1、2019/11/25,控制科学与工程系,1,第三章 电感式传感器经典 1 原理 2 分类 3 具有小气隙的电感传感器 4 螺管式电感传感器 5 电感传感器的测量电路 6 交流电桥的调零 7 温度对电感传感器的影响 8 非接触测量-电涡流电感传感器,2019/11/25,控制科学与工程系,2,电感式传感器的特点： 结构简单、可靠，测量力小。 分辨力高。能测量0.1m，甚至更小的机械位移，能感受到0.1角秒的微小角位移。传感器的输出信号较强，因此有利于信号的传输和放大。 重复性好，线性度优良，在一定位移范围内，输出特性的线性度较好，且比较稳定。 缺点是灵敏度、线性度和测量范围相互制约, 传感器自身
2、频率响应低, 不适用于快速动态测量。,2019/11/25,控制科学与工程系,3,1 原理 电与磁之间的相互作用、相互转换的物理现象。 磁场几何形状等结构参数与电磁转换效率的关系。eL= - Ldi/dtL = N2/RM 通过测量感生电动势来测量电感值，进而测量运动的位移、速度以及加速度。,2019/11/25,控制科学与工程系,4,激励线圈1由交变电源激励，在铁芯3中产生交变磁场。 感生电动势的大小与气隙的大小有着一一对应的关系。,2019/11/25,控制科学与工程系,5,电感传感器的主体结构，由如下几个部分组成： 一个产生交变磁场的激励线圈； 一个可变的磁路系统，可动部分用于改变磁场强
3、度或磁场分布； 一个用于检出磁场参数变化的线圈，交变磁场在其中产生感应电势；(可能与重) 一个用于可动磁路的支撑、定位和运动导向系统。,2019/11/25,控制科学与工程系,6,2 分类电感传感器的核心- 一个确知的磁场 具有小气隙的电感传感器通过改变气隙来改变磁阻，进而改变电感。 具有螺管线圈的电感传感器利用铁芯来改变磁阻，进而改变电感。 电涡流传感器利用主磁场和涡流磁场的相互耦合来改变电感。,2019/11/25,控制科学与工程系,7,3 具有小气隙的电感传感器 3.1变气隙电感传感器 3.2变截面积电感传感器,2019/11/25,控制科学与工程系,8,3.1 变气隙电感传感器 原理：
4、铁芯中和气隙中磁场是均匀分布的，磁路的总磁阻为铁芯及气隙磁阻之和。,2019/11/25,控制科学与工程系,9,2019/11/25,控制科学与工程系,10,灵敏度与线性度分析,2019/11/25,控制科学与工程系,11,L和是非线性关系,2019/11/25,控制科学与工程系,12,2019/11/25,控制科学与工程系,13,恒流源激励-非线性，一般不采用,2019/11/25,控制科学与工程系,14,恒压源激励,2019/11/25,控制科学与工程系,15,恒压源激励其中，I是输入位移为零时的输出。 K（气隙电感和铁芯电感的比）愈小，则灵敏度越大。 用高磁导率的铁芯材料和限制气隙的大小
5、来提高灵敏度K。 铁芯平均长度和气隙大小的比不超过200，称之为小气隙。 测量范围与灵敏度及线性度相矛盾。,2019/11/25,控制科学与工程系,16,问题 机械零点和电气零点不一致，输入位移为零时，输出不为零。 即使输入为零，磁场作用在物体上的力也不为零，故干扰了被测量物体的运动状态。,2019/11/25,控制科学与工程系,17,3.2变截面积电感传感器 原理改变气隙的有效导磁面积以改变电感。,2019/11/25,控制科学与工程系,18,输入输出关系,2019/11/25,控制科学与工程系,19,恒流源激励(可以选择激励源的形式来实现线性化。),K （气隙电感和铁芯电感 的比）愈小，则
6、灵敏度越大。,2019/11/25,控制科学与工程系,20,问题 机械零点和电气零点不一致，输入位移为零时，输出不为零。 即使输入为零，磁场作用在物体上的力也不为零，故干扰了被测量物体的运动状态。,2019/11/25,控制科学与工程系,21,4 螺管式电感传感器具有小气隙的电感传感器由于气隙磁通的边缘效应，使得其只能应用于微小距离测量中。对于大量程的位移测量（300mm），可以应用螺管式电感传感器。,单螺管线圈型,2019/11/25,控制科学与工程系,22,结构,一个多层的细长线圈被放置在一个铁磁性的壳体中。 一个可动的铁芯，沿线圈的轴向移动，用于改变线圈的电感。 螺管的长径比足够大。,单
