《传感器技术与应用》课件第三章电感式传感器.ppt

2023/9/17,1,第3章 电感式传感器,2023/9/17,2,电感式传感器,电感式传感器可用来测量位移、压力、流量、振动等非电量，其主要特点是结构简单、工作可靠、灵敏度高；测量精度高、输出功率较大；可实现信息的远距离传输、记录、显示和控制，在工业自动控制系统中被广泛应用。但其灵敏度、线性度和测量范围相互制约；传感器自身频率响应低，不适用于快速动态测量。电感式传感器是建立在电磁感应的基础上，利用线圈自感或互感来实现非电量的检测。本章主要介绍：自感式传感器（利用自感原理）；差动变压器式传感器（利用互感原理）；电涡流式传感器（利用涡流原理）。,2023/9/17,3,3.1自感式传感器,自感式传感器由线圈、铁心和衔铁三部分组成。铁心和衔铁由导磁材料制成。自感式传感器是把被测量的变化转换成自感L的变化，通过一定的转换电路转换成电压或电流输出。按磁路几何参数变化形式的不同，自感式传感器可分为变气隙式、变截面积式和螺线管式三种,2023/9/17,4,内容,3.1.1 基本工作原理 3.1.2 自感式传感器的测量电路 3.1.3 自感式传感器应用,2023/9/17,5,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,2023/9/17,6,3.1.1 基本工作原理,线圈的自感量等于线圈中通入单位电流所产生的磁链数，即线圈的自感系数 为磁链，为磁通（Wb），I为流过线圈的电流（A），N为线圈匝数。根据磁路欧姆定律：，为磁导率，S为磁路截面积，为磁路总长度。,2023/9/17,7,线圈的电感量,为磁路的磁阻,变磁阻式传感器,2023/9/17,8,结论,只要被测非电量能够引起空气隙长度或等效截面积发生变化，线圈的电感量就会随之变化。电感式传感器从原理上可分为变气隙长度式和变气隙截面式两种类型，前者常用于测量直线位移，后者常用于测量角位移。,2023/9/17,9,自感式传感器,2023/9/17,10,1变气隙式（闭磁路式）自感传感器,由电感式可知，变气隙长度式传感器的线性度差、示值范围窄、自由行程小，但在小位移下灵敏度很高，常用于小位移的测量。,1线圈 2铁芯 3衔铁,2023/9/17,11,2螺线管式（开磁路式）自感式传感器,螺线管式自感式传感器常采用差动式。它是在螺线管中插入圆柱形铁芯而构成的。其磁路是开放的，气隙磁路占很长的部分。有限长螺线管内部磁场沿轴线非均匀分布，中间强，两端弱。插入铁芯的长度不宜过短也不宜过长，一般以铁芯与线圈长度比为0.5、半径比趋于1为宜。铁磁材料的选取决定于供桥电源的频率，500Hz以下多用硅钢片，500Hz以上多用薄膜合金，更高频率则选用铁氧体。从线性度考虑，匝数和铁芯长度有一最佳数值，应通过实验选定。,2023/9/17,12,结构,差动式电感传感器对外界影响，如温度的变化、电源频率的变化等基本上可以互相抵消，衔铁承受的电磁吸力也较小，从而减小了测量误差。,1测杆 2衔铁 3线圈,2023/9/17,13,特性,从输出特性曲线（如图4-5所示）可以看出，差动式电感传感器的线性较好，且输出曲线较陡，灵敏度约为非差动式电感传感器的两倍。,1、2L1、L2的特性 3差动特性,2023/9/17,14,3.1.2 自感式传感器的测量电路,自感式传感器的测量电路用来将电感量的变化转换成相应的电压或电流信号，以便供放大器进行放大，然后用测量仪表显示或记录。测量电路有交流分压式、交流电桥式和谐振式等多种，常用的差动式传感器大多采用交流电桥式。交流电桥的种类很多，差动形式工作时其电桥电路常采用双臂工作方式。两个差动线圈Z1和Z2分别作为电桥的两个桥臂，另外两个平衡臂可以是电阻或电抗，或者是带中心抽头的变压器的两个二次绕组或紧耦合线圈等形式。