电感式传感器学习报告.ppt

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1、电感式传感器,电感式传感器是建立在电磁感应基础上，利用线圈自感或互感的改变来实现测量的一种装置。可以对线位移或角位移直接进行测量。常可由下列方法使线圈的电感变化(1)改变几何形状；(2)改变磁路的磁阻；(3)改变磁芯材料的导磁率；(4)改变一组线圈的两部分或几部分间的耦合度。,第3章 电感式传感器,电感式传感器分类,电感式传感器,自感型,可变磁阻型,涡流式,互感型,压磁式传感器,差动变压器,感应同步器,第3章 电感式传感器,电感式传感器的优点如下(1)结构简单。工作中没有活动电接触点，因而比电位器工作可靠，寿命长；(2)灵敏度高，分辨力高。能测出0.1 mm甚至更小的机械位移变化，能感受小至0

2、.1角秒的微小角度变化；,第3章 电感式传感器,(3)重复性好，线性度优良。非线性误差可达0.1%；(4)输出功率大、输出阻抗小、抗干扰能力强、对工作环境要求不高。电感式传感器的缺点如下(1)频率响应差，不宜于快速动态测量；(2)存在交流零位信号。,第3章 电感式传感器,磁路与电路的对比如下表所示。,第3章 电感式传感器,3.1 自感式传感器 3.2 差动变压器式传感器 3.3 电涡流式传感器 3.4 压磁式传感器 3.5 应用举例,3.1 自感式传感器,自感式传感器,按磁路几何参数变化形式分类,变气隙型,螺管型,按磁路的结构型式分类,按组成方式分类,P型,E型,自感式传感器实质上是一个带气隙

3、的铁心和线圈，其分类如下。,变面积型,E型,单一式,差动式,3.1 自感式传感器,3.1.1 变气隙型自感式传感器的工作原理 3.1.2 变面积型自感传感器 3.1.3 等效电路 3.1.4 螺管型自感传感器 3.1.5 测量电路 3.1.6 自感式传感器的零位残余电压,3.1.1 变气隙型自感式传感器的工作原理,1.工作原理 如图所示，当衔铁上下移动时，磁路中气隙的磁阻发生变化，从而引起线圈自感的变化，这种变化与气隙大小相对应。只要能测出自感量的变化，就能判定位移量的大小。,3.1.1 变气隙型自感式传感器的工作原理,2.自感的计算及特性分析(1)自感的计算 根据电感的定义，线圈的电感量可由

4、下式确定,所以,另有,3.1.1 变气隙型自感式传感器的工作原理,假设：铁心磁路中的磁滞及涡流损耗不计；不考虑集肤效应及边缘效应，认为铁心和气隙中的磁场是均匀分布的，同时忽略绕组的漏磁。则总磁阻为,导磁率mm0mr，m0为真空磁导率，而空气的相对磁导率mr1。S为空气隙的截面积。,3.1.1 变气隙型自感式传感器的工作原理,由于m1、m2 m0，所以,所以,3.1.1 变气隙型自感式传感器的工作原理,(2)自感的特性分析 特性曲线如图所示。初始气隙记作d0，衔铁的位移量即气隙变化量记作Dd，对应的自感变化量记作DL1(或DL2)，衔铁处于起始位置时的电感值为,3.1.1 变气隙型自感式传感器的

5、工作原理,当衔铁上移Dd时，传感器气隙减小Dd，即dd0Dd，则此时电感为,当Dd/d 01时，可将上式展开成级数形式,3.1.1 变气隙型自感式传感器的工作原理,由上式可求得电感增量DL1和相对增量DL1/L0的表达式为,3.1.1 变气隙型自感式传感器的工作原理,DL1和Dd的关系是非线性的。减小非线性的方法如下 减小Dd，但测量范围也减小；增加d0，但灵敏度降低。仅取线性项，得,3.1.1 变气隙型自感式传感器的工作原理,当d0增加时，灵敏度下降。即非线性与灵敏度相矛盾，也就与测量范围相矛盾。所以变气隙式电感传感器一般用于测量微小位移，常取Dd/d0 0.10.2。为了减小非线性误差，实

6、际测量中广泛采用差动变气隙式电感传感器。,得(相对)灵敏度为,3.1.1 变气隙型自感式传感器的工作原理,当衔铁向上移动Dd时，上面线圈的电感L1由式(3.6)给出，下面线圈的电感则为,在差动使用时，电桥输出与DL有关。DL的表达式为,3.1.1 变气隙型自感式传感器的工作原理,仅取线性项，得,3.1.1 变气隙型自感式传感器的工作原理,灵敏度为,与单线圈变气隙式电感传感器相比，灵敏度高一倍。线性度得到明显改善(因忽略的是更高阶项)。为此，两个变气隙式电感传感器在结构尺寸、材料、电气参数等方面均应完全一致。,3.1 自感式传感器,3.1.1 变气隙型自感式传感器的工作原理 3.1.2 变面积型

