,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,*,*,传感检测技术及其应用,第二篇 典型传感器的原理及其应用技术,11/15/2024,传感检测技术及其应用第二篇 典型传感器的原理及其应用技,第五章 电感式传感器及应用,了解电感式传感器的工作原理；,了解自感式传感器、互感式感传感器和电涡流式传感器的特点；,了解自感式传感器、互感式感传感器和电涡流式传感器的应用,11/15/2024,2,第五章 电感式传感器及应用了解电感式传感器的工作原理；10/,电感式传感器概念和类型,电感式传感器,是以电和磁为媒介，利用磁场的变化引起线圈的电感量或互感量的变化，把非电量转化为电量的装置（基于电磁感应原理）。,按照转换方式的不同可分为自感式（包括可变磁阻式与涡流式）和互感式（差动变压器式）两种。,11/15/2024,3,电感式传感器概念和类型 电感式传感器是以电和磁为媒,5-1自感式传感器,自感式传感器是利用线圈自身电感的改变来实现,非电量与电量的转换。主要有,变气隙型,、,变面积型,、,螺管插铁型,。,一,、,变磁路气隙式电感传感器,组成,：线圈、铁芯和衔铁组成。在铁芯与衔铁之间存在气隙,。,11/15/2024,4,5-1自感式传感器 自感式传感器是利用线圈自身,根据磁路理论，磁通为：,原理分析：,根据电磁感应定律，当线圈中通以电流I时，产生磁通，其大小与电流成正比，线圈的自感量L为,11/15/2024,5,根据磁路理论，磁通为：原理分析：根据电磁感应定律，当线圈中通,线圈自感可用下式计算：,磁路的磁阻主要是气隙产生的气隙磁阻，,联立式（51）、（52）、（54），线圈的电,感量为,11/15/2024,6,线圈自感可用下式计算：磁路的磁阻主要是气隙产生的气隙磁阻，,线圈电感变化量（气隙减小）,非线性误差,灵敏度和线性度之间存在矛盾；一般变气隙式电感传感器只能在较小的气隙范围内变化微小的位移。因此只适用于微小位移量的检测，一般约为0.0011 mm。,上式说明：当活动衔铁的位移很小时，线圈的电感,变化量与位移量成线性关系。,其灵敏度,为,11/15/2024,7,线圈电感变化量（气隙减小）非线性误差灵敏度和线性度之间存在,原理,1.灵敏度是一常数；,2.在一定范围内不存在非线性；,3.当正反方向变化相同的x时，其电感变化量具有对称性。但当xa时就不再存在直线关系，其线性范围是有限的。,结论,二、,变磁路截面积式自感传感器,传感器的,灵敏度,11/15/2024,8,原理1.灵敏度是一常数；结论二、变磁路截面积式自感传感器传感,三、,螺管插铁型电感传感器,式中：,L,单个线圈的电感量；,L,0,空心螺管线圈的电感量，,W,单个线圈的匝数；,r,线圈的平均半径；,r,c,柱形衔铁的半径；,l,单个螺管线圈长度；,l,c,柱形衔铁插入到单个螺管内的长度；,铁芯的有效磁导率。,原理,：单个线圈电感量与衔铁插入长度关系为,11/15/2024,9,三、螺管插铁型电感传感器式中：L单个线圈的电感量；原理：单,传感器的,灵敏度,：,螺管线圈,电感变化量,总结,：结构简单、易制造，灵敏度低，适于较大位移,（数毫米）测量。,11/15/2024,10,传感器的灵敏度：螺管线圈电感变化量总结：结构简单、易制造，灵,四、,差动电感传感器,自感式传感器是单线圈工作，存在的问题：,没有信号输入时，仍有输出；外界干扰时输出产生误,差；灵敏度低等,。,差动自感式传感器可以克服这些缺点。由两个结,构、材料和电气参数相同自感传感器构成。,11/15/2024,11,四、差动电感传感器 自感式传感器是单线圈工作，存,对差动式传感器，当共用衔铁位移时，两线圈的间隙按,0,、,0,+,变化，即一个线圈自感增加，另一个减小。,当,/,1,时：,1.,工作原理,11/15/2024,12,对差动式传感器，当共用衔铁位移时，两线圈的间隙按,灵敏度,，为原来的两倍。,非线性误差,降低了一个数量级。,11/15/2024,13,灵敏度，为原来的两倍。非线性误差降低了一个数量级。10/6,2.,交流电桥,初始条件,电桥处于平衡状态，输出U,SC,=0。,当衔铁偏移,时，,，则,11/15/2024,14,2.交流电桥电桥处于平衡状态，输出USC=0。当衔铁偏移,所以上式为,，将,代入后,上式表明输出电压与衔铁的位移成正比，其相位与运,动方向有关，如图所示，其优点为：,从理论上消除了零位输出误差；,灵敏度提高一倍；,线性度得到改善；,差动形式可以提高外界的干扰。,11/15/2024,15,所以上式为，将代入后上式表明输出电压与衔铁的位移成正比，其相,3.,变压器交流电桥,电桥的工作臂是Z,1,、Z,2,，另外,两个臂是变压器的次级线圈，,输出取自A、B两点，B点为线,圈的中心，并接地。,初始时，,当衔铁偏离 时，,11/15/2024,16,3.变压器交流电桥电桥的工作臂是Z1、Z2，另外初始时，当衔,同理，当衔铁偏移,时，可推导出,综合上两式有,结论：,a）以上交流电桥，变压器电桥其输出正比于,L,/,L,0,。,b）输出为交流信号，其方向、大小需通过整流、滤波后才能获得相应直流信号。