7、螺管线圈型,2019/11/25,控制科学与工程系,23,2019/11/25,控制科学与工程系,24,讨论：说明螺管式电感位移传感器的结构和原理。简述电感式传感器的应用。,2019/11/25,控制科学与工程系,25,小结：从以上三种常规电感传感器的输出特性以及之前电阻应变片电桥测量的原理可知，电感测量需要解决如下问题： 差动形式的构成； 电桥测量中桥臂的平衡配置； 交流电桥测量电路； 电桥调零。,2019/11/25,控制科学与工程系,26,5 具有小气隙的电感传感器和螺管式电感传感器的测量电路 5.1 差动结构 5.2 电桥桥臂电阻的平衡配置 5.3 交流电桥相敏检波,2019/11/2
8、5,控制科学与工程系,27,5.1 差动结构 变气隙型差动电感 一个线圈的电感量增加, 另一个线圈的电感量减小, 形成差动形式。,2019/11/25,控制科学与工程系,28,变气隙型差动变压器一般变压器是闭合磁路，差动变压器是开磁路；一般变压器原副边的互感是常数，而差动变压器是工作在互感变化的基础上。,2019/11/25,控制科学与工程系,29,差动变压器的优点 可进行负载匹配； 输入输出是磁路耦合，一次和二次无电的直接联系，在要求信号与电源隔离时使用非常方便；,2019/11/25,控制科学与工程系,30, 变截面差动电感和差动变压器,2019/11/25,控制科学与工程系,31,5.2
9、 电桥桥臂电阻的平衡配置,问题： 选择串联结构：Z1=Z2 ，Z3=Z4 选择并联结构：Z1=Z3 ，Z2=Z4 若使用差动结构，两个非工作臂的构成问题。（R L C） 评价指标：灵敏度,2019/11/25,控制科学与工程系,32,串联对称：Z10=Z20 ，Z3=Z4,2019/11/25,控制科学与工程系,33,选择并联结构：Z1=Z3 ，Z2=Z4=Z 平衡电抗的配置决定了并联结构的灵敏度。,2019/11/25,控制科学与工程系,34,下一个问题是从灵敏度角度来选择Z2=Z4的阻抗形式。 并联结构,Z2、Z4由相同电感构成：,2019/11/25,控制科学与工程系,35,并联结构,
10、Z2、Z4 由相同电阻构成：,2019/11/25,控制科学与工程系,36,Z2、Z4由相同电容构成，即在同一支路同时存在C和L由电路知识可知，当同一条串联支路同时存在电感和电容时，若激励电源处于LC谐振频率，电路电流最大，电流 取决于电路中直流电阻。,2019/11/25,控制科学与工程系,37,说明： 电容串联谐振时，电源电压不能超过电感式传感器的额定电压，因此此时的电源电压UE会不同于电感电阻并联时的电压。 电感式传感器一定会有直流电阻，因为有线圈就会有电阻。,2019/11/25,控制科学与工程系,38,Z2、Z4由相同电感构成 当Z1=Z2= Z3=Z4=L时，UPOmax=USO
11、Z2、Z4由相同电阻构成 当wL10=R时，UPOmax=2USO Z2、Z4由相同电容构成 当wL10=1/jwC时，UPOmax=4Q2USO （类似于谐振） 结论： 由电容构成的并联结构，其灵敏度最大。,2019/11/25,控制科学与工程系,39,谐振电桥的主要问题是对供桥频率很敏感； 传感器在工作中电感必然要发生变化； 故桥路不能始终维持在谐振状态，当桥路失谐时，其灵敏度也急剧下降； 因此谐振电桥中电感传感器的变化不能太大； 故不能宽范围的有效提高桥路的灵敏度。,2019/11/25,控制科学与工程系,40,紧耦合电感 电桥-有效提高桥路灵敏度的方法,2019/11/25,控制科学与
12、工程系,41,桥路电源为恒流源，大小为2I0。,2019/11/25,控制科学与工程系,42,2019/11/25,控制科学与工程系,43,2019/11/25,控制科学与工程系,44,5.3 交流电桥相敏检波 问题：输出为调幅载波信号， 其频率与供桥电源频率相同， 幅值与衔铁位移成正比，但 大小不能反映方向。因此需 要能检出交流信号相位的功能。,2019/11/25,控制科学与工程系,45,5.3.1 信号调制解调电路 (1)调制解调的基本概念与类型,调制：就是用一个信号（称为调制信号）去控制另一个做为载体的信号（称为载波信号），让后者的某一特征参数按前者变化。,2019/11/25,控制科