7、自感传感器 3.1.3 等效电路 3.1.4 螺管型自感传感器 3.1.5 测量电路 3.1.6 自感式传感器的零位残余电压,3.1.2 变面积型自感传感器,变面积型自感传感器如图所示。其气隙长度d 保持不变，磁通截面积随被测量而变。,3.1.2 变面积型自感传感器,式(3.3)即,可见，变面积型传感器在忽略气隙磁通边缘效应的条件下，输出特性呈线牲，因此可望得到较大的线性范围。与变气隙型相比较，其灵敏度较低。欲提高灵敏度，需减小d 和增加N，但同样受到工艺和结构的限制，气隙长度d 的选取与变气隙型相同。思考：为什么图3.3所示结构L与S不呈线性关系？,3.1 自感式传感器,3.1.1 变气隙型

8、自感式传感器的工作原理 3.1.2 变面积型自感传感器 3.1.3 等效电路 3.1.4 螺管型自感传感器 3.1.5 测量电路 3.1.6 自感式传感器的零位残余电压,3.1.3 等效电路,前面认为线圈是一个纯电感，实际上它不是，可以等效成图示电路。,Rc 线圈的铜损电阻。Rv 涡流损耗电阻。Rh 磁滞损耗电阻。C 线圈匝间电容和电缆分布电容。,3.1.3 等效电路,(1)铜损电阻 铜损电阻应尽量小。设导线平均匝长为l，当忽略导线趋肤效应与邻近效应时，铜损电阻为,(2)涡流损耗电阻 涡流损耗电阻Rv是因为交变电流激励产生的交变磁场，会在线圈铁心中造成涡流而损耗能量。根据经典的涡流损耗计算公式

9、知，为降低涡流损耗，叠片式铁心的片厚应薄；高电阻率有利于涡流损耗的下降，而高磁导率却会使涡流损耗增加。,3.1.3 等效电路,(3)磁滞损耗电阻 磁滞损耗电阻Rh越小越好，它是因为铁磁物质在交变磁化时，磁分子来回翻转需要克服阻力引起能量损耗。(4)并联寄生电容 主要由线圈绕组的固有电容与电缆分布电容所构成。按规定电缆校准好的仪器，如更换了电缆，则应重新校准或采用并联电容加以调整。,3.1.3 等效电路,例3.1 图示为变气隙型电感式传感器，衔铁截面积S4 mm4 mm，气隙总长度ld0.8 mm，衔铁最大位移Dld0.08 mm，激励线圈匝数N2500匝，导线直径d,0.06 mm，电阻率r1

10、.75106 Wcm。当激励电源频率f4 000 Hz时，忽略漏磁及铁损(包括涡损与磁滞损耗)，计算,3.1.3 等效电路,线圈电感值；电感的最大变化量；当线圈外截面为11 mm11 mm 时，求其直流电阻值；线圈的品质因数；当线圈存在200 pF分布电容与之并联后其等效电感变化多大？,3.1.3 等效电路,解 根据变气隙型电感的计算公式及图示结构，可知其初始电感为,当衔铁位移Dld0.08 mm时的电感值L1为,3.1.3 等效电路,当衔铁位移Dld0.08 mm时的电感值L2为,所以，当衔铁最大位移Dld0.08 mm时，相应的电感最大变化量为,3.1.3 等效电路,铁心横截面为4 mm4

11、 mm，线圈外截面为11 mm11 mm，取平均值，按横截面为7.5 mm7.5 mm计算每匝总长，得l47.530 mm。所以,3.1.3 等效电路,线圈的品质因数为,当线圈存在C200 pF的分布电容时，如上图所示，其等效电路如下图所示。等效条件为它们的阻抗相等，即,3.1.3 等效电路,得,3.1.3 等效电路,当Q 1时，有,所以，等效电感变化量为,3.1 自感式传感器,3.1.1 变气隙型自感式传感器的工作原理 3.1.2 变面积型自感传感器 3.1.3 等效电路 3.1.4 螺管型自感传感器 3.1.5 测量电路 3.1.6 自感式传感器的零位残余电压,3.1.4 螺管型自感传感器

