電感式傳感器-6

1、第6章 電感式傳感器6.1 電感式傳感器6.1.1 電感傳感器的工作原理和等效電路6.1.2 電感式傳感器的結構類型及特性6.1.3 電感傳感器的測量電路6.2 差動變壓器式電感傳感器6.2.1 工作原理6.2.2 差動變壓器式傳感器的特性6.3 電渦流式傳感器6.3.1 電渦流式傳感器的工作原理及特性6.3.2 電渦流式傳感器結構型式及特點6.3.3 影響渦流傳感器靈

2、敏度的因素6.3.4 測量電路6.4 電感式傳感器的應用6.4.1 電感傳感器的應用6.4.2 電渦流傳感器的應用,電感式傳感器是利用電磁感應原理，將被測的物理量如位移、壓力、流量、振動等轉換成線圈的自感系數(shù)L或互感系數(shù)M的變化，再由測量電路轉換為電壓或電流的變化量輸出，實現(xiàn)由非電量到電量轉換的裝置。將非電量轉換成自感系數(shù)變化的傳感器通常稱為自感式傳感器（又稱電感式傳感器），而將非電量轉換成互感系數(shù)變化的傳感器

3、通常稱為互感式傳感器（又稱差動變壓器式傳感器）。電感式傳感器種類很多，本章主要介紹自感式、互感式和渦流式三種傳感器。,在電路中，當電流流過導體時，會產(chǎn)生電磁場，電磁場的大小除以電流的大小就是電感， 電感的定義是L=phi/i, 單位是韋伯 電感是衡量線圈產(chǎn)生電磁感應能力的物理量。給一個線圈通入電流，線圈周圍就會產(chǎn)生磁場，線圈就有磁通量通過。通入線圈的電源越大，磁場就越強，通過線圈的磁通量就越大。實驗證明，通過線圈的磁通量和通入的

4、電流是成正比的，它們的比值叫做自感系數(shù)，也叫做電感。如果通過線圈的磁通量用φ表示，電流用I表示，電感用L表示，那么 L＝ φ／I 電感的單位是亨（H），也常用毫亨（mH）或微亨（uH）做單位。1H=1000mH，1H=1000000uH。 電感只能對非穩(wěn)恒電流起作用，它的特點兩端電壓正比于通過他的電流的瞬時變化率（導數(shù)），比例系數(shù)就是它的“自感”,電感起作用的原因是它在通過非穩(wěn)恒電流時產(chǎn)生變化的磁場，而這個磁場又會反過來影響電流

5、，所以，這么說來，任何一個導體，只要它通過非穩(wěn)恒電流，就會產(chǎn)生變化的磁場，就會反過來影響電流，所以任何導體都會有自感現(xiàn)象產(chǎn)生 在主板上可以看到很多銅線纏繞的線圈，這個線圈就叫電感，電感主要分為磁心電感和空心電感兩種，磁心電感電感量大常用在濾波電路，空心電感電感量較小，常用于高頻電路。 電感的特性與電容的特性正好相反，它具有阻止交流電通過而讓直流電順利通過的特性。電感的特性是通直流、阻交流，頻率越高，線圈阻抗越大。電感器在電路中經(jīng)

6、常和電容一起工作，構成LC濾波器、LC振蕩器等。另外，人們還利用電感的特性，制造了阻流圈、變壓器、繼電器等.,6.1 電感式傳感器,6.1.1 電感傳感器的工作原理和等效電路1．工作原理圖6.l為一簡單的電感傳感器。它有銜鐵、鐵芯和匝數(shù)為W的線圈三部分構成。傳感器測量物理量時銜鐵的運動部分產(chǎn)生位移，導致線圈的電感值發(fā)生變化，根據(jù)定義，線圈的電感為式中 RM——磁阻，它包括鐵芯磁阻和空氣隙的磁阻，即 :鐵磁材料各段

7、的磁阻之和，當鐵芯一定時，其值為一定；li ——各段鐵芯長度； mi ——各段鐵芯的磁導率； Si ——各段鐵芯的截面積； Rd ——空氣隙的磁阻，Rd = 2d/m0S。S為空氣隙截面積，d為空氣隙長度，m0為空氣的磁導率。,,,,,,即可得電感為因為鐵磁材料其磁阻與空氣隙磁阻相比較小，計算時可忽略不計，這時有由上式可知，當線圈及鐵芯一定時，W為常數(shù)，如果改變d 或S時，L值就會引起相

