1、第4章 电感式传感器,概述,第4章 电感式传感器,各种电感式传感器,电感式传感器示例,概述,第4章 电感式传感器,电感式传感器示例,概述,第4章 电感式传感器,电感式传感器是一种机电转换装置，特别是在自动控制设备中广泛应用。,电感式传感器利用电磁感应定律将被测非电量转换为电感或互感的变化。,概述,第4章 电感式传感器,感测量：位移、振动、压力、应变、流量、比重等。,电感式传感器,自感式传感器,互感式传感器,电涡流式传感器,种类： 根据转换原理，分自感式和互感式两种； 根据结构型式，分气隙型和螺管型。,概述,第4章 电感式传感器,优点：,不足：存在交流零位信号，不宜于高频动态测量。,重复性好，线
2、性度优良 在几十m到数百mm的位移范围内，输出特性的线性度较好，且比较稳定。,结构简单、可靠，测量力小衔铁为(0.5200)10-4N时，磁吸力为(110)10-4N。,分辨力高 机械位移：0.1m，甚至更小；角位移：0.1角秒。 输出信号强，电压灵敏度可达数百mV/mm 。,电感式传感器,4.1 自感式传感器4.2 差动式变压器4.3 电涡流式传感器应用实例,第4章 电感式传感器,4.1 自感式传感器,气隙型电感传感器螺管型电感传感器电感线圈的等效电路测量电路,第4章 电感式传感器,4.1 自感式传感器,第4章 电感式传感器,实验：,气隙变小，电感变大，电流变小,气隙型电感传感器,4.1 自
3、感式传感器,线圈电感：,N - 线圈匝数,Rm- 磁路总磁阻,气隙型电感传感器,4.1 自感式传感器,线圈,铁芯,衔铁,气隙型电感传感器,Rm- 磁路总磁阻：,气隙型电感传感器,4.1 自感式传感器,Rm- 磁路总磁阻：,气隙型电感传感器,4.1 自感式传感器,线圈,铁芯,衔铁,气隙型电感传感器,线圈电感：,N - 线圈匝数,气隙型电感传感器,4.1 自感式传感器,线圈,铁芯,衔铁,线圈电感：,N - 线圈匝数,如果S保持不变，则L为l的单值函数，构成变气隙式自感传感器.,若保持l不变，使S随被测量（如位移）变化，则构成变截面式自感传感器，,气隙型电感传感器,4.1 自感式传感器,L= f (
4、S),L= f (l),电感传感器特性,气隙型电感传感器,4.1 自感式传感器,特性分析（对于变气隙式求灵敏度和线性度的表达式）,自感系数：,令：1 = 2；S1 = S2 = S。设磁路总长为 ，气隙长度为 ，,由上式可见，当气隙长度 减少 时会导致自感系数L增加L1；而当气隙长度 增大同样的 时会导致自感系数L减小L2：,于是磁路总磁阻为：,r 为导磁体相对磁导率,气隙型电感传感器,4.1 自感式传感器,特性分析（对于变气隙式求灵敏度和线性度的表达式）,当气隙l发生变化时，自感的变化与气隙变化均呈非线性关系，其非线性程度随气隙相对变化l/l的增大而增加；,气隙减少l所引起的自感变化L1与气
5、隙增加同样l所引起的自感变化L2并不相等，即L1L2，其差值随l/l的增加而增大。,气隙型电感传感器,4.1 自感式传感器,特性分析（对于变气隙式求灵敏度和线性度的表达式）,传感器灵敏度：,线性度：,由于转换原理的非线性，以及正反方向移动时电感变化量的不对称性，因此，为了保证精度，变间隙式传感器只能工作在一个很小的区域，因而只能用于微小位移的测量。,差动式气隙型电感传感器,4.1 自感式传感器,在实际使用中，常采用两个相同的传感线圈共用一个衔铁，构成差动式自感传感器，两个线圈的电气参数和几何尺寸要求完全相同。这种结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对温度变化、电源频率变化等的影响也可以进行补偿