13、学与工程系,46,解调：在将测量信号调制，并将它和噪声分离，放大等处理后，还要从已经调制的信号中提取反映被测量值的测量信号，这一过程称为解调。,2019/11/25,控制科学与工程系,47,调幅就是用调制信号x去控制高频载波信号的幅值。常用的是线性调幅，即让调幅信号的幅值按调制信号x的线性函数变化。调幅信号的一般表达式可写为：us=(Um+mx)coswct,(2)调幅原理与方法,2019/11/25,控制科学与工程系,48,要求 wcw,2019/11/25,控制科学与工程系,49,传感器调幅：通过激励源实现 乘法器调制电感式传感器交流激励,2019/11/25,控制科学与工程系,50,（3
14、）包络检波从已调信号中检出调制信号的过程称为解调或检波。幅值调制就是让已调信号的幅值随调制信号的值变化，因此调幅信号的包络线形状与调制信号一致。只要能检出调幅信号的包络线即能实现解调。这种方法称为包络检波。,2019/11/25,控制科学与工程系,51,基本工作原理：由图可见，只要从图a所示的调幅信号中，截去它的下半部，即可获得图b所示半波检波后的信号 再经低通滤波，滤除高频信号，即可获得所需调制信号，实现解调。包络检波就是建立在整流的原理基础上的。,2019/11/25,控制科学与工程系,52,检波电路： 二极管与三极管包络检波,a) 二极管检波电路,b) 晶体管检波电路（Us为负时导通）,
15、2019/11/25,控制科学与工程系,53,检波电路的问题： 二极管VD和晶体管V的非线性； 无法从检波器的输出鉴别调制信号的相位； 包络检波电路本身不具有区分不同载波频率的信号的能力。,2019/11/25,控制科学与工程系,54,（4）相敏检波基本概念及工作原理：相敏检波电路是具有鉴别调制信号相位和选频能力的检波电路。从电路结构上看，相敏检波电路的主要特点是，除了所需解调的调幅信号外，还要输入一个参考信号。有了参考信号就可以用它来鉴别输入信号的相位和频率。,2019/11/25,控制科学与工程系,55,相加式相敏检波电路,相加式半波相敏检波电路,为了正确实现解调，必须要求参考信号Uc的幅
16、值远远大于调幅信号的幅值，使开关器件的通断完全由参考信号决定。用它来鉴别输入信号的相位和频率。,相敏检波电路:,2019/11/25,控制科学与工程系,56,差动整流电路：将差动变压器两输出分别接至两整流电路特点：根据二极管单向导通原理进行解调的。,2019/11/25,控制科学与工程系,57,电流总是dc，ab，所以 USC的符号表明了方向。 特点：包含以下三个环节 相位鉴别功能（通过二极管桥路判断电压的符号）； 同频率的参考输入； 输出接低通滤波器。,2019/11/25,控制科学与工程系,58,变压器二极管检波,2019/11/25,控制科学与工程系,59,二极管桥路相位鉴别功能； 同频
17、率的参考输入； 输出接低通滤波器。,2019/11/25,控制科学与工程系,60,位移为零，e=0，电源电压处于正半周,参考电压er+, UAB0D1，D2导通，i1=i2,Ucd=i1R1-i2R2=0 位移为零，e=0，电源电压处于负半周,参考电压er-, UAB0D3，D4导通，i1=i2,Ucd=i1R1-i2R2=0 讨论位移向下或位移向下一种情况即可。,2019/11/25,控制科学与工程系,61,位移向上，e0，电源电压处于正半周,参考电压er+, 设ere 则UAB0，D1，D2导通，i1= (er+0.5e)/R1, i2= (er-0.5e)/R2, Ucd=i1R1-i2
18、R2=e0 位移为上，e0，电源电压处于负半周,参考电压er-,设ere 则UAB0,2019/11/25,控制科学与工程系,62,位移为零，不论电源的正负半周，输出均为零。 位移向上，e0,不论电源的正负半周，输出均大于零。 位移向下，e0,不论电源的正负半周，输出均小于于零。,2019/11/25,控制科学与工程系,63,交流电桥中，输出信号的相位由激励电源和待测信号两种因素的相位所决定，因此相敏检波的主要问题是区分交流电桥输出信号相位变化的原因。(输出信号)= (待测信号) (激励电源)因此，交流电桥检波中必须提供一个区分激励电源相位的功能模块，二极管桥路就起到提供这种功能的作用。,20
