电感式传感器课件

第8章 电感式传感器1.自感式：原理、特性、结构形式、转换电路及应用2.差动变压器式：原理、特性、结构形式、转换电路及应用3.涡流传感器：原理、特性、结构形式、转换电路及应用4.压磁式：原理、特性、结构形式、转换电路及应用w教学要求：理解自感式、差动变压器式、涡流传感器的工作原理，掌握其性能特点，了解其应用。w了解压磁式传感器。5/21/20241第8章 电感式传感器自感式：原理、特性、结构形式、转换电一、自感式传感器 w先看一个实验：将一只220V交流接触器线圈与交流毫安表串联后，接到机床用控制变压器的36V交流电压源上，如下页图所示。开始毫安表的示值约为几十毫安。用手慢慢将接触器的活动铁心（称为衔铁）往下按，我们会发现毫安表的读数逐渐减小。当衔铁与固定铁心之间的气隙等于零时，毫安表的读数只剩下十几毫安。5/21/20242一、自感式传感器 先看一个实验：8/4/20232自感传感器的基本工作原理演示F36V交流毫安表交流毫安表交流电压源交流电压源交流接触器线圈交流接触器线圈5/21/20243自感传感器的基本工作原理演示F36V交流毫安表交流电压源交自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 F5/21/20244自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（一）简单自感式传感器的原理及特性wM.Faraday 电磁感应定律(1831年)：当一个线圈中电流i变化时，该电流产生的磁通也随之变化，因而在线圈本身产生感应电势el自感。w磁路欧姆定律w传感器电感量计算：线圈自感线圈自感线圈匝数线圈匝数磁路总磁阻磁路总磁阻5/21/20245（一）简单自感式传感器的原理及特性M.Faraday 电对于变隙式传感器,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：式中：式中：L Li i 各段导磁体的长度；各段导磁体的长度；i i各段导磁体的导磁率；各段导磁体的导磁率；S Si i 铁芯材料的截面积；铁芯材料的截面积；气隙的厚度；气隙的厚度；0 0 空气的导磁率；空气的导磁率；S S 空气隙的截面积；空气隙的截面积；R R空气气隙空气气隙RR导磁体导磁体忽略导磁体磁阻忽略导磁体磁阻5/21/20246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1.自感传感器分为三种类型：a a）变间隙式变间隙式b）S变面积式变面积式c）螺管式）螺管式磁路磁阻随磁路磁阻随着衔铁插入着衔铁插入深度不同而深度不同而变化变化5/21/20247自感传感器分为三种类型：a）变间隙式b）S变面积式c）2、线性度的问题w忽略二次项以上的高次项，成线性关系。w存在高次项，非线性误差严重。/0不能大（=0.10.2），输出特性和测量范围之间存在矛盾自感式传感器用于微小位移量是比较精确的。1 1）变间隙式）变间隙式灵敏度：灵敏度：L实际输实际输出特性出特性理想输理想输出特性出特性5/21/202482、线性度的问题忽略二次项以上的高次项，成线性关系。1）变2）变面积式w工作特性为线性的。w但实际上由于漏磁通等因素的影响，仍存在非线性误差，不过与前一类变间隙型相比要好很多。灵敏度：灵敏度：S SL实际输实际输出特性出特性理想输理想输出特性出特性5/21/202492）变面积式工作特性为线性的。灵敏度：SL实际输出特性理想输3）螺管式w螺管式传感器，由一只螺管线圈和一根柱型衔铁组成。当被测量作用在衔铁上时，会引起衔铁在线圈中深入长度的变化，从而引起电感量的变化。w衔铁工作在螺线管中部时，认为线圈磁场强度均匀的，线圈电感量L与衔铁插入深度大致成正比。w实际输出特性是非线性。w灵敏度低，适合测取稍大一些的位移。5/21/2024103）螺管式螺管式传感器，由一只螺管线圈和一根柱型衔铁组成。当3、应用：自感式传感器测液位浮子的位移变成电量：浮子的位移变成电量：液位升高，液体对浮子的浮力液位升高，液体对浮子的浮力FF，破坏平衡状态。浮子，破坏平衡状态。浮子上升，铁心上移，电感变化，输出信号改变。上升，铁心上移，电感变化，输出信号改变。