6、，从而减少了外界影响造成的误差。,差动式电感传感器,4.1 自感式传感器,下图是变气隙型、螺管型的差动式自感传感器的结构示意图。当衔铁3移动时，一个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减少，形成差动形式。,图4-4 差动式自感传感器 1-线圈 2-铁芯 3-衔铁 4-导杆,（a） 变气隙型,（b） 螺管型,气隙型电感传感器,4.1 自感式传感器,特性分析（对于变气隙式求灵敏度和线性度的表达式）,气隙型电感传感器,4.1 自感式传感器,特性分析（对于变气隙式求灵敏度和线性度的表达式）,气隙型电感传感器,4.1 自感式传感器,特性分析（对于变气隙式求灵敏度和线性度的表达式）,忽略高次方（高阶无小）
7、项：,传感器的灵敏度为：,传感器的线性度为：,与气隙长度呈反比，希望它小,与气隙长度呈反比，希望它大。,与气隙相对变化率呈正比,差动式气隙型电感传感器,4.1 自感式传感器,传感器的灵敏度为： 传感器的线性度为：,差动式气隙型电感传感器,4.1 自感式传感器,1. 差动式自感传感器的灵敏度比单线圈传感器提高一倍.,差动式气隙型电感传感器,4.1 自感式传感器,灵敏度：,灵敏度：,线性度：,单线圈气隙型电感传感器：,差动式气隙型电感传感器：,线性度：,2.差动式自感传感器非线性失真小.,当l/l=10时 (略去llr), 单线圈10；而差动式的1。,差动式气隙型电感传感器,4.1 自感式传感器,
8、一般差动变隙式自感传感器l/l0.10.2时，可使传感器非线性误差在3左右。其工作行程很小,若取l2mm,则行程为(0.20.5)mm；,差动式气隙型电感传感器,4.1 自感式传感器,差动式与单线圈相比优点：, 线性度好； 灵敏度提高一倍，即衔铁位移相同时，输出信号大一倍； 温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度的影响，由于能互相抵消而减小； 电磁吸力对测力变化的影响也由于能相互抵消而减小。,螺管型电感传感器,4.1 自感式传感器,有单线圈和差动式两种结构形式。,单线圈螺管型传感器结构图,单线圈螺管型传感器的主要元件为一只螺管线圈和一根圆柱形铁芯。传感器工作时，因铁芯在线圈中伸入长度的变化
9、，引起螺管线圈自感值的变化。当用恒流源激励时，则线圈的输出电压与铁芯的位移量有关。,螺管型电感传感器,4.1 自感式传感器,螺管型电感传感器,4.1 自感式传感器,磁力线路经每单位长度的磁势称为磁场强度：,螺线管中的磁场强度：,按上式绘磁场强度分布图如右：,可以近似认为： 处，磁场强度最大。,螺管型电感传感器,4.1 自感式传感器,式中：S是线圈所围截面积； 是线圈长度； 是空气的导磁率。 N为匝数。,r,x,螺旋管,铁芯,l,线圈中没有铁芯时，线圈电感量为：,上式为线圈可能的最小电感量。,螺管型电感传感器,4.1 自感式传感器,当螺管中引进铁芯且铁芯的插入长度与线圈长度相同 时:,上式说明螺
10、管型电感传感器的电感量L的大小与铁芯的插入长度 有关。,式中： 是线圈的半径； 是铁芯的半径； 是铁芯的相对导磁率。上式为线圈可能的最大电感量。,当铁芯的插入长度 小于线圈长度 时:,螺管型电感传感器,4.1 自感式传感器,如果被测的量与 成正比，由上式可见也一定与L成正比。但是，由于螺管中的磁场强度分布是不均匀的，所以L随 的变化实际上是非线性的。,当铁芯的插入长度 有增量 时，电感传感器的电感量L也有增量:,螺管型电感传感器,4.1 自感式传感器,为了提高灵敏度与线性度可采用如下差动螺管式电感传感器结构：,式中： 是线圈的半径； 是铁芯的半径；是铁芯的相对导磁率。,螺管型电感传感器,4.1