12、,螺管型自感传感器由线圈、衔铁和磁性套筒组成。随着衔铁插入线圈深度的不同将引起线圈漏磁路径中磁阻变化，从而使线圈的电感发生变化。但理论推导复杂，且理论结果与实践相差很多。,3.1.4 螺管型自感传感器,螺管式自感传感器与前两种相比有以下特点(1)由于空气隙大，磁路磁阻大，故灵敏度较前两种低，欲提高灵敏度，可提高ra/r、la/l及增加匝数，但前者受结构与非线性限制，后者受稳定性限制。(2)从磁通分布看，只要满足主磁通不变、线圈绕组排列均匀等条件，可望得到较大的线性范围。,3.1.4 螺管型自感传感器,3.1 自感式传感器,3.1.1 变气隙型自感式传感器的工作原理 3.1.2 变面积型自感传感

13、器 3.1.3 等效电路 3.1.4 螺管型自感传感器 3.1.5 测量电路 3.1.6 自感式传感器的零位残余电压,1.变压器电桥 Z1、Z2为差动传感器两线圈的阻抗，另两臂为电源变压器次级线圈。输出空载电压为,3.1.5 测量电路,3.1.5 测量电路,初始时电桥处于平衡状态，Z1Z2Z0，输出为零。当铁心偏离平衡位置时，Z1Z0DZ，Z2Z0DZ，则,当传感器铁心的移动方向改变时，输出电压的相位随之反相，由此可判别衔铁移动的方向。整流后的输出为,3.1.5 测量电路,当QwL/R很大且DR可以忽略时，上式可写成,变压器电桥使用元件少，输出阻抗小(变压器次级线圈的阻抗可忽略，输出阻抗为传感

14、器两线圈阻抗的并联)，因而获得了广泛应用。思考：DR不可以忽略时Uo的表达式如何？,3.1.5 测量电路,特性曲线如图所示。,3.1.5 测量电路,2.调幅电路 传感器电感L与一个固定电容C和一个变压器T串联在一起，接入外接电源U后，变压器的二次线圈将有电压Uo输出，输出电压的频率将与电源频率相同，幅度随L变化。Lo为谐振点的电感值。这种电路灵敏度很高，但线性较差。,3.1.5 测量电路,3.调频电路 一般是把传感器电感L和一个固定电容C接入一个振荡回路中。图中G表示振荡回路，其振荡频率为,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之值。,3.1.5 测量电路,当L有了微小改变D

15、L后，频率变化Df为,由于f和L之间存在严重非线性关系，要求后续电路作适当处理。调频电路只有在f较大的情况下才能达到较高精度。,3.1.5 测量电路,4.调相电路 左图是一个相位电桥，一臂为传感器L，另一臂为固定电阻R。设计时，使电感线圈具有高的品质因数，忽略其损耗电阻，线圈可看作一个纯电感。则电感线圈上的压降向量与固定电阻上的压降向量互相垂直，如右图所示。,3.1.5 测量电路,当L改变时，的值随之变化，C点的轨迹是以AB为直径的半圆，连接OC，则向量OC为调相电路输出电压，显然OC幅值是不变的，而其相位为,j与L之间的关系如下图所示。当DL很小时，可得,3.1 自感式传感器,3.1.1 变

16、气隙型自感式传感器的工作原理 3.1.2 变面积型自感传感器 3.1.3 等效电路 3.1.4 螺管型自感传感器 3.1.5 测量电路 3.1.6 自感式传感器的零位残余电压,3.1.6 自感式传感器的零位残余电压,当电感式传感器的衔铁位于初始平衡位置时，测量电桥的输出理论上应为零，但实际上总存在零位不平衡电压输出，从而造成零位误差。这个零位时输出的最小电压称作零位残余电压，并用e0表示。,3.1.6 自感式传感器的零位残余电压,左图是从示波器上观察到的零位残余电压的波形，是由很多幅值和频率互不相同的谐波组成的。基波包括同相分量与正交分量(通常是主要的)。高次谐波中主要有偶次谐波和三次谐波。另

17、外还有幅值较小的外界电磁干扰波。,3.1.6 自感式传感器的零位残余电压,1.产生零位残余电压的原因 差动式电感传感器的电气参数及结构尺寸不可能完全对称；传感器具有铁损，即磁化曲线的非线性；电源电压中含有高次谐波；线圈具有寄生电容，线圈与外壳、铁心间有分布电容。,3.1.6 自感式传感器的零位残余电压,2.减小零位残余电压的措施 衔铁、骨架等零件应保证足够的加工精度，两线圈绕制要一致，必要时可选配线圈。保证电、磁、几何对称。减小电源中的谐波成分。减小励磁电流，使之工作在磁化曲线的线性段。注意利用外壳进行电磁屏蔽。采用电路措施来减小零位电压。,3.1.6 自感式传感器的零位残余电压,3.补偿电路