,2023/9/17,15,1变压器交流电桥,电桥有两臂为传感器的差动线圈的阻抗，所以该电路又称为差动交流电桥,变压器式交流电桥电路图,2023/9/17,16,分析,设O点为电位参考点，根据电路的基本分析方法，可得到电桥输出电压为当传感器的活动铁芯处于初始平衡位置时，两线圈的电感相等，阻抗也相等，即，其中表示活动铁芯处于初始平衡位置时每一个线圈的阻抗。电桥输出电压，电桥处于平衡状态。,2023/9/17,17,变化时,当铁芯向一边移动时，则一个线圈的阻抗增加，,2023/9/17,18,变化后的电压,当传感器线圈为高Q值时，则线圈的电阻远小于其感抗 当活动铁芯向另一边（反方向）移动时 差动式自感传感器采用变压器交流电桥为测量电路时，电桥输出电压既能反映被测体位移量的大小，又能反映位移量的方向，且输出电压与电感变化量呈线性关系。,2023/9/17,19,2带相敏整流的交流电桥,上述变压器式交流电桥中，由于采用交流电源，则不论活动铁芯向线圈的哪个方向移动，电桥输出电压总是交流的，即无法判别位移的方向。常采用带相敏整流的交流电桥.,2023/9/17,20,结构,带相敏整流的交流电桥电路,2023/9/17,21,（1）初始平衡位置时,当差动式传感器的活动铁芯处于中间位置时，传感器两个差动线圈的阻抗Z1=Z2=Z0，其等效电路如图所示。,铁芯处于初始平衡位置时的等效电路,2023/9/17,22,（2）活动铁芯向一边移动时,当活动铁芯向线圈的一个方向移动时，传感器两个差动线圈的阻抗发生变化，等效电路如图4-9所示。,铁芯向线圈一个方向移动时的等效电路,2023/9/17,23,结果,在Ui的正半周,在Ui的负半周,2023/9/17,24,只要活动铁芯向一方向移动，无论在交流电源的正半周还是负半周，电桥输出电压均为正值。,2023/9/17,25,（3）活动铁芯向相反方向移动时,当活动铁芯向线圈的另一个方向移动时，用上述分析方法同样可以证明，无论在的正半周还是负半周，电桥输出电压均为负值。,2023/9/17,26,应用,采用带相敏整流的交流电桥，其输出电压既能反映位移量的大小，又能反映位移的方向，所以应用较为广泛。,1理想特性曲线 2实际特性曲线,2023/9/17,27,3.1.3 自感式传感器应用,用于测量位移，还可以用于测量振动、应变、厚度、压力、流量、液位等非电量。,2023/9/17,28,1自感式测厚仪,采用差动结构，其测量电路为带相敏整流的交流电桥。当被测物体的厚度发生变化时，引起测杆上下移动，带动可动铁芯产生位移，从而改变了气隙的厚度，使线圈的电感量发生相应的变化。此电感变化量经过带相敏整流的交流电桥测量后，送测量仪表显示，其大小与被测物的厚度成正比。,1可动铁芯 2测杆 3被测物体,2023/9/17,29,2位移测量,测量时测头的测端与被测件接触，被测件的微小位移使衔铁在差动线圈中移动，线圈的电感值将产生变化，这一变化量通过引线接到交流电桥，电桥的输出电压就反映被测件的位移变化量。,1引线 2线圈 3衔铁 4测力弹簧 5导杆 6密封罩 7测头,2023/9/17,30,其他电感测微头,2023/9/17,31,3.2 差动变压器式传感器,把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器称为互感式传感器。因这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且其二次绕组都用差动形式连接，所以又叫差动变压器式传感器，简称差动变压器。有变隙式、变面积式和螺线管式等 在非电量测量中，应用最多的是螺线管式的差动变压器，它可以测量1100mm范围内的机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点。,2023/9/17,32,3.2.1 基本工作原理,变隙式差动变压器原理图,螺线管式差动变压器原理图,2023/9/17,33,输出特性,当铁芯位于中心位置，输出电压U2并不等于零，这个电压称为零点残余电压。