5/21/2024113、应用：自感式传感器测液位浮子的位移变成电量：8/4/5/21/2024128/4/2023125/21/2024138/4/2023135/21/2024148/4/202314（二）差动自感传感器1、基本结构w简单自感传感器明显的缺点：机械零点与电气零点不一致；衔铁受磁场力；不能反映被测量的变化方向。解决这两个问题，最好办法是采用差动式自感传感器。w两只完全对称的简单自感传感器合用一个活动衔铁就构成了差动自感传感器。5/21/202415（二）差动自感传感器1、基本结构8/4/202315w当衔铁位移为零时，即衔铁处于中间位置时，输出电压为0.w当衔铁有位移时，一个气隙增加，另一个气隙减小，则一个线圈电感增加，另一个线圈电流减小，形成差动形式，有一定的输出电压。衔铁移动方向不同，输出电压的极性不同。在变隙式差动电感传感器中，在变隙式差动电感传感器中，当衔铁随被测量移动而偏离当衔铁随被测量移动而偏离中间位置时，两个线圈的电中间位置时，两个线圈的电感量一个增加，一个减小，感量一个增加，一个减小，形成差动形式。形成差动形式。1-1-差动线圈差动线圈 2-2-铁心铁心 3-3-衔衔铁铁 4-4-测杆测杆 5-5-工件工件5/21/202416当衔铁位移为零时，即衔铁处于中间位置时，输出电压为0.在变隙w消除了前三种自感传感器的缺点，提高了灵敏度，减小非线性误差。w差动自感传感器的灵敏度是简单自感传感器的2倍，非线性得到改善。5/21/202417消除了前三种自感传感器的缺点，提高了灵敏度，减小非线性误差。自感传感器应用实例1.JGH电感测厚仪电感测厚仪5/21/202418自感传感器应用实例1.JGH电感测厚仪8/4/2023182.BYM型压力传感器5/21/2024192.BYM型压力传感器8/4/202319二、差动变压器式传感器w差动变压器式传感器是把被测位移量转换为一次线圈与二次线圈间的互感量M的变化的装置。当一次线圈接入激励电源之后，二次线圈就将产生感应电动势，当两者间的互感量变化时，感应电动势也相应变化。由于两个二次线圈采用差动接法，故称为差动变压器。w结构特点：两个二次线圈反向串联，组成差动输出形式。二次线圈二次线圈二次线圈二次线圈一次线圈一次线圈铁心铁心5/21/202420二、差动变压器式传感器差动变压器式传感器是把被测位移量转换为1、工作原理5/21/2024211、工作原理8/4/202321w衔铁在中间位置：E21=E22，U0=0w衔铁移动：一边互感，一边互感如E21E22 E2=E21-E220衔铁位移E E2 2E E2121E E22225/21/202422衔铁在中间位置：E21=E22，U0=0E2E21E228/2、零点残余电压及其消除方法w差分变压器也存在零点残余电压问题。零点残余电压的存在使得传感器的特性曲线不通过原点，并使实际特性不同于理想特性。w产生原因：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等问题引起的。w零点残余电压过大，会使灵敏度下降，非线性误差增大，不同档位的放大倍数有显著差别，甚至造成放大器末级趋于饱和，致使仪器电路不能正常工作，甚至不再反映被测量的变化。在仪器的放大倍数较大时，这一点尤应注意。5/21/2024232、零点残余电压及其消除方法差分变压器也存在零点残余电压问题消除方法：尽可能保证传感器的几何尺寸，线圈电气参数和磁路的对称。采用适当的测量电路，如相敏整流电路。采用适当的补偿电路减小零点残余电压。加串联电阻，加并联电阻，加并联电容，加反馈绕组或反馈电容等。5/21/202424消除方法：尽可能保证传感器的几何尺寸，线圈电气参数和磁路的对（1）压力测量w差动变压器 弹性敏感元件(膜片、膜盒和弹簧管)压力传感器被测压力为零：膜盒在初始位置状态固接在膜盒中心的衔铁位于差动变压器线圈的中间位置输出电压为零。被测压力由接头1传入膜盒2：自由端产生一正比于被测压力的位移带动衔铁6在差动变压器线圈5中移动差动变压器输出电压。w经相敏检波、滤波后，其输出电压反映被测压力的数值。输出电压比较大，线路中不需用放大器。4、电感式传感器的应用5/21/202425（1）压力测量差动变压器 弹性敏感元件(膜片、膜盒和弹簧管)（2）加速度测量测量时测量时,将悬臂梁底座及差动变压器的线圈骨架固定将悬臂梁底座及差动变压器的线圈骨架固定,而而将衔铁的将衔铁的A A端与被测振动体相连。当被测体带动衔铁以端与被测振动体相连。