18、 如图所示，串联电阻Ra用来消除基波同相分量；并联电阻Rb用来消除高次谐波分量；并联电容C用来消除基波正交分量或高次谐波分量。,3.1.6 自感式传感器的零位残余电压,如图所示是一种实际补偿电路。,3.1 自感式传感器,3.1.1 变气隙型自感式传感器的工作原理 3.1.2 变面积型自感传感器 3.1.3 等效电路 3.1.4 螺管型自感传感器 3.1.5 测量电路 3.1.6 自感式传感器的零位残余电压,第3章 电感式传感器,3.1 自感式传感器 3.2 差动变压器式传感器 3.3 电涡流式传感器 3.4 压磁式传感器 3.5 应用举例,3.2 差动变压器式传感器,3.2.1 结构与工作原理

19、 3.2.2 螺管型差动变压器 3.2.3 测量电路,3.2.1 结构与工作原理,差动变压器式传感器是一种常用的互感式传感器，其初、次级线圈互感随衔铁位移变化而变化。和一般变压器不同的是：后者一般为闭合磁路，前者一般为开磁路；后者初、次级间的互感为常数，前者初、次级间的互感随衔铁移动而变，且两个次级绕组按差动方式工作。,3.2.1 结构与工作原理,差动变压器式传感器类型 变气隙型。灵敏度较高，但测量范围小，一般用于测量几mm到几百mm的位移。,3.2.1 结构与工作原理,变面积型。一般可分辨零点几角秒以下的微小角位移，线性范围达 10。,3.2.1 结构与工作原理,螺管型。可测量几mm到1m的

20、位移，但灵敏度稍低。其示值范围大，自由行程可任意安排、制造装配也较方便。,3.2 差动变压器式传感器,3.2.1 结构与工作原理 3.2.2 螺管型差动变压器 3.2.3 测量电路,3.2.2 螺管型差动变压器,1.结构特点 螺管型差动变压器结构形式虽有多种，但不外乎包括线圈组件、铁心和衔铁三部分。铁心的作用是提供闭合回路、磁屏蔽和机械保护。活动衔铁和铁心用同种材料制造，通常选用电阻率大、导磁率高、饱和磁感应强度大的材料。,3.2.2 螺管型差动变压器,线圈组件由初、次级线圈和骨架组成。线圈通常用高强度漆包线密绕而成。骨架通常采用圆柱形，对其材料的要求是：高频损耗小、抗潮湿、温度膨胀系数小。根

21、据一次、二次线圈排列形式不同，有图示几种形式。常用的是二节式和三节式。,3.2.2 螺管型差动变压器,2.输出特性分析(1)等效电路 为便于研究，可忽略铁损、导磁体磁阻和线圈间寄生电容，得等效电路如图所示。,3.2.2 螺管型差动变压器,次级回路的输出开路电压为,即,令tp=L1/R1，代入上式可得差动变压器的输出特性为,3.2.2 螺管型差动变压器,(1)铁心处于中间位置时，Ma=Mb=M0，则Uo=0。(2)铁心上升时，Ma=M0+DM，Mb=M0-DM，得,(3)铁心下降时，Ma=M0-DM，Mb=M0+DM，得,3.2.2 螺管型差动变压器,输出电压还可以写成,式中，Uo0为铁心处于中

22、间平衡位置时单个次级线圈的感应电势。,3.2.2 螺管型差动变压器,(2)灵敏度 提高灵敏度的途径如下：提高线圈的品质因数，为此需增大差动变压器的尺寸，一般线圈长度为直径的1.52.0倍为宜。选择较高的激励频率。,3.2.2 螺管型差动变压器,增大铁心直径，使其接近线圈架内径，但不触及线圈架。铁心尽量采用导磁率高、铁损小、涡流损耗小的材料。在不使初级线圈发热的条件下，应尽量提高激励电压。,3.2.2 螺管型差动变压器,(3)电源频率特性 根据式(3.32),当激励频率很低时，wL1R1，这时，差动变压器的灵敏度随频率w的增加而增加。即,3.2.2 螺管型差动变压器,当w增加到wL1R1时，灵敏