8、應的變化。電感傳感器就是利用這一原理做成的。最常用的是變氣隙長度d 的電感傳感器。由于改變d 和S都是使氣隙磁阻變化，從而使電感發(fā)生變化，所以這種傳感器也叫變磁阻式傳感器。,,,2、等效電路 電感傳感器是一個帶鐵芯的可變電感，由于線圈的銅耗、鐵芯的渦流損耗、磁滯損耗以及分布電容的影響，它并非呈現(xiàn)純電感。等效電路如圖所示，其中L為電感，Rc為銅損電阻，Re電渦流損耗電阻，磁滯損耗電阻Rh，C為傳感器等效電路的等效電容。等效電容C

9、主要是由線圈繞組的固有電容和電纜分布電容引起。電纜長度的變化，將引起C的變化。當電感傳感器確定后，這些參數(shù)即為已知量。,,忽略分布電容且不考慮各種損耗時，電感傳感器阻抗為當考慮并聯(lián)分布電容時，阻抗為Zs,,,,Q——品質因數(shù)，Q=wL/R。當電感傳感器 Q值高時，即1/Q2《1，則上式可變?yōu)?考慮分布電容時，電感傳感器的有效串聯(lián)電阻和有效電感都增加了，而線圈的有效品質因數(shù)卻減小,,電感傳感器有效靈敏度為

10、 考慮分布電容后，電感傳感器的靈敏度增加了。因此，必須根據(jù)測試時所用電纜長度對傳感器進行標定，或者相應調整并聯(lián)電容。,,6.1.2 自感式傳感器的結構類型及特性,常見的自感式傳感器有變間隙式、變面積式和螺線管式三類。1、變間隙式電感傳感器,,,若使得銜鐵向上移動取為- D d ，則由式（6-4）可得此時電感為則電感增量為線圈電感的相對變化量為若D d／d0＜＜l，則可得,,,,,同理可得當銜鐵向下移動時的D L／L

11、0為 由上式可見，線圈電感與氣隙長度的關系為非線性關系，非線性度隨氣隙變化量的增大而增大，只有當Δd 很小時，忽略高次項的存在，可得近似的線性關系（這里未考慮漏磁的影響）。所以，單邊變間隙式電感傳感器存在線性度要求與測量范圍要求的矛盾。 電感L與氣隙長度d 的關系如圖6.4所示。它是一條雙曲線，所以非線性是較嚴重的。為了得到一定的線性度，一般取D d/d=0.1～0.2。,,,差動式變間隙電感傳感器，要求上、下兩鐵芯和

12、線圈的幾何尺寸與電氣參數(shù)完全對稱，當銜鐵偏離對稱位置移動時，使一邊間隙增大，而另一邊減小，兩個線圈電感的總變化量為,,,忽略高次項，其電感的變化量為 可見，差動式的靈敏度比單邊式的增加了近一倍，而且差動式的（D L1+ D L2）／L式中不包含（D d／d）的偶次項，所以在相同的（D d／d）下，其非線性誤差比單邊的要小得多。所以，實用中經(jīng)常采用差動式結構。差動變間隙電感傳感器的線性工作范圍一般取D d／d0 = 0.3～

13、0.4。,2、變面積式電感傳感器對單邊式結構，在起始狀態(tài)時，鐵芯與銜鐵在氣隙處正對著，其截面積為Sδ0=ab。當銜鐵隨被測量上、下移動時，,,,則線圈電感L為線圈電感L與面積S（或x）呈線性關系，其靈敏度k為一常數(shù)，即正確選擇線圈匝數(shù)、鐵芯尺寸，可提高靈敏度，但是采用圖6.5（b）差動式結構更好。,,,3、螺線管式電感傳感器,螺線管式電感傳感器如圖所示。它由螺線管形線圈、磁性材料制成的柱形鐵芯和外套組成。螺

14、管式電感傳感器建立在磁路磁阻隨著銜鐵長度不同而變化的基礎上。設線圈長度和平均半徑分別為l和r，鐵芯進入線圈的長度和鐵芯半徑分別為x和ra，鐵芯有效磁導率為μ0 。,,,線圈的電感量L為L與x呈線性關系，其靈敏度K為實際上，由于漏磁因素等的影響，管內磁場強度B的分布并非完全均勻，故特性具有非線性。但是，在鐵芯移動范圍內，能夠尋找一段非線性誤差較小的區(qū)域或者采用差動式結構，如圖6.6（b）所示，則可得到較理想的改善。,,,