当被测体带动衔铁以x x(t t)振动时振动时,导致差动变压器的输出电压也按相同规律变导致差动变压器的输出电压也按相同规律变化。化。图图 差动变压器式加速度传感器差动变压器式加速度传感器悬臂梁悬臂梁差动变压器差动变压器5/21/202426（2）加速度测量测量时,将悬臂梁底座及差动变压器的线圈骨架固三、电涡流式传感器w1、电涡流效应：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,以上现象称为电涡流效应。5/21/202427三、电涡流式传感器1、电涡流效应：根据法拉第电磁感应原理,2、电涡流形成：高频电流线圈靠近被测金属，线圈上的高频电流所产生的高频电磁场在金属表面上产生电涡流。线圈通入交变电流I，在线圈的周围产生交变的磁场H1位于该磁场中的金属导体上产生感应电动势并形成涡流涡流也产生相应的磁场H2，H2与H1方向相反H2的作用引起线圈等效阻抗、等效电感等发生相应的变化5/21/2024282、电涡流形成：高频电流线圈靠近被测金属，线圈上的高频电流所w电涡流使通电线圈的等效阻抗发生变化，线圈等效阻抗的变化反映了金属导体的涡流效应。w电涡流效应与被测金属间的距离及电导率、磁导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率等参数有关。通过电路可将被测金属参数转换成电压或电流变化。w电涡流传感器根据这一原理实现对金属物体的位移、振动等参数的测量。Z:Z:高频涡流传感器线圈阻抗高频涡流传感器线圈阻抗 :电导率电导率:导磁率导磁率 r r：线圈半径等几何尺寸：线圈半径等几何尺寸I:I:线圈电流线圈电流 f:f:频率频率 x:x:距离距离5/21/202429电涡流使通电线圈的等效阻抗发生变化，线圈等效阻抗的变化反映了w利用涡流现象，可以把距离x的变化转换为阻抗Z的变化，从而做成位移、振幅、厚度等传感器；把电导率的变化转换为Z的变化，做成表面温度、电解质浓度、材质判别等传感器；利用磁导率的变化转换为Z的变化，做成应力、硬度等传感器。w这类传感器测量范围大、灵敏度高、抗干扰能力强，不受介质影响，结构简单，且不需要接触测量，广泛应用于工业生产和科研领域。5/21/202430利用涡流现象，可以把距离x的变化转换为阻抗Z的变化，从而做成电涡流的应用 在我们日常生活中经常可以遇到1）干净、高效的电磁炉电磁炉内部的励磁线圈电磁炉内部的励磁线圈5/21/202431电涡流的应用 在我们日常生活中经常可以遇到1）干净电磁炉的工作原理高频电流通过励磁线圈，产生交变磁场，在铁质锅底会产生无数的电涡流，使锅底自行发热，烧开锅内的食物。5/21/202432电磁炉的工作原理高频电流通过励磁线圈，产生交变磁场，在铁质2）大直径电涡流探雷器 5/21/2024332）大直径电涡流探雷器 8/4/202333（一）高频反射式电涡流传传感器w结构很简单，主要由一个固定在框架上的扁平线圈组成。线圈可以粘贴在框架的端部，也可以绕在框架端部的槽内。（参考德国图尔克公司资料）（参考德国图尔克公司资料）420mA电涡流位移传感器外形电涡流位移传感器外形5/21/202434（一）高频反射式电涡流传传感器结构很简单，主要由一个固定在（二）低频透射式电涡流传感器w采用低频激励，有较大贯穿深度，适合测量金属材料厚度。w一般地说，测薄金属板时，频率应略高些w测厚金属板时，频率应低些。w在测量较小的材料时，应选较低的频率（如500Hz）w测量较大的材料，则应选用较高的频率（如2kHz）5/21/202435（二）低频透射式电涡流传感器采用低频激励，有较大贯穿深度，适w转速测量w计数w测厚度w探伤w测振动w测温w测位移5、应用5/21/202436转速测量5、应用8/4/202336a）测位移 测量封口机工作间隙市场上自动封口市场上自动封口机，利用电涡流机，利用电涡流原理。待封口位原理。待封口位置含铝，检测到置含铝，检测到封口位置时，电封口位置时，电涡流效应产生热涡流效应产生热量，实现封口。量，实现封口。间隙越大，电涡间隙越大，电涡流越小流越小5/21/202437a）测位移 测量封口机工作间隙市场上自动封口机，利用电涡流位移测量仪w位移测量包含：偏心、间隙、位置、倾斜、弯曲、变形、移动、圆度、冲击、偏心率、冲程、宽度等等。来自不同应用领域的许多量都可归结为位移或间隙变化。