23、度与频率无关，是一个常数。即,3.2.2 螺管型差动变压器,当w继续增加到某一数值(此值和铁心的材料有关)，由于趋肤效应和铁损使灵敏度下降。通常差动变压器的激励频率取50Hz10kHz较为适当。,3.2.2 螺管型差动变压器,例3.2 试分析下图所示差动变压器零点残余电压U0补偿电路原理，并画出向量图。,3.2.2 螺管型差动变压器,解 补偿前，设|e21|e22|，并且e21超前e22的相角为q，此时可采用如图所示的补偿方法，在e21回路中串联电位器R与电容C来调节。,3.2.2 螺管型差动变压器,补偿前，零点残余电压U0如图所示。,加入补偿电阻R、补偿电容C后，零点残余电压为eC与-e22

24、的矢量和。而电阻上电压eR与电容上电压eC的矢量和为e21，如图所示。,3.2.2 螺管型差动变压器,图中，S点在以e21为直径的半圆上。调节R，可改变S点的位置，但始终有eR垂直于eC。,3.2.2 螺管型差动变压器,以-e22为半径画一圆，与上述半圆必定有一交点。调节R，总可以使S点与上述交点重合，此时，|eC|=|e22|，即使eC与e22之间有相位差，也远远小于q，eC与-e22的矢量和也远远小于U0。若eC与e22之间的相位差正好为零，则零点残余电压完全消除。,也可使S点在-e22的反向延长线上,3.2 差动变压器式传感器,3.2.1 结构与工作原理 3.2.2 螺管型差动变压器 3

25、.2.3 测量电路,3.2.3 测量电路,1.差动整流电路 这种电路是把差动变压器两个线圈的电压分别整流，然后将整流后的电压或电流的差值作为输出。这种电路简单，不需要参考电压，不用考虑相位调整和零位电压的影响，对分布电容影响不敏感。此外，由于经差动整流后变成直流输出，便于远距离输送，因此应用广泛。,3.2.3 测量电路,3.2.3 测量电路,+,-,+,-,+,-,-,+,3.2.3 测量电路,2.差动相敏检波电路 相敏检波电路要求参考电压与差动变压器次级输出电压频率相同，相位相同或相反，因此常需接入移相电路。为了提高检波效率，参考电压的幅值常取为信号电压的35倍。若输出信号过小，可进行放大。

26、,3.2.3 测量电路,二极管相敏检波电路如图所示。u1为差动变压器输出电压，u2为与u1同频的参考电压，且u2u1，它们作用于相敏检波电路两个性能相同的变压器B1和B2。u1=u1、u2=u2。u1与u2同相时，B1、B2输出电压的参考方向如图所示。另假设二极管性能相同。,3.2.3 测量电路,(1)当u1=0时。由于u2的作用，在u2正半周时，D3、D4导通，D1、D2截止，电流i3、i4以不同方向流过电流表。已知u2=u2且二极管性能相同，所以i3=i4，流过电流表的实际电流为零。,3.2.3 测量电路,在u2负半周时，D1、D2导通，D3、D4截止，流过电流表的实际电流仍然为零。,(2

27、)当u10，但与u2同相时。由于u2u1，在u2正半周时，D3、D4仍然导通，D1、D2仍然截止。不过此时作用在D4两端的电压为u2+u1，而作用在D3两端的电压为u2-u1=u2-u1，所以i3i4，电流表指针右偏。同理，在u2负半周时，电流表指针也右偏。,3.2.3 测量电路,3.2.3 测量电路,(3)当u10，与u2反相时。由于u2u1，在u2正半周时，D3、D4仍然导通，D1、D2仍然截止。不过此时作用在D4两端的电压为u2-u1，而作用在D3两端的电压为u2+u1=u2+u1，所以i3i4，电流表指针左偏。同理，在u2负半周时，电流表指针也左偏。,3.2 差动变压器式传感器,3.2

28、.1 结构与工作原理 3.2.2 螺管型差动变压器 3.2.3 测量电路,第3章 电感式传感器,3.1 自感式传感器 3.2 差动变压器式传感器 3.3 电涡流式传感器 3.4 压磁式传感器 3.5 应用举例,3.3 电涡流式传感器,电涡流式传感器是20世纪70年代发展起来的新型传感器，它的特点是结构简单、灵敏度高、频率响应范围宽、还可对一些参数进行非接触的连续测量。电涡流式传感器主要分为高频反射式和低频透射式两类。,3.3 电涡流式传感器,3.3.1 高频反射式涡流传感器3.3.2 低频透射式涡流传感器,3.3.1 高频反射式涡流传感器,1.基本原理 高频交变电流产生交变磁场，在金属导体内引

