1、第4章 电感式传感器,第一节 变磁阻式传感器,第二节 互感式传感器,第三节 电涡流式传感器,第一节 变磁阻式传感器,一、变隙式自感传感器,1、结构和工作原理,由磁路基本知识知，线圈自感为,N：线圈匝数；Rm：磁路总磁阻(铁芯与衔铁磁阻和空气隙磁阻),l1：铁芯磁路总长； l2：衔铁的磁路长； S：气隙磁通截面积； S1：铁芯横截面积； S2：衔铁横截面积； 1：铁芯磁导率； 2：衔铁磁导率； 0：真空磁导率，0=410-7Hm；：空气隙厚度。,由于自感传感器的铁芯一般在非饱和状态下，其磁导率远大于空气的磁导率，因此铁芯磁阻远较气隙磁阻小，所以上式可简化为,由上式可见, 线圈匝数确定之后, 只要
2、气隙长度和气隙截面S二者之一发生变化, 传感器的电感量就会发生变化。 因此, 有变气隙长度和变气隙截面电感传感器之分, 前者常用来测量线位移, 后者常用于测量角位移。,设衔铁处于起始位置时, 传感器的初始气隙为0。 初始电感为,当衔铁向上移动时, 传感器的气隙长度将减少, 即为=0-, 这时的电感量为,相对变化量为,2、输出特性,当 时, 可将上式展开成级数,同理, 如衔铁向下移动时, 传感器气隙将增大, 即为=0+, 电感量的变化量为,相对变化量为,可以看出, 当忽略高次项时, L才与成线性关系。 当然, /0 越小, 高次项迅速减小, 非线性可得到改善。 然而, 这又会使传感器的量程变小。
3、 所以, 对输出特性线性度的要求和对测量范围的要求是相互矛盾的, 一般对变气隙长度的传感器, 取/0=0.10.2。,二、变面积自感传感器,x,a,铁心与衔铁间气隙厚度忽略。,三、螺管式自感传感器,铁 芯,传感器工作时，因铁芯在线圈中伸入长度的变化，引起螺管线圈自感值的变化。当用恒流源激励时，则线圈的输出电压与铁芯的位移量有关。,四、差动自感传感器,1、变隙式差动自感传感器,铁 芯,2、螺管式差动自感传感器,五、测量电路,1. 电感式传感器的等效电路,总电阻R：线圈线绕电阻和涡流损耗电阻及磁滞损耗电阻 L：线圈的自感 C ：绕线间分布电容,上图的等效线圈阻抗为,将上式有理化并应用品质因数Q=L
4、/R，可得,当Q2LC且2LC1时，上式可近似为,则,令,从以上分析可以看出，并联电容的存在，使有效串联损耗电阻及有效电感增加，在有效阻抗不大的情况下，它会使灵敏度有所提高，从而引起传感器性能的变化。因此在测量中若更换连接电缆线的长度，在激励频率较高时则应对传感器的灵敏度重新进行校准。,2. 交流电桥式测量电路 设Z1=Z+Z1, Z2=Z-Z2，对于差动式电感传感器， 有Z1+Z2j(L1+L2)， 则电桥输出电压为,变隙式差动自感传感器,电桥输出电压与成正比关系。,3、变压器式交流电桥,电桥两臂Z1、Z2为传感器线圈阻抗，另外两桥臂为交流变压器次级线圈的1/2阻抗。 当负载阻抗为无穷大时，
5、 桥路输出电压,六、变磁阻式传感器的应用,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。,它主要由C形弹簧管、 衔铁、 铁芯和线圈等组成。,第二节 互感式传感器,一、结构及等效电路,初级线圈激励电压 Lp,Rp初级线圈电感和 电阻 M1,M2分别为初级与次级线圈1,2间的互感系数 Ls1,Ls2两个次级线圈的电感 Rs1,Rs2两个次级线圈的电阻输出电压,输出电压有效值,当磁芯平衡时,当磁芯上升时,当磁芯下降时,二、测量电路(相敏检波电路),三、 误差
6、因素分析 1、激励电压幅值与频率的影响 激励电源电压幅值的波动，会使线圈激励磁场的磁通发生变化，直接影响输出电势。而频率的波动，只要适当地选择频率，其影响不大。 2、温度变化的影响 周围环境温度的变化，引起线圈及导磁体磁导率的变化，从而使线圈磁场发生变化产生温度漂移。当线圈品质因数较低时，影响更为严重，因此，采用恒流源激励比恒压源激励有利。适当提高线圈品质因数并采用差动电桥可以减少温度的影响。,3、零点残余电压当差动变压器的衔铁处于中间位置时，理想条件下其输出电压为零。但实际上，当使用桥式电路时，在零点仍有一个微小的电压值(从零点几mV到数十mV)存在，称为零点残余电压。如图是扩大了的零点残余
7、电压的输出特性。零点残余电压的存在造成零点附近的不灵敏区；零点残余电压输入放大器内会使放大器末级趋向饱和，影响电路正常工作等。,消除零点残余电压方法： 1从设计和工艺上保证结构对称性为保证线圈和磁路的对称性，首先，要求提高加工精度，线圈选配成对，采用磁路可调节结构。其次，应选高磁导率、低矫顽力、低剩磁感应的导磁材料。并应经过热处理，消除残余应力，以提高磁性能的均匀性和稳定性。由高次谐波产生的因素可知，磁路工作点应选在磁化曲线的线性段。2选用合适的测量线路,采用相敏检波电路不仅可鉴别衔铁移动方向，而且把衔铁在中间位置时，因高次谐波引起的零点残余电压消除掉。如图，采用相敏检波后衔铁反行程时的特性曲
8、线由1变到2，从而消除了零点残余电压。,四、互感式传感器的应用 测量振动、厚度、应变、压力、加速度等各种物理量。 1. 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。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、张力和厚度等。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
9、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。,2. 微压力变送器 将差动变压器和弹性敏感元件（膜片、膜盒和弹簧管等）相结合，可以组成各种形式的压力传感器。,1接头 2 膜盒 3 底座 4 线路板 5 差动变压器 6 衔铁 7 罩壳,1,2,3,4,5,6,7,这种变送器可分档测量(51056105)N/m2压力，输出信号电压为(050)mV，精度为1.5级。,第三节 电涡流式传感器,一、基本工作原理,1、电涡流效应：根据法拉第定律，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，导体内部将产生漩涡状的感应电流，成为电涡流，这种现象称为
10、“电涡流效应”。特点：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。,2、工作原理,二、电涡流形成范围,1. 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的关系曲线如图所示。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： 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。, 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
11、表示分散的电涡流（图中阴影部分）。,2. 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,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。,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。, 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。由于电磁
12、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：,3. 电涡流的轴向贯穿深度,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）。,三、电涡流传感器等效电路,线圈激磁电流角频率； R1、L1线圈电阻和电感； M互感系数。,解得等效阻抗Z的表达式为,式中：Req线圈受电涡流影响后的等效电阻,Leq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,四、电涡流传感器测量电路,
13、1. 调频式电路,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(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,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。,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
14、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,式中, Z为LC回路的阻抗。,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。,2. 调幅式电路,五、电涡流传感器的应用,1. 低频透射式涡流厚度传感器,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,为了克服带材不够平整或
15、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。,图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。,3. 电涡流式转速传感器,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。,
