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第4章 电感式传感器 第4章 电感式传感器 4.1 变磁阻式传感器变磁阻式传感器 4.2 差动变压器式传感器差动变压器式传感器4.3 电涡流式传感器电涡流式传感器 第4章 电感式传感器 4.1 变磁阻式传感器变磁阻式传感器411 工作原理工作原理 自感式电感传感器是利用自感式电感传感器是利用线圈自感量的变化来实现测线圈自感量的变化来实现测量的。传感器量的。传感器结构如右图所示。它由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成，在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为，传感器的运动部分与衔铁相连。线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁第4章 电感式传感器 当被测量变化时，使衔铁产生位移，当被测量变化时，使衔铁产生位移，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感量变化，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。这种传感器又称为变磁阻式传感器传感器又称为变磁阻式传感器。第4章 电感式传感器 根据对电感的定义，线圈中电感量可由下式确定：IWIL（4-1）式中：线圈总磁链；I通过线圈的电流；W线圈的匝数；穿过线圈的磁通。由磁路欧姆定律，得 mRIW（4-2）式中,Rm为磁路总磁阻。第4章 电感式传感器 对于变隙式传感器，因为气隙很小，所以可以认为气隙中的磁场是均匀的。若忽略磁路磁损，则磁路总磁阻为 002221112SSlSlRm（4-3）式中：1铁芯材料的导磁率；2衔铁材料的导磁率；l1磁通通过铁芯的长度；l2磁通通过衔铁的长度；S1铁芯的截面积；S2衔铁的截面积；0空气的导磁率；S0气隙的截面积；气隙的厚度。铁芯铁芯衔铁衔铁第4章 电感式传感器 通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻，即 222001110022SlSSlS（4-4）则式（4-3）可写为 002SRm（4-5）联立式（4-1）、式（4-2）及式（4-5），可得 20022SWRWLm（4-6）002221112SSlSlRmIWILmRIW第4章 电感式传感器 线圈的匝数式表明，当线圈匝数为常数时，电感L仅仅是磁路中磁阻Rm的函数，改变或S0均可导致电感变化，因此变磁阻式传感器又可分为变变气隙厚度气隙厚度的传感器和变气隙面积变气隙面积S0的传感器。目前使用最广泛目前使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器的是变气隙厚度式电感传感器。20022SWRWLm002SRm第4章 电感式传感器 4.1.2 输出特性输出特性由式（4-6）可知变气隙厚度(变隙)式电感传感器电感与气隙之间是非线性关系，特性曲线如图4-2所示，设电感传感器初始气隙为，初始电感量为L0，衔铁位移引起的气隙变化量为，当衔铁处于初始位置时，初始电感量为 020002WSL（4-6）当衔铁上移时，传感器气隙减小，即=0-，则此时输出电感为L=L0+L，代入式（4-6）式并整理，得 00000201)(2LSWLLL（4-8）20022SWRWLm（4-7）第4章 电感式传感器 图4-2 变隙式电压传感器的L-特性20022SWRWLm第4章 电感式传感器 当/01时，可将上式用台劳级数台劳级数展开成如下的级数形式：30200001LLLL（4-9）由上式可求得电感增量L和相对增量L/L0的表达式，即 200002000011LLLL(4-10)(4-11)00000201)(2LSWLLLLL0001第4章 电感式传感器 同理，当衔铁随被测体的初始位置向下移动时，有 3020000302000011LLLL（4-12）（4-13）对式（4-11）、（4-13）作线性处理，即忽略高次项后，可得 00LL（4-14）第4章 电感式传感器 灵敏度为 001LLK由此可见，变隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾，因此变隙式电感式传感器适用于测量微小位移的场合变隙式电感式传感器适用于测量微小位移的场合。