CH4电感式传感器

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第四章 电感式传感器,学习要求：,1.,掌握,自感式、互感式、涡流式等电感式传感器的工作原理和工作特性。,2.,熟悉,电感式传感器的常用检测电路及特点。,3.,学会,电感式传感器的检测应用。,电感式传感器是将被测量的变化转化为线圈的电感（自感、互感）的变化的检测装置。其核心部分是可变自感或可变互感，在被测量变化转换成线圈自感或互感的变化时，一般要利用磁场作为媒介或利用铁磁体的某些特性。这类传感器的主要特征是具有线圈绕组。,9/22/2024,1,测量：,位移、振动、压力、流量、重量、力矩、应力等,种类：,自感式、互感式、涡流式、压磁式。,优点：,结构简单可靠，输出功率大，抗干扰能力强，分辨率高（达,m,级），误差小，稳定性好，环境影响小。,缺点：,不适于快速动态测量,。,自感式传感器,互感式传感器,涡流式传感器,电感式传感器,9/22/2024,2,4.1 变磁阻（自感）式传感器,4.1.1 工作原理,结构: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厚度为 d,气隙，传感器的运动部分与衔铁相连。,衔铁移动,气隙厚度,d,改变,磁路中磁阻变化,电感线圈L变化,9/22/2024,3,线圈中电感量可由下式确定：,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,R,m,磁路总磁阻,。,9/22/2024,4,磁路总磁阻为:,式中：,1,铁芯材料的导磁率；,2,衔铁材料的导磁率；,l,1,磁通通过铁芯的长度； ,l,2,磁通通过衔铁的长度； ,S,1,铁芯的截面积；,S,2,衔铁的截面积；,0,空气的导磁率；,S,0,气隙的截面积；,d,气隙的厚度。,9/22/2024,5,通常，气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻， 即,改变,d,或,S,0,均可导致电感变化，因此变磁阻式传感器又可分为,变气隙厚度,d,的传感器,和,变气隙面积,S,0,的传感器,。 目前使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器。,9/22/2024,6,4.1.2,输出特性,设电感传感器初始电感量为,当衔铁上移,d,时，传感器气隙减小,d,，即,d,=,d,0,-,d,， 则此时输出电感为,L,=,L,0,+,L,， 得,变隙式电压传感器的,L-,特性,9/22/2024,7,当,d,/,d,0,1时，上式可用台劳级数展开：,4.1.2,输出特性,9/22/2024,8,当衔铁向下移动,时，有,9/22/2024,9,灵敏度为,与变极距电容传感器相似，,d,0,越小，灵敏度越高。变间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，一般,d,=（0.10.2）,d,0,。,为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变隙式电感传感器。,9/22/2024,10,差动变隙式电感传感器,9/22/2024,11,等效的交流电桥式测量电路,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,Z,1,和,Z,2,，另外两个相邻的桥臂用纯电阻,R,代替。,设,Z,1,=,Z,+,Z,1,Z,2,=,Z,-,Z,2,，,Z,是衔铁在中间位置时单个线圈的复阻抗，,Z,1, ,Z,2,分别是衔铁偏离中心位置时两线圈阻抗的变化量。一般有,Z,1,+,Z,2,j,(,L,1,+,L,2,)。,（,Z,1 ,Z,2）=,Z,9/22/2024,12,9/22/2024,13,当衔铁往上移动,d,时，两个线圈的电感变化量,L,1,、,L,2,， 差动传感器电感的总变化量,L,=,L,1,+,L,2, 具体表达式为,忽略高次项得,9/22/2024,14,灵敏度,K,0,为,结论： ,差动式变间隙电感传感器的灵敏度是单线圈式的两倍,。,忽略高次项时：差动式变间隙电感传感器的非线性项 。,单线圈电感传感器的非线性项 。 由于,d,/,d,0,M,2,，因而,E,2a,增加，而,E,2b,减小。反之，,E,2b,增加，,E,2a,减小。因为,U,o,=,E,2a,-,E,2b,，所以当,E,2a,、,E,2b,随着衔铁位移,x,变化时，,U,o,也必将随,x,而变化。差动变压器输出电压,U,o,与活动衔铁位移,x,的关系曲线。图中,实线为理论特性曲线，虚线曲线为实际特性曲线,。 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,，记作,U,o,，它的存在使传感器的输出特性不经过零点，造成实际特性与理论特性不完全一致。,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,9/22/2024,36,零点残余电压,：指电桥预平衡时，无法实现平衡，最后总要存在的某个输出值。,产生的主要原因,：,一组两个传感器不完全对称。,存在寄生参数。,供电源中有高次谐波。,供电电源很好但磁路本身存在非线性。,工频干扰。,减少或消除零点残余电压的方法,：,1.在线路上采取措施，如在桥臂上增加调节元件，或在电桥的某个臂上并联大电阻减少电容，可以,减少,零点残余电压。,2.采用差动整流或相敏检波电路可,消除,零点残余电压。,零点残余电压*,9/22/2024,37,2. 基本特性,差动变压器等效电路如图。 当次级开路时,式中：,U,初级线圈激励电压； ,激励电压,U,的角频率； ,I,1,初级线圈激励电流； ,r,1,、,L,1,初级线圈直流电阻和电感,。,.,.,9/22/2024,38,根据电磁感应定律， 次级绕组中感应电势的表达式分别为,式中，M,1,、M,2,为初级绕组与两次级绕组的互感。 ,由于次级两绕组反相串联，且考虑到次级开路，则由以上关系可得,9/22/2024,39,输出电压有效值为：,上式说明，当激磁电压的幅值,U,和角频率,、 初级绕组的直流电阻,r,1,及电感,L,1,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,。,9/22/2024,40, 活动衔铁处于中间位置时,M,1,=,M,2,=,M,故,U,o,=0, 活动衔铁向上移动时,M,1,=,M,+,M,，,M,2,=,M,-,M,故,与电源反极性。, 活动衔铁向下移动时,M,1,=,M,-,M,，,M,2,=,M+,M,故,与电源同极性。,9/22/2024,41,3. 差动变压器式传感器测量电路,差动变压器的输出是交流电压，若用交流电压表测量，只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的方向。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和消除零点残余电压的目的，常常采用差动整流电路和相敏检波电路,。,(1) 差动整流电路,把差动变压器的两次级输出电压分别整流，将整流的电压或电流的差值作为输出，,电压输出适用于高阻抗负载，电流输出适用于低阻抗负载，,电阻,R,0,用于调整零点残余电压。具有,结构简单, 不需考虑相位调整和零点残余电压的影响 , 分布电容影响小和便于远距离传输等优点。,9/22/2024,42,（a） 半波电压输出； （b） 半波电流输出,（c） 全波电压输出； （d） 全波电流输出,9/22/2024,43,(2) 相敏检波电路,输入信号,u,2：,传感器输出电压；,参考信号,u,s：,u,s,的幅值要远大于输入信号,u,2,的幅值,，以便有效控制四个二极管的导通状态，且,u,s,和传感器激磁电压,u,1,由同一振荡器供电， 保证二者同频同相（或反相）。,平衡电阻,R：,起限流作用，以避免二极管导通时变压器T,2,的次级电流过大。,R,L,为负载电阻,。,9/22/2024,44,相敏检波电路,u,s,正半波，V,D2,、V,D3,导通,u,s,负半波，V,D1,、V,D4,导通,u,s,参考电源,u,2,u,2,差动变输出电压,9/22/2024,45,根据变压器的工作原理，考虑到,O、M,分别为变压器T,1,、 T,2,的中心抽头，则,式中，,n,1,n,2,分别为变压器T,1,、T,2,的变压比。采用电路分析的基本方法，可求得输出电压,u,o,的表达式:,9/22/2024,46,同理当,u,2,与,u,s,均为负半周时，二极管V,D2,、V,D3,截止，V,D1,、V,D4,导通。其等效电路如图（c）所示。输出电压,u,o,表达式与前式相同。说明,只要位移,x,0，不论,u,2,与,u,s,是正半周还是负半周，负载电阻,R,L,两端得到的电压,u,o,始终为正,。,当,x,0时，,u,2,与,u,s,为同频反相。采用上述相同的分析方法不难得到当,x,0时，不论,u,2,与,u,s,是正半周还是负半周，负载电阻,R,L,两端得到的输出电压,u,o,表达式总是为,9/22/2024,47,（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,差动变压器式传感器在幅值测量中的应用,9/22/2024,48,4. 差动变压器式传感器的应用,可以直接用于位移测量，及与位移有关的各机械量，如振动、加速度、应变、比重、张力和厚度等。 ,差动变压器式加速度传感器的原理结构 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。,9/22/2024,49,差动变压器式加速度传感器原理图,9/22/2024,50,9/22/2024,51,4.3 电涡流式传感器,4.3.1,工作原理,（a） 传感器激励线圈; （b） 被测金属导体,9/22/2024,52,根据法拉第定律，当传感器线圈通以正弦交变电流,I,1,时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场,H,1,，使置于此磁场中的金属导体中感应电涡流,I,2,，,I,2,又产生新的交变磁场,H,2,。根据愣次定律，,H,2,的作用将反抗原磁场,H,1,，由于磁场,H,2,的作用，涡流要消耗一部分能量，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。由上可知，,线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。,电涡流效应既与被测体的电阻率,、磁导率,以及几何形状有关， 还与线圈的几何参数、线圈中激磁电流频率,f,有关，同时还与线圈与导体间的距离,x,有关。,因此，传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的函数关系式为,.,.,.,.,.,.,.,.,Z=f,(, r , f , x,),9/22/2024,53,如果保持上式中其它参数不变，而只改变其中一个参数， 传感器线圈阻抗,Z,就仅仅是这个参数的单值函数。通过与传感器配用的测量电路测出阻抗,Z,的变化量，即可实现对该参数的测量。,9/22/2024,54,4.3.2,电涡流形成范围,1. 电涡流的径向形成范围,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。,9/22/2024,55,特点：, 电涡流径向形成范围大约在传感器线圈外径,r,as,的1.82.5倍范围内，且分布不均匀。, 电涡流密度在,r,i,= 0 处为零。, 电涡流的最大值在,r=r,as,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）。,9/22/2024,56,2. 