11、 自感式传感器,差动螺管式电感传感器：,式中： 是线圈的半径； 是铁芯的半径；是铁芯的相对导磁率。,可见：灵敏度比单个螺管式传感器高1倍。要提高灵敏度，就要使l/lc和r/rc趋于1.且选 尽可能大的铁芯。,螺管型电感传感器,4.1 自感式传感器,结构简单，制造装配容易； 由于空气间隙大，磁路的磁阻高，因此灵敏度低，但线性范围大； 由于磁路大部分为空气，易受外部磁场干扰； 由于磁阻高，为了达到某一自感量，需要的线圈匝数多，因而线圈分布电容大； 要求线圈框架尺寸和形状必须稳定，否则影响其线性和稳定性。,综上所述，螺管式自感传感器的特点：,电感线圈的等效电路,4.1 自感式传感器,实际传感器中，线
12、圈不可能是纯电感，它包括线圈的铜损电阻RC ；铁芯的涡流损耗电阻Re ；由于线圈和测量设备电缆的接入，存在线圈固有电容和电缆的分布电容，用参数C表示。,电感线圈的等效电路,4.1 自感式传感器,线圈的铜损电阻RC,电感线圈的等效电路,4.1 自感式传感器,线圈的涡流损耗电阻Re(铁损),设涡流穿透深度小于薄片厚度的一半，,电感线圈的等效电路,4.1 自感式传感器,并联寄生电容C主要由固有电容和电缆的分布电容组成。,Z,设 为总等效损耗电阻，在不考虑C时，电感的串联等效阻抗为：,考虑C时，等效阻抗Zp为：,电感线圈的等效电路,4.1 自感式传感器,Z,记：,则：,由于并联电容C的存在，使等效串联
13、损耗电阻和等效电感都增大了，等效QP较前减小：,电感线圈的等效电路,4.1 自感式传感器,Z,等效QP：,测量电路-交流电桥,4.1 自感式传感器,交流电桥,差动的两个传感器线圈接成电桥的两个工作臂（Z1、Z2为两个差动传感器线圈的复阻抗），另两个桥臂用平衡电阻R1、R2代替。,设初始时 Z1= Z2= Z = RS+jL；R1 = R2 = R ； L1= L2= L0 。 工作时，Z变化Z,测量电路-交流电桥,4.1 自感式传感器,交流电桥,输出幅值：,输出阻抗：,测量电路-交流电桥,4.1 自感式传感器,交流电桥,测量电路-交流电桥,4.1 自感式传感器,交流电桥,对差动变气隙式自感传感
14、器：,可见，电桥输出电压与l有关，相位与衔铁移动方向有关。由于是交流信号，还要经过适当电路（如相敏检波电路）处理才能判别衔铁位移的大小及方向。,测量电路-变压器电桥,4.1 自感式传感器,变压器交流电桥,Z1,Z2,I,A,B,C,D,电桥两臂Z1、Z2为传感器线圈阻抗,初始位置,测量电路-变压器电桥,4.1 自感式传感器,变压器交流电桥,Z1,Z2,I,A,B,C,D,衔铁下移,衔铁上移,输出阻抗：,测量电路-变压器电桥,4.1 自感式传感器,变压器交流电桥,Z1,Z2,I,A,B,C,D,若线圈的Q值很高，损耗电阻可忽略，则,由上式可知，当衔铁向上、向下移动相同的距离时，产生的输出电压大小
15、相等，但极性相反。由于是交流信号，要判断衔铁位移的大小及方向同样需要经过相敏检波电路的处理。,测量电路-变压器电桥,4.1 自感式传感器,变压器电桥与电阻平衡臂电桥相比，具有元件少，输出阻抗小，桥路开路时电路呈线性的优点，但因为变压器副边不接地，易引起来自原边的静电感应电压，使高增益放大器不能工作。,互感式传感器-差动变压器,4.2 差动式变压器,一、结构原理与等效电路 二、变换特征 三、误差因素分析 四、测量电路差动整流电路相敏检波电路 五、应用,互感式传感器-差动变压器,4.2 差动式变压器,把被测的非电量变化转换成为线圈互感量的变化的传感器称为互感式传感器。,这种传感器根据变压器的基本原
