传感器原理与应用—-电感式

传统传感器原理及应用TraditionalTransducers2020/2/232传统传感器电参量型传感器电量型传感器2020/2/233电参量型传感器电阻式传感器电感式传感器电容式传感器电参量型传感器测量电路2020/2/234电感式传感器(InductanceTransducer)是建立在电磁感应的基础上，利用线圈自感或互感的变化实现非电量的测量。这类传感器的主要特征是具有线圈绕组。利用磁路磁阻变化引起传感器线圈的自感或互感变化来测量的传感器，分别称为自感式传感器和互感式传感器（又称差动变压器式传感器），故又通称为变磁阻式传感器。电感式传感器还包括基于电涡流效应的涡流效应的电涡流传感器(ElectricEddyTransducer)，利用电磁感应原理的感应同步器(InductiveSynchronizer，将在数字传感器中讲述)等。电感式传感器2020/2/235电感式传感器一．自感式传感器（电参量型）二．互感式传感器—差动变压器式（电量型）三．电涡流式传感器①高频反射式（电参量型）②低频透射式（电量型）2020/2/236应用示例：自感式传感器图3.44自感式压力传感器2020/2/2371.测量原理☎自感系数L：自感式传感器SlSlSlRm212总磁阻：截面积。空气隙磁导率；空气隙长度；其中：SllSμWRWm22导磁体磁阻空气隙磁阻mRWLW2）：的线圈自感系数（自感匝数为L则：2020/2/2381.测量原理☎自感式传感器的结构类型：(1)变气隙式自感传感器(2)变面积式自感传感器(3)螺管式自感传感器自感式传感器2020/2/239(1)变气隙式自感传感器自感式传感器dldLS灵敏度：22lSμWlSμWRWLWm22）：的线圈自感系数（自感匝数为☻测量特性：①变气隙自感式传感器的输出特性是非线性的。②适合测量较小位移。为保证一定的测量范围与线性度，对变气隙式传感器，常取：δ0=lδ/2=0.1～0.5mm，△δ=(1/5～1/10)δ02020/2/2310(2)变面积式自感传感器自感式传感器dSdLS灵敏度：lμW2lSμWRWLWm22）：的线圈自感系数（自感匝数为☻测量特性：①在忽略气隙磁通边缘效应的条件下，其输出特性呈线性，因而具有较大的线性范围。②与变气隙式相比较，其灵敏度较低。欲提高灵敏度，需减小lδ，但同样受到工艺和结构的限制。2020/2/2311(3)螺管式自感传感器☻由平均半径为r的螺管线圈、衔铁和磁性套管等组成。随着衔铁插入的深度的不同将引起线圈泄漏路径中磁阻的变化，从而使线圈的电感发生变化。自感式传感器☻测量特性：①灵敏度较前两种低。②具有较大的线性范围，适用于较大位移测量。2020/2/23122.应用特性☎自感式传感器输出为线圈的自感系数，是典型的电参量型传感器。☎需要采用交流激励电源，设计合理的电感到电压转换电路以实现测量。☻常见的测量转换电路除交流电桥电路外，还有调幅电路、调频电路、调相电路等各种调制电路。在自感式传感器中，调幅电路用得较多，调频和调相电路用得较少。☎自感式传感器是被广泛采用的一种电磁机械式传感器，它除可直接用于测量直线位移、角位移的静态和动态量外，还可以它为基础，做成多种用途的传感器，用以测量力、压力、转矩、物位等等。自感式传感器2020/2/2313☎差动式自感传感器☻由单一式结构对称组合，构成差动式自感传感器，可改善其性能：①灵敏度提高②非线性补偿③对电源电压与频率的波动及温度变化等外界影响也有补偿，提高了传感器的稳定性。自感式传感器2.应用特性2020/2/2314差动式自感传感器的结构类型L2L1(a)变气隙差动型L1L2(b)变面积差动型L1L2(c)双螺线管差动型图3.48差动式自感传感器典型结构2020/2/2315应用案例(1)：差动电感式压力传感器C形弹簧管调机械零点螺钉线圈1线圈2衔铁P图3.49差动电感式压力传感器2020/2/2316应用案例(2)：轴向式电感测微器图3.50轴向式电感测微器2020/2/2317差动电感电桥测量电路图3.51交流差动电感测量电桥2020/2/2318电感式滚柱直径分选装置图3.52电感式滚柱直径分选装置2020/2/2319互感式传感器应用示例：图3.53差动变压器式力传感器L1L21L22铁心F变形部线圈下部上部2020/2/23201.