第4部分 传感器原理3-电感式

华中科技大学机械学院测试技术与信号处理三、电感式传感器电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量（如位移、力、流量、振动）转化为电感量的一种装置。分类:电感式传感器涡流式可变磁阻式互感型自感型第三章常用传感器与敏感元件华中科技大学机械学院测试技术与信号处理主要优点：1）结构简单、工作可靠；2）灵敏度高，能分辨0.01μm的位移变化；3）测量精度高、零点稳定、输出功率较大；4）可实现信息的远距离传输、记录、显示和控制，在工业自动控制系统中被广泛采用；主要缺点：1）灵敏度、线性度和测量范围相互制约；2）自身频率响应低，不适用于快速动态测量。•电感式传感器特点电感式传感器华中科技大学机械学院测试技术与信号处理1.自感型当衔铁随被测量x变化而上、下移动时，其与铁心间的气隙发生变化，磁路磁阻随之变化，从而引起线圈电感量的变化；通过测量电路转换成与位移成比例的电量，实现了非电量到电量的变换。（1）可变磁阻式结构原理如右图所示1—线圈2—铁心3—衔铁x电感式传感器华中科技大学机械学院测试技术与信号处理•线圈电感L由电工学可知，匝数为N的线圈电感为2m=LNR式中Rm—磁路总磁阻如果空气气隙较小，且不考虑磁路的铁损，则总磁阻Rm0m02=RlAA式中l—铁心导磁长度；—铁心导磁率；A—铁心导磁截面积—气隙长度；0—空气导磁率；A0—空气气隙导磁截面积电感式传感器华中科技大学机械学院测试技术与信号处理•线圈电感L由电工学可知，匝数为N的线圈电感为2m=LNR式中Rm—磁路总磁阻如果空气气隙较小，且不考虑磁路的铁损，则总磁阻Rm0m02=RlAA因为铁心磁阻与空气气隙的磁阻相比较很小，计算时可以忽略不计，则上式可简化为0m02RA电感式传感器华中科技大学机械学院测试技术与信号处理200=2NLA自感型可变磁阻式传感器的自感L2002===2LNdSLAd变间隙型传感器灵敏度：S与气隙长度的平方成反比，愈小，S愈高；同时存在非线性误差。为减小此误差，通常规定在较小间隙变化范围内使用，一般取D/0≤0.1。这种传感器适用于较小位移（0.001~1mm）的测量。电感式传感器华中科技大学机械学院测试技术与信号处理可变导磁面积型差动型可变磁阻式传感器的典型结构20002NdLSAd变间隙型变面积型单螺旋管线圈型200=2NLA双螺旋管线圈型用于电感测微计，常用测量范围为0~300m，最小分辨力为0.5m，接在交流电桥的相邻两桥臂。当铁心在线圈中运动时，改变磁阻，使线圈自感发生变化。这种传感器结构简单、制造容易，但灵敏度低，适用于较大位移（数毫米）测量。电感式传感器华中科技大学机械学院测试技术与信号处理电感式接近传感器（金属）电感式传感器华中科技大学机械学院测试技术与信号处理（2）涡流式原理:涡电流效应涡流式传感器是利用涡电流效应进行工作的。由于结构简单、灵敏度高、频响范围宽、不受油污等介质的影响，并能进行非接触测量，适用范围广。涡电流：金属块放在变化的磁场中，穿过金属块的磁通量发生变化时，金属块内部就会产生感应电流，该电流在金属块内部形成闭合回路，就像旋涡一样，故称为涡电流。电感式传感器华中科技大学机械学院测试技术与信号处理通常把电涡流传感器按激磁电源频率高低分为两大类：高频反射式电涡流传感器和低频透射式电涡流传感器，前者用于非接触式位移变量的检测，后者仅用于金属板厚度的测量。①高频反射式原理图根据楞次定律，涡电流的交变磁场F1与线圈的磁场F变化方向相反，F1总是抵抗F的变化。由于涡流磁场对导磁材料的作用以及气隙对磁路的影响，便原线圈的等效阻抗Z发生变化，变化程度与距离有关。电感式传感器华中科技大学机械学院测试技术与信号处理分析表明，影响高频线圈阻抗Z的因素，除了线圈与金属板间距离以外，还有金属板的电阻率r，磁导率以及线圈激磁圆频率w等。