16、理制成，并将次级线圈绕组用差动形式连接。,互感式传感器-差动变压器,4.2 差动式变压器,分气隙型和螺管型两种。目前多采用螺管型差动变压器。它可测量1100mm范围内的机械位移。,1 初级线圈;2.3次级线圈;4衔铁,螺管型差动变压器根据初、次级排列不同有二节式、三节式、四节式和五节式等形式。,差动变压器线圈各种排列形式 1 初级线圈；2 次级线圈；3 衔铁,(a) 二节式 (b) 三节式 (c) 四节式 (d) 五节式,三节式的零点电位较小，二节式比三节式灵敏度高、线性范围大，四节式和五节式改善了传感器线性度。,差动变压器结构形式,差动变压器的等效电路,差动变压器工作在理想情况下（忽略涡流损
17、耗、磁滞损耗和分布电容等影响）时的等效电路：,互感式传感器-差动变压器,4.2 差动式变压器,初级线圈的复数电流值为：,激励电压的角频率；e1激励电压的复数值；,L1，R1初级线圈电感和电阻；,互感式传感器-差动变压器,4.2 差动式变压器,在次级线圈中感应出电压e21和e22，其值分别为：,M1，M2分别为初级与次级线圈1,2间的互感；,Rm1及Rm2分别为磁通通过初级线圈及两个次级线圈的磁阻，N1 和N2为初、次级线圈匝数,互感式传感器-差动变压器,4.2 差动式变压器,因此空载输出电压：,其幅值：,输出阻抗：,或：,互感式传感器-差动变压器,4.2 差动式变压器, 铁芯处于中间位置时，M
18、1 = M2 = M，|e2|= 0,互感式传感器-差动变压器,4.2 差动式变压器, 铁芯上升时，M1= M +M，M2= M -M,与e21同极性,互感式传感器-差动变压器,4.2 差动式变压器,铁芯下降时，M1= M -M，M2= M +M,与e22同极性,互感式传感器-差动变压器,4.2 差动式变压器,差动变压器输出电势e2与衔铁位移x的关系。其中x表示衔铁偏离中心位置的距离。,差动变压器输出特性,二、变换特征,4.2 差动式变压器,三节螺管式差动变压器结构,二、变换特征,4.2 差动式变压器,由上图得差动变压器的特性公式：,二、变换特征,4.2 差动式变压器,铁芯位移x与输出电压e2
19、之间是非线性关系。非线性误差: 。K1是传感器的灵敏度系数，受匝数比，激励电源的频率、电压等因素影响。,二、变换特征,4.2 差动式变压器,1.,二、变换特征,4.2 差动式变压器,2. 增加初级线圈激励电压e1,灵敏度也会增加。,但e1如果太大，则会引起变压器发热，使输出信号发生漂移。,二、变换特征,4.2 差动式变压器,3. 低频时，,B为一常数，f为激励源的频率。,此时，灵敏度随频率增高而增加。当频率高过某个值时， K1为常数，因此，其在高频时灵敏度与频率无关。,三、误差因素分析,4.2 差动式变压器,激励电源电压幅值的波动，会使线圈激励磁场的磁通发生变化，直接影响输出电势。而频率的波动
20、，只要适当地选择频率，满足 时，其影响不大。,1、激励电压幅值与频率的影响,三、误差因素分析,4.2 差动式变压器,2、温度变化的影响,周围环境温度的变化，引起线圈及导磁体磁导率的变化，从而使线圈磁场发生变化产生温度漂移。当线圈品质因数较低时，影响更为严重，因此，采用恒流源激励比恒压源激励有利。适当提高线圈品质因子并采用差动电桥可以减少温度的影响。,三、误差因素分析,4.2 差动式变压器,3、零点残余电压,当差动变压器的衔铁处于中间位置时，理想条件下其输出电压为零。但实际上，当使用桥式电路时，在零点仍有一个微小的电压值(从零点几mV到数十mV)存在，称为零点残余电压。,1 基波正交分量,(a)