测量原理☎能将被测非电量转换成线圈间互感系数M变化的传感器通称为互感式传感器（MutualInductanceSensor），变压器式传感器和透射式电涡流传感器都属于此类。互感式传感器☎变压器传感器本身是其互感系数可变的变压器。这种传感器的二次线圈是两个，接线方式又是差动的，故常称之为差动变压器式传感器。2020/2/2321☎差动变压器式传感器工作原理☻由一个主线圈（一次线圈）和两个次级线圈（二次线圈）构成，两个次级线圈差动连接。当一次线圈接入激励电压后，二次线圈将产生感应电压。当互感变化时，输出差动电压的幅值和相位发生变化。互感式传感器为互感系数。其中MI)MM(jEEUdtdiMe2122211212L1L21L22衔铁1.测量原理2020/2/2322差动变压器传感器的结构类型(c)(a)(b)(c)变气隙式(d)(e)变面积式(f)螺管式图3.56各种差动变压器传感器的结构示意图(a)Φ1Φ2(b)(d)δ0(e)(f)2020/2/2323☎零点残余电压☻零点残余电压：理论分析可知，当铁芯位于中间位置时，差动变压器输出电压峰值应为零。但实际上并不一定为零，把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压。☻零点残余电压产生的原因主要是传感器在制作时，两个次级线圈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。互感式传感器1.测量原理2020/2/23242.应用特性☎差动变压器式传感器的测量特性：①直接输出较大的电压信号，是电量型传感器。②输出电压是反应被测量大小和方向的调幅波，故需相应的解调电路（相敏检波电路、低通滤波电路等）以实现测量。互感式传感器2020/2/23252.应用特性☎差动变压器式传感器具有精确度高、线性范围大、稳定性好和使用方便等特点，被广泛应用于位移的测量中。也可借助于弹性元件将压力、重量等物理量转换为位移的变化，故也将这类传感器应用于压力、重量等物理量测量。互感式传感器2020/2/2326应用案例(1)：差动压力变送器图3.58差动压力变送器2020/2/2327应用案例(2)：张力测量控制系统图3.59差动变压器式张力测量控制系统2020/2/2328应用示例：电涡流式通道安全检查门电涡流式传感器1-报警指示灯2-内藏式电涡流线圈3-液晶彩显4-X光及中子探测器图像处理系统图3.60电涡流式安全检查门2020/2/23291.测量原理☎电涡流式传感器（ElectricEddyTransducer）是利用金属导体在交变磁场中的电涡流效应进行工作的。其基本测量原理是基于电磁感应原理，具有线圈结构这一电感式传感器的显著特征。电涡流式传感器☎按照电涡流在导体内的贯穿情况及传感器结构不同，可分成高频反射式和低频投射式两大类。2020/2/2330(1)电涡流效应☻闭合铁芯（或一大块导体）处于交变磁场中，交变的磁通量使闭合铁芯（或一大块导体）中产生感应电流，这种电流在金属板内自行闭合，类似于水涡流形状，称之为“涡电流”或“电涡流”，这种效应称为电涡流效应。电涡流式传感器金属板iφi1图3.25电涡流效应原理图x1.测量原理2020/2/2331(1)电涡流效应电涡流式传感器☻电涡流效应与被测导体的电阻率、磁导率、几何形状与表面状况、线圈的几何参数、励磁电流频率以及线圈与导体间的距离等参数有关。—电涡流检测☻电涡流效应的应用：电磁屏蔽罩、电磁炉、非接触式连续测量等。1.