29、发电涡流。涡流将产生反向交变磁场，从而导致线圈的电感量、阻抗和品质因数发生变化。这些参数变化与导体的几何形状、电导率、磁导率，线圈的几何参数，电源的频率以及线圈到被测导体间的距离有关。,3.3.1 高频反射式涡流传感器,2.等效电路 把空心线圈(等效电阻和电感为R1、L1)看作变压器的初级，涡流回路(等效电阻和电感为R2、L2)看作变压器次级，互感M为其间的联系，等效电路如图所示。根据基尔霍夫定律得,3.3.1 高频反射式涡流传感器,解得,线圈受到金属导体中涡流的影响后，等效阻抗为,受到涡流影响后等效电阻和等效电感分别为,线圈的等效品质因数Qeq为,3.3.1 高频反射式涡流传感器,在Leq的

30、表达式中，第二项与涡流效应有关，涡流引起的反磁场将使电感减小，x越小，减小程度越大。第一项L1与磁效应有关。若金属导体为非磁性材料，L1就是空心线圈的电感，不随x改变，Leq随x减小而减小。若金属导体为磁性材料，L1将随x减小而增大，最终使Leq随x减小而增大。,3.3.1 高频反射式涡流传感器,Req总是比原电阻R1大，这是因为涡流损耗、磁滞损耗都将使阻抗的实数部分增加。显然，金属导体的导电性能和线圈与导体的距离将直接影响Req的大小。,3.3.1 高频反射式涡流传感器,由式(3.41)、(3.42)、(3.43)可知，电涡流既能引起线圈阻抗变化，也能引起线圈电感和线圈Q值变化。所以电涡流传

31、感器的转换电路，其作用在于将Z、L、Q中任一参数转换成电量，从而达到测量目的。,3.3.1 高频反射式涡流传感器,3.结构形式 其结构很简单，主要是一个安置在框架上的线圈，线圈可绕成一扁平圆形，粘贴于框架之上，也可在框架上开一条槽，导线绕制在槽内形成线圈。对导线、框架电缆和插头都有一定的要求。,l线圈；2框架；3框架衬套；4支座；5电缆；6插头,3.3.1 高频反射式涡流传感器,4.测量电路 针对被测参量可以转换为线圈电感、阻抗或Q值的三种参数的变化，测量电路也有三种：谐振电路、电桥电路与Q值测试电路。这里只介绍谐振电路，主要有调频式、调幅式两种。,3.3.1 高频反射式涡流传感器,(1)调频

32、式电路 当传感器与被测导体距离x改变时，在电涡流影响下，传感器的电感变化，将导致振荡频率的变化，振荡频率可由频率计直接测量，或通过F-V变换，用电压表测量。,3.3.1 高频反射式涡流传感器,(2)调幅式电路 它由高频激励电流对一并联的LC电路供电。L是传感器的激励线圈，由于LC并联电路的阻抗在谐振时达到最大，而在失谐状态下急剧减小。故在定频恒流激励下，输出电压随着失谐的增大而迅速下降。,3.3.1 高频反射式涡流传感器,LC回路谐振频率的偏移如左图。当被测导体为软磁材料时，由于L增大而使谐振频率下降(向左偏移)。为非软磁材料时则反之(向右偏移)，右图为此时的特性曲线。,3.3 电涡流式传感器

33、,3.3.1 高频反射式涡流传感器3.3.2 低频透射式涡流传感器,3.3.2 低频透射式涡流传感器,当在发射线圈L1上加音频电压U1时，则L1产生交变磁场。无金属板时，直接耦合至接收线圈L2中，在L2中产生感应电压E。放入金属板后，则在金属板中产生电涡流i，引起E的下降。t越大，E就越小。这就是测厚依据。透射式涡流厚度传感器检测范围可达1100mm，分辨率为0.1mm，线性度为 1%。,3.3.2 低频透射式涡流传感器,进一步的理论分析和实验结果证明，E与e-t/h成正比，其中t为被测材料厚度，h为涡流渗透深度。而h又与(r/f)1/2成正比，其中r为被测材料的电阻率，f为交变电磁场的频率。

34、所以接收线圈的电势E随被测体厚度t的增大而按负指数幂规律减少。,3.3.2 低频透射式涡流传感器,同一种材料，激励频率f不同，渗透深度h不同，特性曲线不同。激励频率较高时，曲线各段斜率相差大，线性不好，但灵敏度高，激励频率较低时，线性好，测量范围大，但灵敏度低。,3.3.2 低频透射式涡流传感器,当f一定，被测材料电阻率r不同时，h也不同。为使测量不同材料时所得曲线形状相近，就需要在r变动时保持h不变，这时应改变激励频率f，从而保证传感器在测量不同材料时的线性度和灵敏度相同。,3.3.2 低频透射式涡流传感器,例3.3 利用电涡流法测板材厚度，已知f、mr、r等，被测板厚为(1+0.2)mm。