为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变隙式实际测量中广泛采用差动变隙式电感传电感传感器感器。（4-15）00LLK00LL（4-14）第4章 电感式传感器 图4-3所示为差动变隙式电感传感器的原理结构图。由图可知，差动变隙式电感传感器由两个完全相同的电感线圈合用一个衔铁和相应磁路组成。测量时，衔铁与被测件相连，当被测件上下移动时，带动衔铁也以相同的位移上下移动，导致一个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减小，形成差动形式。（假设上移，L=L1-L2=L1+L2图4-3 差动变隙式电感传感器第4章 电感式传感器 即即差动变隙式电感传感器差动变隙式电感传感器与与单极式电感传感器单极式电感传感器相比较，非线性相比较，非线性大大减小，灵敏度也提高了。大大减小，灵敏度也提高了。为了使输出特性能得到有效改善，构成差动的两个变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。00000030200002,2212LLKLLKLLL0000,1LLKLLK非线性相对误差10%单极式灵敏度单极式灵敏度非线性相对误差2LC且2LC R，则有 Z1+Z2j(L1+L2)，电桥输出电压为)()(21LLURZZZRUo(4-20)第4章 电感式传感器 在下图所示的差动变隙式电感传感器结构示意图中，当衔铁往上移动时，两个线圈的电感变化量L1、L2分别由式（410）及式（412）表示，设L=L1+L2，则 4020002112LLLL（4-21）对上式进行线性处理,即忽略高次项得 002LL（4-22）第4章 电感式传感器 灵敏度K0为 00002,2LLKLLK（4-23）比较式（4-15）与式（4-23），即比较单线圈式和差动式两较单线圈式和差动式两种变间隙电感传感器的灵敏度特性种变间隙电感传感器的灵敏度特性，可以得到如下结论结论：差动变式隙式电感传感器的灵敏度是单线圈式的两倍差动变式隙式电感传感器的灵敏度是单线圈式的两倍。差动变隙式电感传感器的非线性项由式(4-21)可得 (忽略高次项)。单线圈电感传感器的非线性项由式(4-11)或式(4-13)可得忽略高次项)。由于/01，因此，差动式的线性度得到明显改善差动式的线性度得到明显改善。3002/LL200/LL001LLK（4-15）第4章 电感式传感器 将 代入式（4-20）得002LL0002 LU电桥输出电压与成正比关系。)()(21LLURZZZRUo第4章 电感式传感器 图4-6所示电路为变压变压器式交流电桥测量电路器式交流电桥测量电路，电桥两臂、分别为传感器两线圈的阻抗，另外两桥臂分别为电源变压器的两次级线圈，其阻抗为次级线圈总阻抗的一半。当负载阻抗为无穷大时，桥路输出电压为 2212121211UZZZZUUZZZUo(4-24)测量时被测件与传感器衔铁相连，当传感器的衔铁处于中间位置，即Z1=Z2=Z时有 ，电桥平衡。0oU图4-6 变压器式交流电桥U0.Z2Z1第4章 电感式传感器 当传感器衔铁上移时，如Z1=Z+Z，Z2=Z-Z时，22ULLUZZUo(4-25)当传感器衔铁下移时，如Z1=Z-Z，Z2=Z+Z，此时 22ULLUZZUo(4-26)由以上分析可知，这两种交流电桥输出的空载电压相同，且当衔铁上下移动相同距离时，电桥输出电压大小相等而相位相反。由于是交流电压，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。U2212121211UZZZZUUZZZUo第4章 电感式传感器 3.谐振式测量电路谐振式测量电路 谐振式测量电路谐振式测量电路有谐振式调幅电路(如图4-7所示)和谐振式调频电路(如图4-8所示)。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，图4-7（b）为输出电压 与电感L的关系曲线，其中L0为谐振点的电感值，此电路灵敏度很高，但线性差，适用于线性度要求不高的场合。