21、残余电压的波形,(b)波形分析,e1,e20,图中e1为差动变压器初级的激励电压，e20包含基波同相成分、基波正交成分，二次及三次谐波和幅值较小的电磁干扰等。,2 基波同相分量,3 二次谐波,4 三次谐波,5 电磁干扰,三、误差因素分析,4.2 差动式变压器,零点残余电压产生原因,基波分量由于差动变压器两个次级绕组不可能完全一致，因此它的等效电路参数（互感M、自感L及损耗电阻R）不可能相同，从而使两个次级绕组的感应电动势数值不等。又因初级线圈中铜损电阻及导磁材料的铁损和材质的不均匀，线圈匝间电容的存在等因素，使激励电流与所产生的磁通相位不同。,三、误差因素分析,4.2 差动式变压器,零点残余电
22、压产生原因,高次谐波高次谐波分量主要由导磁材料磁化曲线的非线性引起。由于磁滞损耗和铁磁饱和的影响，使得激励电流与磁通波形不一致产生了非正弦(主要是三次谐波)磁通，从而在次级绕组感应出非正弦电势。另外，激励电流波形失真，因其内含高次谐波分量，这样也将导致零点残余电压中有高次谐波成分。,1从设计和工艺上保证结构对称性为保证线圈和磁路的对称性，首先，要求提高加工精度，线圈选配成对，采用磁路可调节结构。其次，应选高磁导率、低矫顽力、低剩磁感应的导磁材料。并应经过热处理，消除残余应力，以提高磁性能的均匀性和稳定性。由高次谐波产生的因素可知，磁路工作点应选在磁化曲线的线性段。,消除零点残余电压方法：,采用
23、相敏检波电路不仅可鉴别衔铁移动方向，而且把衔铁在中间位置时，因高次谐波引起的零点残余电压消除掉。如图，采用相敏检波后衔铁反行程时的特性曲线由1变到2，从而消除了零点残余电压。,相敏检波后的输出特性,2选用合适的测量线路,3采用补偿线路,在差动变压器次级绕组侧串、并联适当数值的电阻、电容元件，当调整这些元件时，可使零点残存电压减小。,在次级绕组侧并联电容。由于两个次级线圈感应电压相位不同，并联电容可改变绕组的相位，并联电阻R是为了利用R的分流作用，使流入传感器线圈的电流发生变化，从而改变磁化曲线的工作点，减小高次谐波所产生的残余电压。,串联电阻R可以调整次级线圈的电阻分量。,在次级绕组侧并联电位
24、器W用于电气调零，改变两个次级线圈输出电压的相位。电容C可防止调整电位器时使零点移动。,接入补偿线圈L以避免负载不是纯电阻而引起较大的零点残存电压。,四.测量电路,4.2 差动式变压器,差动变压器的输出电压为交流，它与衔铁位移成正比。用交流电压表测量其输出值只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的方向，因此常采用差动整流电路和相敏检波电路进行测量。,四.测量电路,4.2 差动式变压器,（一）差动整流电路,在e点为“”，f点为“”，则电流路径是eacdbf.,在e点为“-”，f点为“+”，则电流路径是fbcdae.,可见，无论次级线圈的输出瞬时电压极性如何，通过电阻R的电流总是从c到d。,（一）差
25、动整流电路,4.2 差动式变压器,无论次级线圈的输出瞬时电压极性如何，整流电路的输出电压e2始终等于R1、R2两个电阻上的电压差。,全波差动整流电路电压波形,结论： 铁芯在零位以上或零位以下时，输出电压的极性相反，零点残存电压自动抵消。,容易做到输出平衡，便于阻抗匹配。图中比较电压和同频，经过移相器使和保持同相或反相，且满足 。,2 二级管相敏检波电路,当衔铁在中间位置时，位移x（t）= 0，传感器输出电压=0,只有起作用。,正半周时,因为是从中心抽头，所以u1= u ，故i= i。流经RL的电流为 i= i i =,i4,i3,负半周时,同理可知 i= i，所以流经RL的电流为i= i i