19、19/11/25,控制科学与工程系,64,数字相敏检波原理,2019/11/25,控制科学与工程系,65,2019/11/25,控制科学与工程系,66,低通滤波可以使得输出量为直流且与激励电源频率无关。 只有频率为w的基波信号，才能在输出端产生成比例的直流分量。因此通过相敏检波的高次谐波干扰信号都将被抑制。 基波中与参考电压成正交的信号，在输出中不产生直流信号。 当基波信号相位改变180度时，输出直流信号改变符号。,2019/11/25,控制科学与工程系,67,6 交流电桥的调零 6.1零点残余电压的形式 6.2零点残余电压的产生原因 6.3零点残余电压的消除,2019/11/25,控制科学与
20、工程系,68,6.1零点残余电压的形式 6.2零点残余电压的产生原因,桥臂的不对称,2019/11/25,控制科学与工程系,69,2019/11/25,控制科学与工程系,70,从零位输出电压的表达式可以知道： 桥路由于参数不对称而引起的残余电压中，包含有与激励电源同相和正交的两个分量，因此需要两个相位相差90的调整电路，才能实现理论上的调零； 频率不同，参与平衡调节的阻抗不同；则针对基波的零位调节对高次谐波分量的调节无效。正弦激励时非线性产生高次谐波,2019/11/25,控制科学与工程系,71,电感中的等效电阻由两部分组成，一部分是铜损电阻RC（导体一定会有电阻），由导体的形状和电阻率决定；
21、另一部分是以热能量损耗表现出来的铁芯磁路损耗等效电阻RE。铁芯磁路损耗的产生原因是导体的涡流效应，由于导体内部处处是回路，在穿过导体任意回路的磁通量变化过程中，金属块内将产生感应电流，这种电流的流线在金属块内自行闭合，形成涡流。在这些涡流的流通路径上存在铜损电阻，因此电流做功，以发热形式表现出能量损耗。,不存在理想电感，电感总是有电阻的,2019/11/25,控制科学与工程系,72,除对零位输出电压相位的影响外，铁芯磁路损耗的影响主要有以下几个方面： 铁芯及绕组温度升高，恶化了使用条件； 由于涡流的去磁作用，减小了线圈的有效电感； 要求激励源有更大的功率 。,2019/11/25,控制科学与工
22、程系,73,铁芯的磁化曲线的非线性特性实际铁芯的磁化曲线是一非线性特性，其相对磁导率Ur与磁场强度H之间的关系是非线性关系。在弱磁场时， Ur与H关系可用下式描述：因此，当线圈用正弦电流激励，即H=H0coswt，由于Ur的非线性将产生包含基波在内的各次谐波 。,2019/11/25,控制科学与工程系,74,6.3 零点残余电压的消除 （1）在设计和工艺上保证结构的对称性（2）电路补偿 接入电容、电阻 采用相敏检波电路，使得只有基波信号，才能在输出端产生成比例的直流分量，其余高次谐波，都被抑制。,2019/11/25,控制科学与工程系,75,7 温度对电感传感器的影响 磁导率受温度的影响很小，
23、基本可以不考虑；电感铁芯材料的硅钢，其热膨胀系数约为10-6/，对于测量精度等级要求不是很高、量程为mm级以上的应用场合，也可以不考虑 。,2019/11/25,控制科学与工程系,76,应用：电感式滚柱直径分选装置,1气缸 2活塞 3推杆 4被测滚柱 5落料管 6电感测微器 7钨钢测头 8限位挡板 9电磁翻板 10容器（料斗）,2019/11/25,控制科学与工程系,77,电感式滚柱直径分选装置,测微仪,圆柱滚子,2019/11/25,控制科学与工程系,78,应用2：电感式传感器测液位,2019/11/25,控制科学与工程系,79,8 非接触测量-电涡流电感传感器 8.1电涡流效应及电涡流的分
24、布(1)电涡流效应根据法拉第电磁感应原理, 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, 导体内将产生呈涡旋状的感应电流, 此电流叫电涡流, 以上现象称为电涡流效应。,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。,2019/11/25,控制科学与工程系,80,电涡流密度J与半径r的关系曲线,（2）电涡流的分布 电涡流的径向分布：,2019/11/25,控制科学与工程系,81,电涡流的轴向贯穿深度,z,2019/11/25,控制科学与工程系,82,涡流的分布特性可以化为 一个平均半径和厚度均一 定的矩形截面圆环。此圆 环相当于
25、一匝短路环，其 电阻等于R2，电感等于L2，互感为M。,2019/11/25,控制科学与工程系,83,8.2 涡流传感器的工作原理,2019/11/25,控制科学与工程系,84,等效电路：,2019/11/25,控制科学与工程系,85,线圈的等效值为：,2019/11/25,控制科学与工程系,86,讨论：,电涡流效应使得等效电阻增大、等效电感减小，品质因素减小。 电涡流效应必然消耗能量等效电阻 等效电感、等效阻抗、品质因素与M平方有关，是距离x的非线性函数。 电涡流效应与距离的关系： XH2电涡流效应L XH2电涡流效应Q,2019/11/25,控制科学与工程系,87,8.3 分类 反射式：透