UoUU图4-7第4章 电感式传感器 图4-7 谐振式调幅电路 第4章 电感式传感器 调频电路的基本原理，是传感器电感L的变化将引起输出电压频率的变化。通常把传感器电感L和电容C接入一个振荡回路中，其振荡频率。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。图4-8（b）表示f与L的关系曲线，它具有严重的非线性关系。)2/(1LCf图4-8 谐振式调频电路 第4章 电感式传感器 4.1.4零点残余电压零点残余电压在前面讨论桥路输出电压时已得出结论，当两线圈的阻抗相等，即Z1=Z2时,电桥平衡,输出电压为零。由于传感器阻抗是一个复阻抗，因此为了达到电桥平衡，就要求两线圈的电阻相等，两线圈的电感也要相等。实际上这种情况是不能精确达到的，因而在传感器输入量为零时，电桥有一个不平衡输出电压Uo。图49给出了桥路输出电压与活动衔铁位移的关系曲线，图中虚线为理论特性曲线，实线为实际特性曲线。我们把传感器在零位移时的输出电压称为零点残余电压，记作Uo。第4章 电感式传感器 图4-9 变隙电感式压力传感器结构图 理论特性曲线实际特性曲线零点残余电压第4章 电感式传感器 零点残余电压零点残余电压主要主要由基波分量和高次谐波分量组成由基波分量和高次谐波分量组成。产生零点残余电压的原因大致有如下两点：（1）由于两电感线圈的电气参数及导磁体几何尺寸不完全对称，在两电感线圈上的电压幅值和相位不同，从而形成零点残余电压的基波分量。（2）由于传感器导磁材料磁化曲线的非线性（如铁磁饱和、磁滞损耗），使激励电流与磁通波形不一致，从而形成零点残余电压的高次谐波分量。第4章 电感式传感器 为减小电感式传感器的零点残余电压减小电感式传感器的零点残余电压，可采取以下措施：在设计和工艺上，力求做到磁路对称，铁芯材料均匀；要经过热处理以除去机械应力和改善磁性；两线圈绕制要均匀，力求几何尺寸与电气特性保持一致。在电路上进行补偿。这是一种既简单又行之有效的方法。零点残余电压的存在对传感器的影响：使得传感器输出特性在零点附近不灵敏，限制了分辨率的提高。零点残余电压太大，将使线性度变坏，灵敏度下降，甚至会使放大器饱和，堵塞有用信号通过，致使仪器不再反映被测量的变化。第4章 电感式传感器 图4-11为变隙式差动电感压力传感器。它主要由C形弹簧管、衔铁、铁芯和线圈等组成。当被测压力进入C形弹簧管时，C形弹簧管产生变形，其自由端发生位移，带动与自由端连接成一体的衔铁运动，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。即一个电感量增大，一个电感量减小。电感的这种变化通过电桥电路转换成电压输出，所以只要用检测仪表测量出输出电压，即可得知被测压力的大小。图411变隙式差动电感压力传感器 第4章 电感式传感器 4.1.54.1.5自感式电感传感器的应用自感式电感传感器的应用图410是变隙电感式压力传感器的结构图。它由膜盒、铁芯、衔铁及线圈等组成，衔铁与膜盒的上端连在一起。图410变隙电感式压力传感器结构图 第4章 电感式传感器 当压力进入膜盒时，膜盒的顶端在压力P的作用下产生与压力P大小成正比的位移，于是衔铁也发生移动，从而使气隙发生变化，流过线圈的电流也发生相应的变化，电流表A的指示值就反映了被测压力的大小。第4章 电感式传感器 4.2 差动变压器式传感器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。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组用差动形式连接，故称差动变压器式传感器差动变压器式传感器。差动变压器结构形式差动变压器结构形式较多，有变隙式、变面积式变面积式和螺线管式等，图4-12为差动变压器的结构示意图。在非电量测量中，应用最多的是螺线管式差动变压器，它可以测量1100mm 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。第4章 电感式传感器 图412差动变压器式传感器的结构示意图（a）、（b）变隙式差动变压器（c）、（d）螺线管式差动变压器（e）、（f）变面积式差动变压器 第4章 电感式传感器 图图4-13 4-13 差动变压器等效电路 4.2.1 4.2.1 螺线管式差动变压器螺线管式差动变压器 1 1工作原理工作原理 螺线管式差动变压器由初级线圈，两个次级线圈和插入线圈中央的圆柱形铁芯等组成。