26、=,i1,RL,i2,i4,当衔铁在零位以上时，位移x（t） 0，与同频同相。,正半周时,i3,故i i，流经RL的电流为 i= i i ,负半周时,故i i，流经RL的电流为 i= i i ,i2,i1,e1,-,+,+,e2,-,正半周负半周,故i i。流经RL的电流为 i= i i ,当衔铁在零位以下时，位移x（t） 0，与同频反相。,e1,e2,+,-,+,-,i4,i3,同理:在负半周正半周时：,i i。流经RL的电流为 i= i i 表示i0的方向也与规定的正方向相反。,i2,i1,结论： 衔铁在中间位置时，无论参考电压是正半周还是负半周，在负载RL上的输出电压始终为0。 衔铁在零
27、位以上移动时，无论参考电压是正半周还是负半周，在负载RL上得到的输出电压始终为正。 衔铁在零位以下移动时，无论参考电压是正半周还是负半周，在负载RL上得到的输出电压始终为负。 由此可见，该电路能判别铁芯移动的方向。,二级管相敏检波在U1、U2同相位时的波形,相敏检波前后的输出特性曲线,经过相敏检波电路后，正位移输出正电压， 负位移输出负电压。差动变压器的输出经过相敏检波以后，特性曲线由图（a）变成（b），残存电压自动消失。,测量振动、厚度、应变、压力、加速度等各种物理量。 加速度传感器用于测定振动物体的频率和振幅时，其激磁频率必须是振动频率的十倍以上才能得到精确的测量结果。可测量的振幅为(0.
28、15)mm，振动频率为(0150)Hz。,稳压电源,振荡器,检波器,滤波器,(b),(a),220V,加速度a方向,a,输出,差动变压器,弹性支承,弹性支承,五.应用,4.2 差动式变压器,五.应用,4.2 差动式变压器,五.应用,4.2 差动式变压器,微压力变送器将差动变压器和弹性敏感元件（膜片、膜盒和弹簧管等）相结合，可以组成各种形式的压力传感器。,这种变送器可分档测量(51056105)N/m2压力，输出信号电压为(050)mV，精度为1.5级。,五.应用,4.2 差动式变压器,液位测量沉筒式液位计将水位变化转换成位移变化，再转换为电感的变化，差动变压器的输出反映液位高低。,4.3 电涡
29、流式传感器,结构和工作原理测量电路应用,第4章 电感式传感器,结构和基本原理,4.3 电涡流式传感器,根据电磁感应定律，交变磁通在包围它的任何闭合导电回路中都将产生感应电流。当导体置于交变磁场或在磁场中运动时，导体上引起感生电流ie，此电流在导体内闭合，称为涡流。,结构和基本原理,4.3 电涡流式传感器,演示实验,结构和基本原理,4.3 电涡流式传感器,涡流的大小与导体电阻率、磁导率以及产生交变磁场的线圈与被测体之间距离x （磁通量），线圈激励电流的频率f有关。,若固定某些参数，就可根据涡流的变化测量另一个参数。,结构和基本原理,4.3 电涡流式传感器,电涡流式传感器最大的特点是可以对一些参数
30、进行非接触的连续测量。另外，电涡流式传感器动态响应好，灵敏度高，应用范围比较广。,结构和基本原理,4.3 电涡流式传感器,电涡流传感器的等效电路,把被测导体上形成的电涡流等效成一个短路环中的电流，短路环可以认为是一匝短路线圈，其电阻为R2、电感为L2。这样线圈与被测导体便可等效为两个相互耦合的线圈。线圈与导体间存在一个互感M，它随线圈与导体间距x的减小而增大。,电涡流传感器等效电路,结构和基本原理,4.3 电涡流式传感器,根据克希霍夫定律，可列出下面的方程：,传感器线圈的等效阻抗为：,线圈的电感为：,当被测导体的某些参数发生变化时，可引起涡流式传感器线圈的阻抗Z、电感L和品质因数Q变化，测量Z