35、要求：(1)计算采用高频反射法测量时的h。(2)能否用低频透射法测量板厚？若可以应采取什么措施？画出检测示意图。,解(1)涡流渗透深度为,3.3.2 低频透射式涡流传感器,高频反射法测量厚度时，一般采用双探头，两探头之间距离D为定值，被测板从线圈间通过，可计算出板厚为,3.3.2 低频透射式涡流传感器,(2)用低频透射法测量板厚需要降低激励电源频率，使电涡流渗透深度h大于板材厚度tmax=1.2mm，即应满足tmaxh，mr和f为定值，则,3.3.2 低频透射式涡流传感器,在f5.1kHz时，采用低频透射法测量板厚，发射线圈1在励磁电压e1作用下产生磁力线，经被测板厚后，到达接收线圈2使之产生

36、感应电动势e2，它是板厚t的函数，只要线圈之间的距离D一定，测得e2的值即可算出板厚t。,3.3 电涡流式传感器,3.3.1 高频反射式涡流传感器3.3.2 低频透射式涡流传感器,第3章 电感式传感器,3.1 自感式传感器 3.2 差动变压器式传感器 3.3 电涡流式传感器 3.4 压磁式传感器 3.5 应用举例,3.4 压磁式传感器,压磁式传感器又称磁弹性式传感器，是利用铁磁材料的压磁效应工作的传感器。这种传感器具有输出功率大、抗干扰性能好、过载能力强、适宜在恶劣环境中长期可靠地运行等优点。但是测量精度一般(通常低于1%F.S.)，频率响应较低(一般不高于12kHz)。,3.4 压磁式传感器

37、,3.4.1 压磁效应3.4.2 压磁式传感器的结构与工作原理3.4.3 测量电路,3.4.1 压磁效应,铁磁材料在外力作用下，引起内部变形产生应力，使各磁畴之间的界限发生移动，使磁畴磁化强度矢量转动，从而使材料的磁化强度发生相应的变化。这种现象称为压磁效应。铁磁材料在压力作用下，在作用力方向磁导率m减小，而在与作用力垂直方向，m略有增大；作用力是拉力时，其效果相反。,3.4.1 压磁效应,作用力取消后，磁导率复原。铁磁材料的压磁效应还与外磁场有关。为了使磁感应强度与应力间有单调函数关系，必须使外磁场强度的数值恒定。,3.4.1 压磁效应,铁磁材料的磁导率m与应力s之间有如下关系,式中 es压

38、磁材料在饱和时的应变；Bs饱和磁感应强度。由上式可知，对压磁材料的要求是，能承受大的应力、磁导率高、饱和磁感应强度小。,3.4.1 压磁效应,压磁元件可采用的材料有硅钢片，坡莫合金和一些铁氧体。坡莫合金是理想的压磁材料，它具有很高的相对灵敏度，但价格较贵。铁氧体也有很高的相对灵敏度，但由于它较脆而不常采用。硅钢片虽然灵敏度比坡莫合金低一些，但在许多实际应用中已经满足要求。,3.4 压磁式传感器,3.4.1 压磁效应3.4.2 压磁式传感器的结构与工作原理3.4.3 测量电路,3.4.2 压磁式传感器的结构与工作原理,1.结构 冷轧硅钢片冲压成形，经热处理后叠成一定厚度，用环氧树脂粘合在一起，然

39、后在两对互相垂直的孔中分别绕入激励线圈和输出线圈，形成压磁元件。与弹性支架、传力钢球构成压磁式传感器。,1-压磁元件；2-弹性支架；3-传力钢球,3.4.2 压磁式传感器的结构与工作原理,2.工作原理 如左图所示，激励绕组N12，输出绕组N34。在无外力时，合成磁场强度H平行于输出绕组的平面，在N34中不产生感应电动势，如右图所示。,3.4.2 压磁式传感器的结构与工作原理,在压力F作用下，A、B区域的磁导率下降，磁阻增大，而C、D区域的磁导率基本不变，于是合成磁场H不再与N34平面平行，一部分磁力线与N34交链而产生感应电动势e。F值越大，与N34交链的磁通越多，e值就越大。,3.4 压磁式