,4、,相敏整流,11/15/2024,17,同理，当衔铁偏移时，可推导出综合上两式有结论：4、相敏,5-2 互感式传感器,互感式传感器,又称变压器式传感器，是把非电量,的变化转换成线圈相互的互感量的变化，然后再经过,转换电路转换成为电信号输出。,结构形式主要有三种：螺管型差动变压器、型,差动变压器及旋转变压器。但,目前常用,的是螺管型差,动变压器。,一、,螺管型差动变压器,螺管型差动变压器按绕组排列形式可分为二段,式、三段式、四段式、五段式等。,1.,原理,11/15/2024,18,5-2 互感式传感器 互感式传感器又称变压器式,如上图左是三段绕组螺管型差动变压器，上图,右是其等效电路。由等效电路可得,主要由线圈绕组（初级绕组和次级绕组）、可移,动衔铁、导磁外壳三大部分组成。,11/15/2024,19,如上图左是三段绕组螺管型差动变压器，上图,所以有,当衔铁处于中间位置时,M,1,=M,2，,E,2,=0,当衔铁偏离中间位置时，设,M,1,M+M,1,，M,2,MM,2,，M1 M 2 M，有,位移量与M有近似线性关系。,11/15/2024,20,所以有当衔铁处于中间位置时M1=M2，E2=0当衔铁偏离中间,2.,主要特性,（1）,输出特性,差动变压器输出电压可用下式计算：,E,2,为差动变压器输出电压有效值；,x,衔铁的位移量；,k,1,与变压器结构尺寸和电参数有关的系数；,k,2,与变,压器结构有关的系数。,（2）,线性度,在输出特性公式中，通常,k,2,x,2,lMHz)激励电流，产生的高频磁场作用于金属板的表面，由于集肤效应，在金属板表面将形成涡电流。与此同时，该涡流产生的交变磁场又反作用于线圈，引起线圈自感L或阻抗Z,L,的变化，其变化与距离该金属板的电阻率、磁导率、激励电流i，及角频率等有关，若只改变距离而保持其他系数不变，则可将位移的变化转换为线圈自感的变化，通过测量电路转换为电压输出。高频反射式涡流传感器多用于位移测量。,涡流式传感器可分为高频反射式和低频透射式。,二、,涡流传感器类型,1.,高频反射式,11/15/2024,31,高频(lMHz)激励电流，产生的高,低频透射式涡流传感器的工作原理如图所示，发射线圈,1,和接收线圈,2,分别置于被测金属板材料G的上、下方。,2、,低频透射式,由于低频磁场集肤效应小，渗透深，当低频（音频范围)电压e,1,加到线圈,1,的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板材料G,使线圈,2,产生感应电动势e,2,。但由于涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势e,2,减少，当金属板材料G越厚时，损耗的能量越大，输出电动势e,2,越小。因此，e,2,的大小与G的厚度及材料的性质有关，试验表明，e,2,随材料厚度h的增加按负指数规律减少,如图所示，因此，若金属板材料的性质一定，则利用e,2,的变化即可测量其厚度。,11/15/2024,32,低频透射式涡流传感器的工作原理如图所示，发射线圈,三、,特性分析,（1）,输出特性,：一定距离范围内呈线性,（2）,灵敏度,灵敏度正比于线圈直径，反比于线圈,厚度；被测测物体半径大于线圈外径1.8倍，要有一,定厚度；正比于电导率，反比于磁导率；正比于工作,频率。,四、,测量电路,1.,调幅式测量电路,11/15/2024,33,三、特性分析（1）输出特性：一定距离范围内呈线性（2）灵敏度,2.,调频式测量电路,11/15/2024,34,2.调频式测量电路10/6/202334,11/15/2024,35,10/6/202335,3.,电桥测量电路,11/15/2024,36,3.电桥测量电路10/6/202336,5-4 电感式传感器应用,一、,电感式传感器应用,1.,电感式位移式传感器,2.,差动变压器测速,3.,差动变压器测惯性加速度,4.,磨加工连续表面主动测量仪,5.,三维电感测头,二、,电涡流传感器应用,1.,涡流式传感器测位移,11/15/2024,37,5-4 电感式传感器应用一、电感式传感器应用1.电感式位移,11/15/2024,38,10/6/202338,11/15/2024,39,10/6/202339,11/15/2024,40,10/6/202340,11/15/2024,41,10/6/202341,2.,涡流膜厚检测,3.,电涡流式转速表,4.,电涡流式接近开关,11/15/2024,42,2.涡流膜厚检测3.电涡流式转速表4.电涡流式接近开关10/,11/15/2024,43,10/6/202343,思考题,1.查资料，了解螺管式差动变压器传感器的结构，,为什么要采用多段式结构？,2.螺管式差动变压器的输出，直接用电压表（直流,或交流式）能否测出衔铁的位移所对应的电压？,3.螺管式差动变压器为什么要采用相敏检波？结合,课堂上所讲内容，仔细理解相敏检波的原理。,4.查找电感式传感器应用（除课堂上应用外）的资料。,11/15/2024,44,思考题10/6/202344,11/15/2024,45,10/6/202345,