其中两个次级线圈反向串联，构成差动式两个次级线圈反向串联，构成差动式，并且在忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下,其等效电路如图 4 4-1313 所示。第4章 电感式传感器 第4章 电感式传感器 图图4-144-14 差动变压器输出电压的特性曲线 第4章 电感式传感器 2.基本特性基本特性差动变压器等效电路如图所示。当次级开路时有 1111LjrUI(4-2727)根据电磁感应定律，次级绕组中感应电势的表达式分别为 12IMjEaa12IMjEbb(4-28 8)(4-29 9)第4章 电感式传感器 由于次级两绕组反向串联，且考虑到次级开路，则由以上关系可得：111222LjrUMMjEEUbaba(4-3030)输出电压的有效值为 212112LrUMMUba(4-31)(4-31)第4章 电感式传感器 上式说明，当激磁电压的幅值和角频率、初级绕组的直流电阻及电感为定值时，差动变压器输出电压仅仅是初级绕组与两个次级绕组之间互感之差的函数。因此，只要求出互感和对活动衔铁位移x的关系式，再代入式（4-3030）即可得到螺线管式差动变压器的基本特性表达式。下面分三种情况进行分析：(1)活动衔铁处于中间位置时 MMMba02U故 212112LrUMMUba第4章 电感式传感器(2)活动衔铁向上移动,MMMaMMMb2121122LrMUU故 aE2与 同极性。212112LrUMMUba第4章 电感式传感器(3)活动衔铁向下移动,MMMaMMMb故 2121122LrMUUbE2与 同极性。212112LrUMMUba第4章 电感式传感器 4.2.2 变隙式差动变压器变隙式差动变压器 1.工作原理工作原理 假设闭磁路变隙式差动变压器的结构如图4-12（a）所示，在 A、B 两 个 铁 芯 上 绕 有W1a=W1b=W1的两个初级绕组和W2a=W2b=W2两个次级绕组。两两个初级绕组的同名端顺向串个初级绕组的同名端顺向串联，联，而两个次级绕组的同名端则反而两个次级绕组的同名端则反相串联相串联。图4-12第4章 电感式传感器 1）当没有位移时当没有位移时 衔铁C处于初始平衡位置，它与两个铁芯的间隙有a0=b0=0，则绕组W1a和W2a间的互感Ma与绕组W1b和W2b的互感Mb相等，致使两个次级绕组的互感电势相等，即 。由于次级绕组反相串联，因此，差动变压器输出电压 。2）当被测体有位移时当被测体有位移时 与被测体相连的衔铁的位置将发生相应的变化，使ab，互感MaMb，两次级绕组的互感电势 ，输出电压，即差动变压器有电压输出，此电压的大小与极性反映被测体位移的大小和方向。baEE220222baEEUbaEE220222baEEU第4章 电感式传感器 2.输出特性输出特性 在忽略铁损（即涡流与磁滞损耗忽略不计）、漏感以及变压器次级开路（或负载阻抗足够大）的条件下，图4-12（a）的等效电路可用图4-1表示。图中r1a与L1a,r1b与L1b,r2a与L2a,r2b与L2b，分别为W1a,W1b,W2a,W2b绕阻的直流电阻与电感。图4-12（a）图4-1变隙式差动变压器等效电路 第4章 电感式传感器 根据电磁感应定律和磁路欧姆定律，当r1 aL1 a，r1b U68，则U2 0；而当衔铁在零位以下时，有U24 U68，则U2 0，不论，不论u2与与us是正半周还是负是正半周还是负半周，负载电阻半周，负载电阻RL两端得到的电压两端得到的电压uo始终为正始终为正。当当x0时，时，u2与与us为同频反相。采用上述相同的分析方法不为同频反相。采用上述相同的分析方法不难得到当难得到当x0时，不论时，不论u2与与us是正半周还是负半周，负载电阻是正半周还是负半周，负载电阻RL两端得到的输出电压两端得到的输出电压uo表达式总是为表达式总是为(4-39)第4章 电感式传感器 图4-19 波形图（a）被测位移变化波形图;（b）差动变压器激磁电压波形;（c）差动变压器输出电压波形 (d)相敏检波解调电压波形；(e)相敏检波输出电压波形 第4章 电感式传感器 4.2.4.