31、、L或Q就可求出被测量参数的变化。,线圈等效Q值：,Q0 -无涡流影响下线圈的Q值，,Z2 -金属导体中电涡流部分阻抗，,电涡流传感器的种类,电涡流在金属导体内的渗透深度为:,说明电涡流在金属导体内的渗透深度与传感器线圈的激励信号频率有关。故电涡流式传感器可分为高频反射式和低频透射式两类。目前高频反射式电涡流传感器应用较广泛。,导体电阻率、磁导率 线圈激励电流的频率f,结构和基本原理,4.3 电涡流式传感器,结构和基本原理,4.3 电涡流式传感器,因为金属存在趋肤效应，电涡流只存在于金属导体的表面薄层内,存在一个涡流区.,当线圈与被测体距离改变时，电涡流密度发生变化强度也要变化。,结构和基本原
32、理,4.3 电涡流式传感器,金属导体表面的电涡流强 度I2 与距离X是非线性关系，随 x/r上升而下降。,结构和基本原理,4.3 电涡流式传感器,高频(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ZL的变化。线圈自感L或阻抗ZL的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它参数不变，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。,结构和基本原理,4.3 电涡流式传感器,高频反射式电涡流
33、传感器,由安置在框架上的扁平圆形线圈构成。此线圈可粘贴于框架上，或在框架上开一槽，将导线绕在槽内。下图为CZF1型涡流传感器的结构原理，它是将导线绕在聚四氟乙烯框架窄槽内。,1 线圈 2 框架 3 衬套 4 支架 5 电缆 6 插头,结构和基本原理,4.3 电涡流式传感器,高频反射式电涡流传感器,电涡流传感器原理图,高频激励信号使线圈产生一个高频交变磁场i，当被测导体靠近时，在磁场作用范围的导体表层产生电涡流ie，而电涡流又将产生一交变磁场e阻碍外磁场的变化。在被测导体内存在着电涡流损耗（当频率较高时，忽略磁损耗）。能量损耗使传感器的Q值和等效阻抗Z降低，因此当被测体与传感器间的距离d改变时，
34、传感器的Q值和等效阻抗Z、电感L均发生变化，于是把位移量转换成电量。这便是电涡流传感器的基本原理。,低频透射式电涡流传感器,发射线圈L1和接收线圈L2分置于被测金属板的上下方。,低频透射式电涡流传感器,由于低频磁场集肤效应小，渗透深，当低频(音频范围)电压u1加到线圈L1的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板,使线圈L2产生感应电动势u2。,导体电阻率、磁导率 线圈激励电流的频率f,由于涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势u2减少，当金属板越厚时，损耗的能量越大，输出电动势u2越小。,低频透射式电涡流传感器,因此，u2的大小与金属板的厚度及材料的性质有关.试验表明u2随材料厚度h的增加按负指数