数显位移测量仪及探头数显位移测量仪及探头5/21/202438位移测量仪位移测量包含：偏心、间隙、位置、倾斜、弯曲、变形、b）安检门演示当有金属物体当有金属物体穿越安检门时穿越安检门时报警报警安检门的内部设置有发射线圈和接收线圈。当有金属安检门的内部设置有发射线圈和接收线圈。当有金属物体通过时，交变磁场就会在该金属导体表面产生电物体通过时，交变磁场就会在该金属导体表面产生电涡流，会在接收线圈中感应出电压，计算机根据感应涡流，会在接收线圈中感应出电压，计算机根据感应电压的大小、相位来判定金属物体的大小。在安检门电压的大小、相位来判定金属物体的大小。在安检门的侧面还安装一台的侧面还安装一台“软软x x光光”扫描仪，它对人体、胶扫描仪，它对人体、胶卷无害，用软件处理的方法，可合成完整的光学图像。卷无害，用软件处理的方法，可合成完整的光学图像。5/21/202439b）安检门演示当有金属物体穿越安检门时报警安检门的内部设置有c）测振动 汽轮机叶片测试 测量悬臂梁的振测量悬臂梁的振幅及频率幅及频率5/21/202440c）测振动 汽轮机叶片测试 测量悬臂梁的振幅及频率8/4/d）测转速 在被测轴上开个凹槽，靠近轴表面按照涡流探头。轴转动，涡流探头感受到得轴表面的位置变化，传感器激励线圈的电感随之改变，振荡器的频率变化一次，通过检波器转换成电压的变化，从而得到与转速成正比的脉冲信号。5/21/202441d）测转速 在被测轴上开个凹槽，靠近轴表面按照涡流探头 若转轴上开z个槽(或齿)，频率计的读数为f（单位为Hz），则转轴的转速n（单位为r/min）的计算公式为 5/21/202442 若转轴上开z个槽(或齿)，频率计的读数为f（单位为Hz）齿轮转速测量_电动机转速测量 例：下图中，设齿数z=48，测得频率f=120Hz，求该齿轮的转速n。5/21/202443齿轮转速测量_电动机转速测量 例：下图中，设齿数z=48e）探伤 手持式裂纹测量仪油管探伤油管探伤5/21/202444e）探伤 手持式裂纹测量仪油管探伤8/4/202344用掌上型电涡流探伤仪检测飞机裂纹5/21/202445用掌上型电涡流探伤仪检测飞机裂纹8/4/202345f）涡流式膜厚检测w用于检测腐蚀膜等的厚度。w没有膜时，传感器探头与金属表面的距离为L，有膜时，变为D，则膜厚为d=L-D.w膜的厚度不同，消耗磁场能量不同，导致探测头有效阻抗变化。5/21/202446f）涡流式膜厚检测用于检测腐蚀膜等的厚度。8/4/20234g）涡流式接近开关w为了使公路交通系统正常运行，常需检测公路上汽车的数量，依据它来控制交通信号。w其主要部件是埋在公路表面下几厘米深处的环状绝缘线圈，给它同时励磁电流，公路表面上就有磁场产生。当汽车进入这一区域，汽车上产生涡流损耗，励磁线圈有效阻抗变化。5/21/202447g）涡流式接近开关为了使公路交通系统正常运行，常需检测公路上四、磁压式传感器w某些铁磁物质在外界机械力的作用下，其内部产生机械应力，从而引起磁导率的改变，这种现象称为“压磁效应”。铁磁材料受拉时，受力方向上；与作用力相垂直的方向上w受压力时与此相反。具有压电效应的物质很多，如压电半导体具有压电效应的物质很多，如压电半导体石英晶体石英晶体压电陶瓷压电陶瓷5/21/202448四、磁压式传感器某些铁磁物质在外界机械力的作用下，其内部产生a)用硅钢片叠成，经粘接或点焊成一体，所示对称位置上开四孔，沿对角线方向各绕两个绕组：一次绕组w1，用交流电供电；二次绕组w2，作为感应绕组。两绕组在空间上相互垂直。b)没有受外力时，磁阻在各个方向上一致，w1所建立的磁通不交链w2E205/21/202449用硅钢片叠成，经粘接或点焊成一体，所示对称位置上开四孔，沿对c)传感器受拉力受力方向上；垂直于拉力方向上。w1磁通交链w2E20。d)同理，传感器受压力E20，但相位与受拉力时相反。二次绕组端头电压大小正比于受力大小，相位反映受力的方向。5/21/202450传感器受拉力受力方向上；垂直于拉力方向上。8/4/w压磁式传感器具有输出功率大、抗干扰能力强、过载性能好、结构与电路简单、能在恶劣环境下工作、寿命长等优点。很适合在重工业、化学工业等部门应用。成功地用在冶金、矿山、造纸、印刷、运输等各个工业部门。例如用来测量轧钢的轧制力、钢带的张力、电梯安全保护等。5/21/202451压磁式传感器具有输出功率大、抗干扰能力强、过载性能好、结构与