差动变压器式传感器的应用差动变压器式传感器的应用 差动变压器式传感器可以直接用于位移测量，也可以测量与差动变压器式传感器可以直接用于位移测量，也可以测量与位移有关的任何机械量，如振动、加速度、应变、比重、张力和位移有关的任何机械量，如振动、加速度、应变、比重、张力和厚度厚度等。1.差动变压器式加速度传感器差动变压器式加速度传感器 用于测定振动物体的频率和振幅时其激磁频率必须是振动频率的十倍以上，才能得到精确的测量结果。可测量的振幅为(0.15)mm，振动频率为(0150)Hz。图4-20为差动变压器式加速度传感器的原理结构示意图。它由悬臂梁和差动变压器构成。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，此时传感器作为加速度测量中的惯性元件，它的位移与被测加速度成正比，使加速度测量转变为位移的测量。当被测体带动衔铁以x(t)振动时，导致差动变压器的输出电压也按相同规律变化。第4章 电感式传感器 稳压电源振荡器检波器滤波器(b)(a)220V加速度a方向a输出1211 弹性支承 2 差动变压器图4-20 差动变压器式加速度传感器原理图第4章 电感式传感器 第4章 电感式传感器 2.微压力变送器微压力变送器第4章 电感式传感器 第4章 电感式传感器 第4章 电感式传感器 第4章 电感式传感器 第4章 电感式传感器 第4章 电感式传感器 第4章 电感式传感器 4.3 电涡流式传感器电涡流式传感器 4.3.1 工作原理工作原理 图 4-22 为电涡流式传感器的原理图，该图由传感器线圈和被测导体组成线圈导体系统。当传感器线圈通以交变电流1I时，由于电流的变化，在线圈周围产生交变磁场1H，使置于此磁场中的被测导体内产生感应电涡流2I，电涡流2I又产生新的交变磁场2H。2H与1H方向相反，因而抵消部分原磁场，从而导致传感器线圈的电感量、阻抗和品质因数发生变化，即线圈的等效阻抗发生变化。这些变化与被测导体的电阻率、磁导率以及几何形状有关，也与线圈几何参数、激磁电流频率f有关，还与线圈与被测导体间的距离x有关。因此可写为 xfrFZ,(440)式中：r线圈与被测导体的尺寸因子。第4章 电感式传感器 图4-21 电涡流式传感器原理图（a）传感器激励线圈;（b）被测金属导体 第4章 电感式传感器 4.3.2 基本特性基本特性 图4-22 电涡流式传感器简化模型 第4章 电感式传感器 电涡流传感器简化模型如图4-22所示。模型中，把在被测金属导体上形成的电涡流等效成一个短路环，即假设电涡流仅分布在环体之内，模型中h（电涡流的贯穿深度）可由下式求得：fhr0(4-41)式中,f为线圈激磁电流的频率。图4-22第4章 电感式传感器 根据简化模型，可将金属导体形象地看做一个短路线圈，它与传感器线圈之间存在耦合关系，它们之间可画出如图所示的等效电路图。图中R2为电涡流短路环等效电阻，其表达式为 iarrnhR122(4-42)根据基尔霍夫第二定律，可列出如下方程：022221121111ILjIRIMjUIMjILjIR(4-43)第4章 电感式传感器 式中：线圈激磁电流角频率；R1、L1线圈电阻和电感；L2短路环等效电感；R2短路环等效电阻；M互感系数。第4章 电感式传感器 由式（4-43）解得等效阻抗Z的表达式为 eqeqLjRLLRMLjRLRMRIUZ22222222122222222111(4-44)式中：Req线圈受电涡流影响后的等效电阻 222222221RLRMRReq第4章 电感式传感器 图4-23 电涡流式传感器等效电路图 第4章 电感式传感器 Leq线圈受电涡流影响后的等效电感 222222221LLRMLLeq线圈的等效品质因数Q值为 eqeqRLQ综上所述，根据电涡流式传感器的简化模型和等效电路，运用电路分析的基本方法得到的式（4-44）和式（4-45），为电涡流传感器基本特性表示式。(4-45)第4章 电感式传感器 4.3.3 电涡流形成范围电涡流形成范围 1.电涡流的径向形成范围电涡流的径向形成范围 线圈导体系统产生的电涡流密度既是线圈与导体间距离x的函数，又是沿线圈半径方向r的函数。当x一定时，电涡流密度J与半径r的关系曲线如图4-25所示（图中J0为金属导体表面电涡流密度，即电涡流密度最大值。Jr为半径r处的金属导体表面电涡流密度）。由图可知：第4章 电感式传感器 电涡流密度在ri=0处为零。电涡流的最大值在r=ras附近的一个狭窄区域内。可以用一个平均半径为的短路环来集中表示分散的电涡流（图中阴影部分）。