35、规律减少,因此，若金属板材料的性质一定，则利用u2的变化即可测厚度。,被测金属板的厚度； h贯穿深度。,低频透射式电涡流传感器,被测金属板的厚度； h贯穿深度。,测量厚度时，激励频率应选得较低。频率太高，贯穿深度小于被测厚度，不利于进行厚度测量，通常选激励频率为1kHz左右。,和h大小尽可能接近,低频透射式电涡流传感器,被测金属板的厚度； h贯穿深度。,测薄金属板时，频率一般应略高些，测厚金属板时，频率应低些。在测量电阻率较小的材料时，应选较低的频率（如500Hz），测量较大的材料时，应选用较高的频率（如2kHz），从而保证在测量不同材料时能得到较好的线性和灵敏度。,电涡流传感器转换电路的作用
36、就是将Z、L或Q转换为电压或电流的变化。阻抗Z的转换电路一般用电桥，电感L的转换电路一般用谐振电路，又可以分为调幅法和调频法两种。,测量电路,4.3 电涡流式传感器,1. 交流电桥,将传感器线圈的阻抗变化转化为电压或电流的变化。图中L1 、L2是两个差动传感器线圈，它们与电容C1 、C2的并联阻抗Z1 、Z2作为电桥的两个桥臂.,测量电路,4.3 电涡流式传感器,2. 调幅式电路,调幅式测量电路原理框图,涡流传感器线圈与电容并联组成LC并联谐振回路，由恒流源石英晶体振荡器供电。没有被测物体时，并联谐振回路的谐振频率等于激励振荡器的频率f0，此时LC并联回路呈现阻抗最大。,谐振回路上输出电压U0
37、为：U0 = I0Z,测量电路,4.3 电涡流式传感器,3. 调频式电路,测量电路,4.3 电涡流式传感器,L为电涡流线圈,应用,4.3 电涡流式传感器,电涡流传感器的应用,电涡流传感器目前主要应用于测位移、振动、转速、测厚度、电涡流探伤。特点：做非接触式测量。应用 （1）测厚 ：低频透射式涡流厚度传感器高频反射式涡流厚度传感器 （2）测转速 （3）测振动 （4）电涡流探伤,应用,4.3 电涡流式传感器,电涡流传感器,应用,4.3 电涡流式传感器,低频透射式涡流厚度传感器,应用,4.3 电涡流式传感器,高频反射式涡流厚度传感器,应用,4.3 电涡流式传感器,涡流转速测量,涡流振动测量,应用,4
38、.3 电涡流式传感器,应用,第4章 电感式传感器,加速度传感器 1 悬臂梁；2 差动变压器；3 衔铁,应用,第4章 电感式传感器,位移测量,振幅测量,转速测量,应用,第4章 电感式传感器,应用,第4章 电感式传感器,电感测微仪,应用,第4章 电感式传感器,变气隙式电感测微仪,应用,第4章 电感式传感器,电感压力传感器, 变气隙式结构,应用,第4章 电感式传感器,微压传感器 1 接头；2 膜盒；3 底座；4 线路板； 5 差动变压器；6 衔铁；7 罩壳,应用,第4章 电感式传感器,变气隙式差动压力传感器,应用,第4章 电感式传感器,电感式油压传感器 液压传动的各种机械装置,应用,第4章 电感式传
39、感器,电感式接近传感器,应用,第4章 电感式传感器,生产中测量产品的长度,每个脉冲对应的长度：,被测物总长度：,应用,第4章 电感式传感器,生产线工件的计数,机械手的限位,应用,第4章 电感式传感器,应用,第4章 电感式传感器,应用,第4章 电感式传感器,中原量仪股份有限公司,无锡市通达滚子有限公司,应用,第4章 电感式传感器,该圆度计采用旁向式电感测微头,圆度计,应用,第4章 电感式传感器,应用,第4章 电感式传感器,粗糙度仪外形,金刚石测头,本章要点：,变磁阻式传感器（自感式）工作原理、测量电路（转换电路）；差动变压器式传感器（互感式）工作原理、 等效电路及测量电路； 零点残余电压的影响和补偿；电涡流传感器的工作原理及应用.,本章要点：,差动变压器做位移测量可得到比例于机械位移的交流电压；关于磁场、磁通、磁性体；差动变压器的应用例差压传感器、位移传感器、 流量传感器；电涡流传感器:,