15、在差動式結構中，由于兩線圈部分完全對稱，故當鐵芯處于中央對稱位置時，兩線圈電感相等，即,,,,6.1.3 電感傳感器的測量電路,電感傳感器最常用的測量電路是交流電橋式測量電路，它有三種基本形式，即電阻平衡臂電橋、變壓器電橋、緊耦合電感比例臂電橋 。,,1. 電阻平衡臂交流電橋,(a),差動的兩個傳感器線圈接成電橋的兩個工作臂（Z1、Z2為兩個差動傳感器線圈的復阻抗），另兩個橋臂用平衡電阻R1、R2代替。,設初始時 Z1= Z2=

16、Z = RS+jωL； R1 = R2 = R ； L1= L2= L0 。,對差動變氣隙式自感傳感器：,可見，電橋輸出電壓與Δδ有關，相位與銜鐵移動方向有關。由于是交流信號，還要經(jīng)過適當電路（如相敏檢波電路）處理才能判別銜鐵位移的大小及方向。,2、變壓器式電橋電路 相鄰兩工作臂為Z1、Z2，是差動電感傳感器的兩個線圈的阻抗。另兩臂為變壓器次級線圈的兩半，輸出電壓取自A、B兩點。且傳感器線

17、圈為高 Q值，那么我們就可以推導其輸出特性公式為,,當銜鐵上移時因為在Q值很高時，線圈內阻可以忽略，所以同理可推出由上式可見，銜鐵上移和下移時，輸出電壓相位相反，且隨D d ?的變化輸出電壓也相應地改變。,,,,,,3、緊耦合電感比例臂電橋,緊耦合電感比例臂電橋常用于差動式電感或電容傳感器，它由以差動形式工作的傳感器的兩個阻抗作電橋的工作臂，而緊耦合的兩個電感作為固定臂，組成電橋電路。緊耦合電感及其T型等效變換如圖所

18、示。,,由T型變換可得當兩電感內的電流同時流向節(jié)點或流出節(jié)點2時，k取正值，反之取負值,,,,在電橋平衡時，因此兩個耦合電感臂的支路電流 ，大小相等，方向相同，在全耦合時，k=1，由此可見，與電感臂并聯(lián)的任何分布電容對平衡時的輸出毫無影響。這就使橋路平衡穩(wěn)定，簡化了橋路的接地和屏蔽問題，改善了電路的零穩(wěn)定性。,,,Zs=0,,當工作時,,,,,,,,,,,工作臂為差動電感式傳感器，設Z=jw

19、L，則工作時，差動電感傳感器變化為 此時橋臂上的電流發(fā)生變化，L1所在支路電流減少，L2所在支路電流增加，這樣就可以看成一個環(huán)流ΔI由3端流向1端，由于耦合臂電流不是同時流向或離開節(jié)點2，所以耦合系數(shù) ，故,,,,,,,從圖曲線可以看出 （1）緊耦合電感比例臂電橋靈敏度高；（2）當Lc／L超過一定值時，靈敏度與橋臂電感的變化無關，從而增加了電橋的穩(wěn)定性。,,6.2 差動變壓器式電感傳感器,差

20、動變壓器本身是一個變壓器，初級線圈輸入交流電壓，次級線圈感應出電信號，當互感受外界影響變化時，其感應電壓也隨之起相應的變化，由于它的次級線圈接成差動的形式，故稱為差動變壓器。,(e)、(f) 變面積式差動變壓器,(a)、(b) 變隙式差動變壓器,(c)、(d) 螺線管式差動變壓器,6.2.1 工作原理,差動變壓器上下兩只鐵芯上均有一個初級線圈W1（也稱勵磁線圈）和一個次級線圈W2（也叫輸出線圈）。上下兩個初級線圈串聯(lián)后接交流勵磁

21、電源電壓Usr，兩個次級線圈則按電勢反相串聯(lián)。,,6.2.2 差動變壓器式傳感器的特性,Usr ——初級線圈激勵電壓；L1、R1 ——初級線圈電感和電阻；M1、M2——分別為初級與次級線圈 l、2間的互感；L21、L22——兩個次級線圈的電感； R21、R22——兩個次級線圈的電阻 初級、次級線圈的匝數(shù)分別為W1、W2，當有氣隙時，傳感器的磁回路中的總磁阻近似值為Rδ,,在初始狀態(tài)時，初級線圈電感為初始時，初級線圈的阻