电涡流强度与距离的关系,理论分析和实验都已证明，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， 金属导体表面的电涡流强度为,：,I,1,线圈激励电流； ,I,2,金属导体中等效电流； ,x,线圈到金属导体表面距离；,r,as,线圈外径。,电涡流强度与距离归一化曲线,9/22/2024,57,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/r,as,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/r,as,1(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。,9/22/2024,58,3. 电涡流的轴向贯穿深度,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：,d,金属导体中某一点与表面的距离； ,Jd,沿,H,1轴向,d,处的电涡流密度； ,J,0 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）。,9/22/2024,59,图示为电涡流密度轴向分布曲线。 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。,低频透射式涡流传感器,高频反射式涡流传感器,9/22/2024,60,4.3.3,电涡流传感器的等效阻抗,电涡流式传感器简化模型,9/22/2024,61,根据简化模型，可画出等效电路图。图中,R,2,为电涡流短路环等效电阻，其表达式为,9/22/2024,62,式中：,线圈激磁电流角频率； ,R,1,、,L,1,线圈电阻和电感； ,L,2,短路环等效电感； ,R,2,短路环等效电阻；,M,互感系数。,根据基尔霍夫第二定律，可列出如下方程,：,9/22/2024,63,解得等效阻抗,Z,的表达式为,式中：,R,eq,线圈受电涡流影响后的等效电阻,L,eq,线圈受电涡流影响后的等效电感,线圈的等效品质因数,Q,值为,9/22/2024,64,4.3.4,电涡流传感器测量电路,用于电涡流传感器的测量电路主要有调频式、 调幅式电路两种。,1. 调频式电路,调频式测量电路框图,9/22/2024,65,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。 振荡器电路如图所示。振荡器的频率为,9/22/2024,66,2. 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（,f,0,）稳定的激励电流,i,o,，,LC,回路输出电压,式中,Z,为,LC,回路的阻抗。,9/22/2024,67,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,f,o,，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。,9/22/2024,68,4.3.5,涡流式传感器的应用,1.,低频透射式,涡流厚度传感器,在被测金属板的上方设有发射传感器线圈,L,1,，在被测金属板下方设有接收传感器线圈,L,2,。当在,L,1,上加低频电压,U,1,时，,L,1,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,L,2,中，,L,2,产生感应电压,U,2,。如果将被测金属板放入两线圈之间，则,L,1,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,L,2,的磁通将减弱为,1,，从而使,L,2,产生的感应电压,U,2,下降。金属板越厚， 涡流损失就越大，电压,U,2,就越小。因此，可根据,U,2,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%。,.,.,.,.,.,9/22/2024,69,透射式涡流厚度传感器结构原理图,9/22/2024,70,2.,高频反射式,涡流厚度传感器,高频反射式涡流测厚仪测试系统图,9/22/2024,71,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S,1,和S,2,。S,1,和S,2,与被测带材表面之间的距离分别为,x,1,和,x,2,。若带材厚度不变，则被测带材上、下表面之间的距离总有,x,1,+,x,2,=常数的关系存在。两传感器的输出电压之和为2,U,o,，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2,U,o,U,。,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。,9/22/2024,72,3. 电涡流式转速传感器,工作原理如图。在软磁材料制成的输入轴上加工一键槽，在距输入表面,d,0,处设置电涡流传感器， 输入轴与被测旋转轴相连。,电涡流式转速传感器工作原理图,9/22/2024,73,当被测旋转轴转动时，电涡流传感器与输出轴的距离变为,d,0,+,d,。由于电涡流效应，使传感器线圈阻抗随,d,的变化而变化，导致振荡谐振回路的品质因数变化，振荡器的电压幅值和振荡频率随之变化。,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。由检波器检出电压幅值的变化量，经整形电路输出频率为,f,n,的脉冲信号。该信号经电路处理便可得到被测转速。,特点：,非接触式测量,，抗干扰能力很强，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。,9/22/2024,74,4 涡流式传感器的应用,下图是用涡流式传感器测厚和用涡流式传感器进行零件计数的例子。,9/22/2024,75,