第六章：电感式传感器

第一节自感式传感器原理及应用第二节互感传感器原理及应用第三节电涡流式传感器原理及应用第六章电感式传感器学习要求1、掌握三种不同类型的电感传感器的工作原理和特点；3、掌握电感传感器的典型应用和创新应用。2、熟悉电感传感器的基本检测电路的原理；磁通链1.1闭磁路式自感传感器磁路总磁阻:安匝导磁体磁阻气隙磁阻I0i磁导率Fe0RRFe0忽略Rfe，得：InS/200第一节自感式传感器原理及应用InS/200由知,0在外界位移下改变随0变化则：LnSK200021L0LnS200202传感器的灵敏度为：KLnSS020022显然，根据其特性曲线，要使传感器工作在线性区，只能在a段或b段小范围内，而且，a段的灵敏度要远远大于b段。这种传感器用于检测很小的位移，10－6米级。ab例如原始气隙0＝0.1～0.5mm，0的最大值0/5。1.2螺管型自感传感器要测量较大的位移，可以采用螺管结构的电感传感器。线圈衔铁lrlrarLnrlllrrrra2022211式中：0—真空导磁率r—铁芯相对导磁率灵敏度为：KnrlSar20221()螺管型自感传感器的衔铁移动范围大，但灵敏度较低。1.3空气隙差动式自感传感器x12LnS12012LnS22022LLL12当衔铁处于中间位置,有:LLL120LLL120当衔铁偏离中间位置,有:则,LLLnSL122002200221()其中0灵敏度KL211002约提高一倍,非线性减小。1.4差动自感传感器测量电路12uSC～uz3z4～uuSCz3z4z1z2等效电路设Z3＝Z4＝Z0Z1＝Z0＋Z1，Z2＝Z0－Z2则，电桥电路输出为：UUzzzzzSC2212012在理想情况下，有Z1=Z2且Z与L成正比，L又与成正比，UUSC20所以：灵敏度：KUUSC210uSC～uz3z41.5其它测量电路(a)调频检测电路自感线圈作为振荡器谐振回路的一部分，当电感随被测量变化时，振荡频率发生相应的变化，经鉴频器把频率变化转换成电压的变化，得到检测输出信号。调频振荡放大限幅鉴频器放大器输出(b)调幅检测电路自感L为谐振回路的一部分，由稳频限幅的高频振荡器供电，调整电容C，使回路工作在谐振频率附近。检测时L变化，输出电压幅度在UM附近变化，经放大整流得到信号.LU/U0振荡器整流放大LC1.1工作原理WpWSUpIpUps根据电磁感应原理,当初级线圈Wp通入激励电流Ip时,次级线圈WS将产生感应电势:UMdIdtpsp式中M是初次级线圈间的互感，其大小与两线圈的相对位置，周围介质的导磁性等因素有关。互感传感器实质上是一个变压器，它利用互感M变化引起输出电压的变化来检测有关的物理量。实际的互感传感器的次级线圈一般有两个，可接成差动形式，故互感传感器又称为“差动变压器”。第二节互感传感器原理及应用1.2螺管型互感传感器S1次级线圈S2次级线圈P初级线圈铁芯rpLpLs1Ls2rs1rs2RL等效电路dIdtjIpp则，设Ip=Ipme-jtUs1=-jM1IpUs2=-jM2IpU0=Ups=Us1-Us2=-j(M1-M2)Ip～～～UpIpUs2Us1U0IL又IUrjLppp所以，输出有效值为：UMMrLUopp()()2122差动变压器的输出电压有效值与衔铁之间的关系如图。当差动变压器接入负载RL后，负载电流会影响初级回路。但采用输入电阻较高的放大器，则可以忽略其影响，得到负载上的输出电压为：URZRULLoLo其中，差动变压器的输出阻抗为：ZrrjLjLrjLssssss01212最后得到负载电压的有效值：URrRLMMrLULLsLsppP()()()()222122U0US1US20x残余电压1.3互感传感器的应用1)呼吸测定2)流量测量3)气压测量电感传感器系列涡流—块状金属在变化磁场中运动时产生的电流.第三节电涡流式传感器原理及应用电涡流的应用——在我们日常生活中经常可以遇到干净、高效的电磁炉电磁炉内部的励磁线圈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。涡流传感器原理:涡流大小与金属板的磁导率，电阻率，厚度以及激磁线圈与金属板的的距离、激磁电流的频率等参数有关，固定其中一些参数，就能根据涡流的大小测出另外的参数。涡流传感器在金属体上生产的涡流，由于涡流的集肤效应，其渗透深度h与传感器的激磁电流的频率f有关，它们的关系是：hf503.因为涡流的大小与渗透深度均与激磁电流频率密切相关，所以根据激磁电流的频率进行分类，涡流传感器可分为高频反射式和低频透射式两种。1.1高频反射涡流传感器工作原理：线圈通以高频交流电流I1，线圈周围产生交变磁通1，它通过金属板形成闭路。金属导体便产生涡流i2，由于集肤效应，高频电磁场不能透过具有一定厚度的金属板，而仅作用于表面的薄层内，电涡流i2除要消耗在金属板发热之外，还将产生交变磁通2。xiUi根据楞次定律，2与1方向相反。由于2的反作用，抵销部分1，故两个磁场叠加后，使原来的电感量减小，导致其阻抗的变化，随之线圈电流i1的大小和相位都要发生变化，变化的程度与x有关，据此可进行测量。1.2低频透射涡流传感器根据电路理论，由于集肤效应，金属导体产生的电涡流贯穿深度与传感器线圈激磁电流的频率有关。频率越低，电涡流的贯穿深度越厚。利用此原理，制成低频透射涡流传感器，适合测量金属材料的厚度。工作原理：图中L1为发射线圈L2为接收线圈，L1通入音频信号后，产生交变磁场。磁力线在金属板上产生涡流I，涡流I产生的磁场抵销L1的部分磁力线，使L2接收的磁力线减少，感应电压U2减小，金属板越厚，涡流损耗越大，U2越小，由此可以检测出金属板的厚度。u2u1L1L21.3涡流传感器的应用1轴向位移测定2轴径向振动测量3线膨胀系数测量4接近检测开关5转速测量6零件数的检测7表面光洁度测量大直径电涡流探雷器偏心和振动检测通过测量间隙来测量径向跳动测量弯曲、波动、变形对桥梁、丝杆等机械结构的振动测量，须使用多个传感器。测量金属薄膜、板材厚度电涡流测厚仪测量冷轧板厚度测量封口机工作间隙间隙越大，电涡流越小振动测量汽轮机叶片测试测量悬臂梁的振幅及频率转速测量若转轴上开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:60fnz电涡流涂层厚度仪由于存在集肤效应，镀层或箔层越薄，电涡流越小。测量前，可先用电涡流测厚仪对标准厚度的镀层和铜箔作出“厚度-输出”电压的标定曲线，以便测量时对照。安检门演示当有金属物体穿越安检门时报警用掌上型电涡流探伤仪检测飞机裂纹电涡流传感器系列第六章小结1、各类原理及特点自感式互感式：变压器原理涡流式闭磁路式：非线性大，测微小位移螺管型：线性，测大位移高频反射式原理及特点低频透射式原理及特点2、测量电路：调频测量电路、调幅测量电路