测量原理2020/2/2332电涡流的应用——电磁炉电磁炉2020/2/2333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。电磁炉内部的励磁线圈2020/2/2334大直径电涡流探雷器2020/2/2335☻电涡流不仅沿导体径向分布不均匀，导体内产生的涡流由于趋肤效应，贯穿金属导体的深度有限。电涡流式传感器☫贯穿深度h随激励频率f的升高而逐渐减小，频率越低，贯穿深度越大。f/khρ、μ—导体的电阻率和相对磁导率；f—激励频率；k—比例常数。jm涡流密度Jjm/ehh1h2h3f1f2f3f3＞f2＞f10图3.62贯穿深度h与激励频率f的关系☫电涡流的贯穿深度：☻根据电涡流在导体内的贯穿情况（是否穿透导体），电涡流传感器可分为高频反射式和低频透射式两种结构形式。(1)电涡流效应2020/2/2336电涡流式传感器电涡流传感器测厚思考：高频反射式和低频透射式电涡流传感器有何区别？①测量原理②结构型式③输出信号④测量电路☎高频反射式电涡流传感器测厚☎低频透射式电涡流传感器测厚2020/2/2337(2)高频反射式电涡流传感器①工作原理：基于电涡流效应，当传感器线圈中有一高频交变电流i通过时，在线圈周围有交变磁通φ产生。此交变磁通通过附近的金属板，金属板中产生交变的电涡流i1。由于采用高频激励，此电涡流集中分布在导体表面。交变i1也将产生一个交变的新磁场φ1，φ1与φ方向相反，力图削弱原磁场φ的变化，从而导致线圈的电感量L、阻抗Z和品质因数Q发生变化。在一定范围内，通过测量L、Z或Q的变化就可实现测量。电涡流式传感器感应电流，简称涡流）交变电流()(Q/Z/Lii112020/2/2338(2)高频反射式电涡流传感器②结构型式☫由一个扁平线圈构成，并通以高频交流激励，通过测量该传感器线圈的电参数，包括电感、阻抗和品质因数的变化来进行测量。电涡流式传感器☫传感器的测量范围与这种传感器线圈外径有关，线圈外径大时，线圈的磁场轴向分布范围大，但磁感应强度的变化梯度小；线圈外径小时则相反。BP线圈1线圈2d1＞d2x0d1—线圈1的外经；d2—线圈2的外径图3.28线圈轴向磁感应强度分布2020/2/2339(2)高频反射式电涡流传感器☻被测体的影响：电涡流传感器是利用线圈与被测导体之间的电磁耦合进行工作的，被测导体材料的物理性质、尺寸与形状都与传感器特性密切相关。♣被测导体的电导率、磁导率对传感器的灵敏度有影响。♣被测体的大小和形状也与灵敏度密切相关。从分析知，若被测体平面，为充分利用电涡流效应，被测体环的直径不应小于线圈直径的1.8倍；若被测体为圆柱体时，只有其直径为线圈直径的3.5倍以上，才不影响测量结果。♣对被测体厚度也有一定要求，一般厚度大于0.2mm则不影响测量结果(视激励频率而定)，铜铝等材料更可减薄为70μm。☻应用：非接触式非电量检测、探伤、材质鉴别、温湿度测量等。电涡流式传感器2020/2/2340电涡流传感器测位移及其应用2020/2/2341电涡流转速测量2020/2/2342转速测量原理若转轴上开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2020/2/2343电涡流传感器零件计数2020/2/2344测量金属薄膜、板材厚度电涡流测厚仪测量冷轧板厚度2020/2/2345测量金属镀层或绝缘层厚度测量金属镀层或绝缘层厚度的计算方法有何区别？2020/2/2346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。2020/2/2347测量尺寸、公差及零件识别通过测量间隙来测定热膨胀引起的上下平移2020/2/2348测量封口机工作间隙间隙越大，电涡流越小2020/2/2349测量注塑机开合模的间隙间距2020/2/2350电涡流表面探伤手持式裂纹测量仪油管探伤2020/2/2351用掌上型电涡流探伤仪检测飞机裂纹2020/2/23