它的存在使传感器的输出特性曲线不经过零点，造成实际特性和理论特性不完全一致。零点残余电压使得传感器的输出特性在零点附近不灵敏，给测量带来误差，它的大小是衡量差动变压器性能好坏的重要指标。,输出特性曲线,2023/9/17,34,零点电势,零点残余电动势使得传感器在零点附近的输出特性不灵敏，为测量带来误差。为了减小零点残余电动势，可采用以下方法。（1）尽可能保证传感器尺寸、线圈电气参数和磁路对称。（2）选用合适的测量电路。（3）采用补偿线路减小零点残余电动势。,2023/9/17,35,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。另外，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动势目的，实际测量时，常常采用差动整流电路和相敏检波电路。,2023/9/17,36,1差动整流电路,是把差动变压器的两个次级输出电压分别整流，然后将整流的电压或电流的差值作为输出，这样二次电压的相位和零点残余电压都不必考虑。差动整流电路同样具有相敏检波作用，图中的两组（或两个）整流二极管分别将二次线圈中的交流电压转换为直流电，然后相加。由于这种测量电路结构简单，不需要考虑相位调整和零点残余电压的影响，且具有分布电容小和便于远距离传输等优点，因而获得广泛的应用。但是，二极管的非线性影响比较严重，而且二极管的正向饱和压降和反向漏电流对性能也会产生不利影响，只能在要求不高的场合下使用。一般经相敏检波和差动整流后的输出信号还必须经过低通滤波器，把调制的高频信号衰减掉，只允许衔铁运动产生的有用信号通过。,2023/9/17,37,典型电路,差动整流电路,2023/9/17,38,2差动检波电路,差动相敏检波电路,等效电路,2023/9/17,39,（2）工作原理,传感器衔铁上移传感器衔铁下移,2023/9/17,40,（3）波形图,相敏检波电路波形图,2023/9/17,41,3.2.3 差动变压器式传感器的应用,差动变压器不仅可以直接用于位移测量，而且还可以测量与位移有关的任何机械量，如振动、加速度、应变、压力、张力、比重和厚度等。,2023/9/17,42,差动变压器式传感器的应用,差动变压器式加速度传感器是由悬臂梁和差动变压器构成，其结构如图所示。,振动传感器及其测量电路1弹性支撑 2差动变压器,2023/9/17,43,差动变压器式传感器的应用,力平衡式差压计,2023/9/17,44,差动变压器式传感器的应用,力传感器 差动变压器式力传感器原理结构图如图所示。它是利用力作用下引起弹性元件形变，然后弹性元件的形变带动差动变压器的衔铁运动，从而产生相应地电流或电压输出的原理制成的。,2023/9/17,45,差动变压器式传感器的应用,差动变压器式电感测微仪,2023/9/17,46,3.3 电涡流传感器,根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈涡旋状的感应电流，此电流叫电涡流，这种现象称为电涡流效应。根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。按照电涡流在导体内的贯穿情况，此传感器可分为高频反射式和低频透射式两类，但从基本工作原理上来说仍是相似的。电涡流式传感器最大的特点是能对位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等进行非接触式连续测量，另外还具有体积小、灵敏度高、频率响应宽等特点，应用极其广泛。,2023/9/17,47,3.3.1 电涡流传感器的工作原理,高频反射式传感器采用高频信号源，其原理及等效电路分别如图所示。线圈置于金属导体附近，线圈中通以高频信号，则会产生正弦交变磁场，产生的交变磁场作用下方的金属块，金属块内就会产生涡流，变化的涡流产生磁场，又反作用于线圈，改变了线圈的电感。