标：1.间隙测量范围 0-10mm2.分辨率 0.1mm3.频率响应 50HZ4.间隙测量探头耐温4205.信号变送器耐温 656.输出信号标准 0-10mA与4-20mA 可设置,2023/2/21,72,智能型间隙程控装置,1.高可靠性 系统内部设计了完善的故障自动诊断功能和故障报警功能。系统可以自动检测多种内部故障并将这些故障分为两类，对于危及系统安全的故障以闪光报警的方式提醒运行人员注意,同时在计算机屏幕以文字显示故障种类。对于一般性的故障系统将其记录在故障报警画面里等待维护人员在条件许可时再处理。2.高自动投入率 系统采用连续调节规律使密封间隙始终维持在最小值，消除了间歇式调节的“假自动”现象。同时系统可以自动修正测量探头的漂移，防止了信号漂移引起的自动解除，进一步提高了自动投入率。3.简单的使用与维护 由于采用智能控制方法和良好的人机界面使使用户能够很方便地根据提示进行操作，而且系统的故障分析和记录功能使设备维护工作简单易行。,2023/2/21,73,思考题,什么是电感式传感器？电感式传感器的分类？自感式电感传感器基本结构？简述其工作原理。简述变间隙式电感（自）传感器的输出特性及应用范围？电感式传感器的测量电路及特点？互感式电感传感器为什么又被称作差动变压器式传感器？什么是零点残余电压？产生的原因及消除方法？涡流式传感器工作原理？,2023/2/21,74,作业,第84页 4-5、4-7、4-8,2023/2/21,75,结束,