当改变其中某一因素时，即可达到不同的变换目的。例如，变化，可作为位移、振动测量；变化r或值，可作为材质鉴别或探伤等。电感式传感器华中科技大学机械学院测试技术与信号处理高频反射式电涡流传感器测量电路根据电涡流效应原理和等效电路,电涡流传感器输出的测量电路有以下两种形式。•阻抗分压式调幅电路•调频电路电感式传感器华中科技大学机械学院测试技术与信号处理•调频电路012πfLC12π()fLLCDD金属板与传感器之间的距离电感式传感器LLD华中科技大学机械学院测试技术与信号处理②低频透射式电涡流传感器电感式传感器华中科技大学机械学院测试技术与信号处理电涡流传感器可用于动态非接触测量，测量范围视传感器结构、线圈匝数和励磁频率而定，一般从±(1~10)mm，最高分辨力可达0.1μm。此外，具有结构简单、使用方便、不受油污等介质的影响等优点。因此，近年来涡流式位移和振动测量仪、测厚仪和无损检测探伤仪等在机械、冶金等部门中日益得到广泛应用，在径向振摆、回转轴运动误差、转速和厚度测量，以及在零件计数、表面裂纹和缺陷测量中都有应用，如图所示。电感式传感器华中科技大学机械学院测试技术与信号处理电涡流传感器应用实例电感式传感器华中科技大学机械学院测试技术与信号处理电涡流传感器产品电感式传感器华中科技大学机械学院测试技术与信号处理案例：连续输油管的椭圆度测量CoiledTubeEddySensorReferenceCircle电感式传感器华中科技大学机械学院测试技术与信号处理案例：无损探伤原理：裂纹检测，缺陷造成涡流变化。火车轮检测油管检测电感式传感器华中科技大学机械学院测试技术与信号处理2.互感型—差动变压器式电感传感器112=dMeidtM－比例系数，称为互感（H）工作原理:互感现象如图所示→当线圈W1输入交流电流i1时，线圈W2产生感应电势e12，其大小与电流变化率i1成正比，即电感式传感器华中科技大学机械学院测试技术与信号处理互感型—差动变压器012=eee输出电压：Ew铁心e1e2e0WW1W2x铁心电感式传感器华中科技大学机械学院测试技术与信号处理差动变压器的输出电压是交流量，其幅值与铁心位移成正比，输出值如用交流电表指示，只能反映铁心位移的大小，不反映移动的方向性。其次，交流电压输出存在一定的零点残余电压。它是由于两个二次侧线圈结构不对称，以及一次侧线圈铜损电阻、铁磁质材料不均匀、线圈间分布电容等原因形成。所以，即使铁心处于中间位置时，输出也不为零。为此，差动变压器式传感器的后接电路形式，需要采用既能反映铁心位移方向性，又能补偿零点残余电压的差动直流输出电路。电感式传感器华中科技大学机械学院测试技术与信号处理差动相敏测量电路原理上图是一种用于小位移测量的差动相敏检波电路工作原理图。在没有输入信号时，让铁心处于中间位置，调节电阻R，使零点残余电压减小；当有输入信号时，铁心移上或移下，其输出电压经交流放大、相敏检波、滤波后得到直流输出，由表头指示输入位移量大小和方向。电感式传感器华中科技大学机械学院测试技术与信号处理•差动变压器式电感传感器具有精确度高(最高分辨力可达0.1m)、线性范围大(可扩展到100mm)、稳定性好和使用方便的特点，被广泛用于直线位移测定。但其实际测量频率上限受到传感器机械结构的限制。•借助于弹性元件可以将压力、重量等物理量转换为位移的变化，故也将这类传感器用于压力、重量等物理量的测量。•应用：厚度，角度，表面粗糙度；拉伸，压缩，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。电感式传感器华中科技大学机械学院测试技术与信号处理差动变压器位移传感器电感式传感器华中科技大学机械学院测试技术与信号处理案例：板的厚度测量~案例：张力测量电感式传感器