电感变化程度取于线圈的外形尺寸，线圈至金属板之间的距离，金属板材料的电阻率和磁导率以及电源频率等。,2023/9/17,48,为了充分有效地利用电涡流效应，对于平板型的被测体则要求被测体的半径应大于线圈半径的1.8倍，否则就要降低灵敏度。当被测物体是圆柱体时，被测导体直径必须为线圈直径的3.5倍以上，灵敏度才不受影响。一般来说，被测体的磁导率越高，电阻率越低，则传感器的灵敏度越高。,2023/9/17,49,3.3.2 测量电路,1电桥电路 在进行测量时，由于传感器线圈的阻抗发生变化，使电桥失去平衡，而电桥不平衡造成的输出信号被放大并检波，就可得到与被测量成正比的输出。其电路原理图如图3-20所示。,2023/9/17,50,3.3.2 测量电路,L1和L2为传感器两线圈，分别与选频电容C1和C2并联组成两桥臂，电阻R1和R2组成另外两桥臂。静态时，电桥平衡，桥路输出电压为0。工作时，传感器接近被测体，由于电涡流效应引起传感器线圈电感变化，电桥失去平衡，有电压输出。经放大后送至检波器检波，输出直流电压U0，U0的大小正比于传感器的移动量，以实现对位移量的测量。,2023/9/17,51,3.3.2 测量电路,把传感器线圈与电容并联组成LC并联谐振电路。当传感器接近被测金属导体时，线圈电感发生变化，LC回路的阻抗和谐振频率将随着L的变化而变化，因此可以利用测量回路阻抗或谐振频率的方法间接反映出传感器的被测量，相对应的就是调幅法和调频法。,2023/9/17,52,调幅式,石英振荡器产生稳频、稳幅高频振荡电压（100kHz1MHz）用于激励电涡流线圈。金属材料在高频磁场中产生电涡流，引起电涡流线圈端电压的衰减，再经高放、检波、低放电路，最终输出的直流电压Uo反映了金属体对电涡流线圈的影响）。,2023/9/17,53,3调频（FM）式电路（100kHz1MHz）,当电涡流线圈与被测体的距离x 改变时，电涡流线圈的电感量L也随之改变，引起LC振荡器的输出频率变化，此频率可直接用计算机测量。如果要用模拟仪表进行显示或记录时，必须使用鉴频器，将f转换为电压Uo。,2023/9/17,54,4.3.3 电涡流传感器的应用,电涡流传感器是以电涡流效应为原理的非接触式位移、振动传感器。可对进入尤其测量范围内的金属物体的运动参数进行精密地非接触测量。用于机械中的振动和位移、转子与机壳的热膨胀量的长期监测；生产线的在线自动监测和自动控制；科学研究中的多种微小距离和微小运动的测量等。总之，电涡流传感器目前已被广泛应用于能源、化工、医学、汽车、冶金、机器制造、军工、科研教学等诸多领域，并且还在不断的扩展。,2023/9/17,55,1电涡流式转速传感器,电涡流式转速传感器工作原理如图所示。在软磁材料制成的输入轴上加工一个键槽,在距输入表面d0 处设置电涡流传感器，使得输入轴与被测旋转轴相连。当被测旋转轴转动时，传感器与被测体的距离发生变化。由于电涡流效应这种变化将导致振荡谐振回路中传感器线圈电感随d的变化也发生变化，它们将直接影响振荡器的电压幅值和振荡频率。,实物图,2023/9/17,56,2测位移,接通电源后，在电涡流探头的有效面（感应工作面）将产生一个交变磁场。当金属物体接近此感应面时，金属表面将吸取电涡流探头中的高频振荡能量，使振荡器的输出幅度线性地衰减，根据衰减量的变化，可计算出与被检物体的距离、振动等参数。这种位移传感器属于非接触测量，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，寿命较长，可在各种恶劣条件下使用。,2023/9/17,57,3.接近开关,2023/9/17,58,转速测量,2023/9/17,59,接近开关外形,接近开关外形,2023/9/17,60,偏心和振动检测,2023/9/17,61,电涡流表面探伤,掌上型电涡流探伤仪,2023/9/17,62,休息一下！,