2aiasasrrrr 电涡流径向形成范围大约在传感器线圈外径ras的1.82.5倍范围内，且分布不均匀。第4章 电感式传感器 图4-24 电涡流密度J与半径r的关系曲线 第4章 电感式传感器 2.电涡流强度与距离的关系电涡流强度与距离的关系 理论分析和实验都已证明，当x改变时，电涡流密度也发生变化，即电涡流强度随距离x的变化而变化。根据线圈导体系统的电磁作用，可以得到金属导体表面的电涡流强度为 22121asrxxII(4-46)式中：I1线圈激励电流；I2金属导体中等效电流；x线圈到金属导体表面距离；ras线圈外径。第4章 电感式传感器 图4-25 电涡流强度与距离归一化曲线第4章 电感式传感器 根据上式作出的归一化曲线如图4-25所示。以上分析表明：电涡流强度与距离x呈非线性关系，且随着x/ras的增加而迅速减小。当利用电涡流式传感器测量位移时，只有在x/ras1(一般取0.050.15)的条件下才能得到较好的线性和较高的灵敏度。第4章 电感式传感器 3.电涡流的轴向贯穿深度电涡流的轴向贯穿深度 所谓贯穿深度是指把电涡流强度减小到表面强度的1/e处的表面厚度。由于金属导体的趋肤效应，电磁场不能穿过导体的无限厚度，仅作用于表面薄层和一定的径向范围内，并且导体中产生的电涡流强度是随导体厚度的增加按指数规律下降的。其按指数衰减分布规律可用下式表示：hddeJJ/0(4-47)第4章 电感式传感器 式中：d金属导体中某一点与表面的距离；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，即电涡流密度最大值；h电涡流轴向贯穿的深度（趋肤深度）。图4-26所示为电涡流密度轴向分布曲线。由图可见，电涡流密度主要分布在表面附近。由前面分析所得的式（4-41）可知，被测体电阻率愈大，相对导磁率愈小，以及传感器线圈的激磁电流频率愈低，则电涡流贯穿深度h愈大。故透射式电涡流传感器一般都采用低频激励。第4章 电感式传感器 图4-26 电涡流密度轴向分布曲线 d金属导体中某一点与表面的距离；J0金属导体表面电涡流密度，即电涡流密度最大值h电涡流轴向贯穿的深度（趋肤深度）。第4章 电感式传感器 4.3.4 电涡流传感器测量电路电涡流传感器测量电路 用于电涡流传感器的测量电路电涡流传感器的测量电路主要有调频式调频式、调幅式调幅式电路两种。1.调频式电路调频式电路 图4-27 调频式测量电路(a)测量电路框图；(b)振荡电路 第4章 电感式传感器 传感器线圈接入LC振荡回路，当传感器与被测导体距离x改变时，在涡流影响下，传感器的电感变化，将导致振荡频率的变化，该变化的频率是距离x的函数，即f=L(x),该频率可由数字频率计直接测量，或者通过f-V变换，用数字电压表测量对应的电压。振荡器电路如图4-27(b)所示。它由克拉泼电容三点式振荡器(C2、C3、L、C和1)以及射极输出电路两部分组成。振荡器的频率为 CxLf)(21为了避免输出电缆的分布电容的影响，通常将L、C装在传感器内。此时电缆分布电容并联在大电容C2、C3上，因而对振荡频率f的影响将大大减小。第4章 电感式传感器 2.调幅式电路调幅式电路 由传感器线圈L、电容器C和石英晶体组成的石英晶体振荡电路如图4-28所示。石英晶体振荡器起恒流源的作用，给谐振回路提供一个频率（f0）稳定的激励电流io，LC回路输出电压)(ZfiUoo（4-48）式中,Z为LC回路的阻抗。图4-28 调幅式测量电路示意图 第4章 电感式传感器 当金属导体远离或去掉时，LC并联谐振回路谐振频率即为石英振荡频率fo，回路呈现的阻抗最大，谐振回路上的输出电压也最大；当金属导体靠近传感器线圈时，线圈的等效电感L发生变化，导致回路失谐，从而使输出电压降低，L的数值随距离x的变化而变化。因此，输出电压也随x而变化。输出电压经放大、检波后，由指示仪表直接显示出x的大小。除此之外，交流电桥也是常用的测量电路。第4章 电感式传感器 图4-29 透射式涡流厚度传感器结构原理图 4.3.5 涡流式传感器的涡流式传感器的应用应用 1.低频透射式涡流厚度低频透射式涡流厚度传感器传感器图4-29 为透射式涡流厚度传感器的结构原理图。在被测金属板的上方设有发射传感器线圈L1，在被测金属板下方设有接收传感器线圈L2。当在L1上加低频电压U1时，L1上产生交变磁通1，若两线圈间无金属板，则交变磁通直接耦合至L2中，L2产生感应电压U2。