26、射式: 实验和理论证明：,穿透深度：,2019/11/25,控制科学与工程系,88,发射线圈1 和接收线圈2分别放在被测材料G的上下 低频(音频范围)电压e1 加到线圈1 的两端后,在周围空间产生一交变磁场,并在被测材料G中产生涡流,此涡流损耗了部分能量,使贯穿2的磁力线减少,从而使2产生的感应电势e2 减小。 e2 的大小与G的厚度及材料性质有关,实验与理论证明,e2 随材料厚度h增加按负指数规律减小。,2019/11/25,控制科学与工程系,89,8.4 灵敏度及线性度,以反射式测距传感器为例，通常将传感器当作电感接入振荡器的振荡槽路,x: 传感器端面到被测物体的距离 a: 与线圈几何尺寸
27、及被测金属材料有关 b:与线圈几何尺寸有关,2019/11/25,控制科学与工程系,90,灵敏度:分析： （1）灵敏度为非线性； （2）灵敏度决定于传感器的 几何尺寸和被测对象材料；穿透深度：是指电磁波在导体中强度衰减95时的深度 系数a、b由实验确定,2019/11/25,控制科学与工程系,91,8.5 传感器及被测物体的几何尺寸对传感器灵敏度的影响,线圈内径对传感器参数影响较小 线圈外径对传感器参数影响较大。匝数一定时，减小外径可提高灵敏度，但敏感范围减小。 被测导体厚度大于2t时，可认为对灵敏度无影响。 对钢材：f=50 Hz, t=12mmf=5 kHz, t=0.10.2mm,201
28、9/11/25,控制科学与工程系,92,被测体对电涡流测量的影响,被测体是传感器的组成部分 被测导体的电导率越高，灵敏度越高 磁性体的灵敏度比非磁性体降低 对L1（线圈电感）：电涡流效应使其减小 被测物为导磁体，导磁体的作用使得L1，磁效应抵消电涡流效应。所以，被测物是磁性体，灵敏度较非磁性体低。 一般采用较高的激励频率。 镀层对测量有影响。 对被测体的大小有要求。,2019/11/25,控制科学与工程系,93,2019/11/25,控制科学与工程系,94,根据电涡流传感器的原理，被测参量可以由传感器转换为传感器的Q值（电感与电阻的比值）、等效阻抗Z和等效电感L三个参数。 若是差动式结构，可采
29、用电桥电路。 但是在测量导体物理性质时常不能采用差动形式，所以电涡流传感器常用以下测量电路：定频调幅电路和调频电路。,8.6 测量线路,2019/11/25,控制科学与工程系,95,(1)调幅式测量电路,输出电压的频率f始终恒定，称为定频调幅式,2019/11/25,控制科学与工程系,96,2019/11/25,控制科学与工程系,97,说明：,当w=w0时，输出最大 对非导磁体，涡流增大使得L1减小、R1增大、w0增高 输出电压减小 谐振频率、谐振曲线向高频方向移动 输出U与涡流参数之间呈单调非线性关系,2019/11/25,控制科学与工程系,98,频率始终等于谐振频率，幅值始终为谐振曲线峰值
30、,(2)调频测量电路-调频鉴幅式,2019/11/25,控制科学与工程系,99,鉴频器将调频信号转换为电压输出。,(3)调频测量电路-直接频率输出,2019/11/25,控制科学与工程系,100,8.7电涡流传感器的应用 -测量冷轧板厚度,2019/11/25,控制科学与工程系,101,-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,零件尺寸识别,2019/11/25,控制科学与工程系,102,-振动测量,汽轮机叶片测试,测量悬臂梁的振幅及频率,2019/11/25,控制科学与工程系,103,-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,2019/11/25,控制科学与工程系,104,-电涡流表面探伤,手持式裂纹测量仪,油管探伤,2019/11/25,控制科学与工程系,105,-大直径电涡流探雷器,2019/11/25,控制科学与工程系,106,-机械结构的几何参数检测 例如可以测出用手动螺纹量规可测的所有几何参数(如螺纹的大径、小径和中径等)，还可以检测螺纹表面粗糙度和螺纹深度。,