40、传感器,3.4.1 压磁效应3.4.2 压磁式传感器的结构与工作原理3.4.3 测量电路,3.4.3 测量电路,交流电经T1降压供给激励绕组，输出由T2升压放大。滤波器Z1滤除高次谐波，整流后用滤波器Z2滤波，最后直流输出。虚线框内是补偿电路，用来补偿零位电压，其中R1用来调幅值，R2用来调相位。,3.4 压磁式传感器,3.4.1 压磁效应3.4.2 压磁式传感器的结构与工作原理3.4.3 测量电路,第3章 电感式传感器,3.1 自感式传感器 3.2 差动变压器式传感器 3.3 电涡流式传感器 3.4 压磁式传感器 3.5 应用举例,3.5 应用举例,3.5.1 电感式传感器的应用 3.5.2

41、 电涡流式传感器的应用,3.5.1 电感式传感器的应用,1.差动变压器式应变仪 在测量时，两探针与不光滑被测表面接触(或用压力埋入被测体中)。传感器输出电压增量的绝对值与应变值成正比。,3.5.1 电感式传感器的应用,还可测厚度、角度、表面粗糙度、垂直度、压力、流量、液位、张力、重力、负荷量、扭矩、应力、动力、气压、温度、振动、速度、加速度等。,3.5.1 电感式传感器的应用,2.电感式压力传感器 当被测压力进入C形弹簧管时，C形弹簧管产生变形，其自由端带动衔铁运动，使线圈1和线圈2中的电感发生大小相等、符号相反的变化，通过电桥电路转换成电压输出。,3.5.1 电感式传感器的应用,3.电感式加

42、速度传感器 测量时，将悬臂梁底座及差动变压器的线圈骨架固定，而将衔铁的A端与被测振动体相连。由Dx(t)求导得速度，再求导得加速度。,3.5.1 电感式传感器的应用,4.一种新型的电感式位移传感器 和传统的电感式位移传感器不同的是，这种传感器的磁芯截面积不再是均匀不变的，而是按照一定的规律变化的，以使输出电压和位移尽可能成线性关系。,应用于水电站门机抓梁上，能测量01000mm的位移，分辨力1mm。,3.5 应用举例,3.5.1 电感式传感器的应用 3.5.2 电涡流式传感器的应用,3.5.2 电涡流式传感器的应用,下表给出了电涡流式传感器在工业测量中的主要应用。,3.5.2 电涡流式传感器的

43、应用,1.高频反射式涡流厚度传感器 为克服带材弯曲或上下波动的影响，在上、下两侧对称地设置两个特性完全相同的涡流传感器S1、S2。,3.5.2 电涡流式传感器的应用,2.电涡流式转速传感器 如图所示，当被测旋转轴转动时，轴与传感器之间的距离发生变化。由于电涡流效应，这种变化将影响振荡器的电压幅值和振荡频率。,3.5.2 电涡流式传感器的应用,3.电涡流温度计 在较小温度范围内，导体的电阻率与温度有如下关系,因为电涡流传感器的输出U=f(x,r,m)，当x和m为常数时，则输出U=f(r)。,1-补偿线圈；2-骨架；3-测量线圈；4-隔热衬垫；5-温敏元件,3.5.2 电涡流式传感器的应用,磁性材

44、料(如冷延钢板)的温度系数大，温度灵敏度高，而非磁性材料(如铝、铜)的温度系数小，温度灵敏度低，因而这种方法主要适用于磁性材料的温度测量。上述原理还可用来测量液体、气体介质的温度或金属材料的表面温度，适合于低温到常温的测量。电涡流式温度计的优点是：不受金属表面涂层、油、水等介质影响；可实现非接触测量；反应快，目前已制成热惯性时间常数仅为1ms的电涡流温度计。,3.5.2 电涡流式传感器的应用,4.涡流探伤 电涡流传感器可用来检查金属的表面裂纹和热处理裂纹，也可用于焊接部位的探伤等。传感器与被测物体距离保持不变，如有裂纹出现，将引起金属的电阻率、磁导率的变化。在裂纹处也可以说有位移值的变化。这些综合参数(x、r、m)的变化将引起传感器参数的变化，即可达到探伤的目的。,3.5.2 电涡流式传感器的应用,探伤时导体与线圈之间有相对运动，在测量线圈上就会产生调制频率信号。缺陷或裂纹会产生较高频率的调幅波，剩余应力趋向于中等频率的调幅波，热处理、合金成分变化趋向于较低频率的调幅波。在探伤时，为了获得所需信号需采用滤波器。对比较浅的裂缝信号，还可采用幅值甄别电路。,3.5.2 电涡流式传感器的应用,5.电涡流传感器的其他应用,3.5.2 电涡流式传感器的应用,案例,第3章作业,3.5、3.8、3.93.5中，(2)当|DZ|=10W,