第4章 电感式传感器 如果将被测金属板放入两线圈之间，则L1线圈产生的磁场将导致在金属板中产生电涡流,并将贯穿金属板，此时磁场能量受到损耗，使到达L2的磁通将减弱为1，从而使L2产生的感应电压U2下降。金属板越厚，涡流损失就越大，电压U2就越小。因此，可根据U2电压的大小得知被测金属板的厚度。透射式涡流厚度传感器的检测范围可达1100 mm，分辨率为0.1 m，线性度为1%。.第4章 电感式传感器 2.高频反射式涡流厚度传感器高频反射式涡流厚度传感器 图4-30 高频反射式涡流测厚仪测试系统图 第4章 电感式传感器 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和S2。S1和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一个，两传感器输出电压此时为2UoU。U经放大器放大后，通过指示仪表即可指示出带材的厚度变化值。带材厚度给定值与偏差指示值的代数和就是被测带材的厚度。第4章 电感式传感器 3.电涡流式转速传感器电涡流式转速传感器 图4-31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。图4-31 电涡流式转速传感器工作原理图 由于电涡流效应，使传感器线圈阻抗随d的变化而变化，这种变化将导致振荡谐振回路的品质因数发生变化，它们将直接影响振荡器的电压幅值和振荡频率第4章 电感式传感器 当被测旋转轴转动时，电涡流传感器与输出轴的距离变为d0+d。由于电涡流效应，使传感器线圈阻抗随d的变化而变化，这种变化将导致振荡谐振回路的品质因数发生变化，它们将直接影响振荡器的电压幅值和振荡频率。因此，随着输入轴的旋转，从振荡器输出的信号中包含有与转速成正比的脉冲频率信号。该信号由检波器检出电压幅值的变化量，然后经整形电路输出频率为fn的脉冲信号。该信号经电路处理便可得到被测转速。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600 000r/min。第4章 电感式传感器 应用应用1 1：连续油管的椭圆度测量连续油管的椭圆度测量Coiled TubeEddy Sensor Reference Circle原理：原理：电涡流传感器的应用电涡流传感器的应用第4章 电感式传感器 应用应用2 2：无损探伤无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。火车轮检测火车轮检测油管检测油管检测第4章 电感式传感器 应用应用3 3：测厚测厚应用应用4 4：零件计数零件计数第4章 电感式传感器 第4章 电感式传感器 第4章 电感式传感器 第4章 电感式传感器 第4章 电感式传感器 第4章 电感式传感器 第4章 电感式传感器 总结总结第4章 电感式传感器 4-8、变隙式电感传感器的铁芯截面积A=1.5cm2,磁路长度L=20cm，相对磁导率15000，气隙00.5cm，0.1cm，真空相对磁导率04x10-7H/m,线圈匝数W=3000,求 单端式传感器的灵敏度L/。若将其构成差动结构形式，灵敏度如何变化？解：1)初始电感为 L02)气隙减少0.1cm后，电感为：3）灵敏度 mHWA84.18105.023000105.110422247020071.4101.010)84.1855.23(23LKmHWAL55.2310)1.05.0(23000105.1104)(22247020025.01100K第4章 电感式传感器 4）差动结构灵敏度45.022535.7101.010535.7535.75.01.01084.18220023300KLKmHLL第4章 电感式传感器 49分析题4-9图，已知空气隙的长度为x1和x2，空气隙的面积为A,磁导率为，线圈匝数W不变。求当自感传感器的动铁芯左右移动（x1、x2发生变化）时自感L的变化情况。解：当自感传感器的动铁芯左右移动（x1、x2发生变化）时自感L的变化为L1和L2其值大小相等方向相反，L=L1-L2=(L 0+L1)-(L 0-L2)=L1+L2L=2L 0(/0)
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