22、抗分別為此時初級線圈的電流為當有氣隙變化Dd 時，兩個初級線圈的電感值分別為,,,,,,,次級線圈的輸出電壓USC為兩個線圈感應電勢之差而感應電勢分別為式中M1及M2為初級與次級之間的互感系數(shù)，其值分別為得,,,,,整理上式 當w＞＞R 時傳感器的靈敏度 可見，差動變壓器式傳感器的特性幾乎完全是線性的，其靈敏度不僅取決于磁系統(tǒng)的結構參數(shù)，同時取決于初、次級線圈的匝數(shù)以及激磁電源電壓的大小?？?/p>

23、以通過改變匝數(shù)比及提高電源電壓的辦法來提高靈敏度。,,,,6.3 電渦流式傳感器這種傳感技術屬主動測量技術，即在測試中測量儀器主動發(fā)射能量，觀察被測對象吸收（透射式）或反射能量，不需要被測對象主動作功。 渦流傳感器的測量屬于非接觸測量，特別是用于測量運動的物體。電渦流傳感器的應用沒有特定的目標 ，一切與渦流有關的因素，在原則上都可用于測量目的。 電渦流式傳感器具有結構簡單、體積小、頻率響應寬、靈敏度高等特點，在測試技術中日益

24、得到重視和推廣應用。,6.3.1 電渦流式傳感器的工作原理及特性,電感線圈產(chǎn)生的磁力線經(jīng)過金屬導體時，金屬導體就會產(chǎn)生感應電流，該電流的流線呈閉合回線，類似水渦形狀，故稱之為電渦流。電渦流式傳感器是以電渦流效應為基礎，由一個線圈和與線圈鄰近的金屬體組成，當線圈通入交變電流I時，在線圈的周圍產(chǎn)生一交變磁場H1，處于該磁場中的金屬體上產(chǎn)生感應電動勢，并形成渦流。金屬體上流動的電渦流也將產(chǎn)生相應的磁場H2，H2與H1方向相反，對線圈磁場H

25、1起抵消作用，從而引起線圈等效阻抗 Z或等效電感L或品質因數(shù)相應變化。金屬體上的電渦流越大，這些參數(shù)的變化亦越大。,R1、L1——線圈原有的電阻、電感（周圍無金屬體）；R2、L2——電渦流等效短路環(huán)的電阻和電感； ω ——勵磁電流的角頻率； M ——線圈與金屬體之間的互感系數(shù)； ——電源電壓。,,,根據(jù)其等效電路，列出電路方程解方程組，其結果為,,,,對于已定的線圈，Z、L和Q與線圈的相對位置，金屬體的材料、尺寸、形

26、狀等。當只令其中的一個參數(shù)隨被測量而變化，其它參數(shù)不變時，采用電渦流式傳感器并配用相應的測量線路，可得到與該被測量相對應的電信號（電壓、電流或頻率）輸出。這種方法常用來測量位移、金屬體厚度、溫度等參數(shù)，并可作探傷用。,1．變間隙式 這種傳感器最常用的結構型式是采用扁平線圈，金屬體與線圈平面平行放置，如圖6.15（a）所示。 金屬體是傳感器的另一組成部分，它的物理性質、尺寸與形狀也與傳感器特性密切相關。金屬體的電導率高、磁

27、導率低者其靈敏度高。同時，金屬體不應過小、過薄，否則對測量結果均有影響。,6.3.2 電渦流式傳感器結構型式及特點,電渦流傳感器原理圖,2．變面積式 基本組成同變間隙式，但它是利用金屬體與傳感器線圈之間相對覆蓋面積的變化而引起渦流效應變化的原理工作的。其靈敏度和線性范圍比變間隙式好。為了減小軸向間隙的影響，常采用圖6.15（b）所示的差動形式，將兩線圈串聯(lián)，以補償軸向間隙變化的影響。,3．螺線管式 右圖所示

28、為差動螺線管式電渦流傳感器結構示意圖。它由繞在同一骨架上的兩個線圈 l、2和套在線圈外的金屬短路套筒所組成，筒長約為線圈的60％。它的線性特性較好，但靈敏度不太高。,,,4．低頻透射式 低頻透射式由兩個分別處在金屬體兩邊的線圈組成。 勵磁電壓U1施加于線圈L1的兩端，在L2兩端產(chǎn)生感應電動勢U2。當L1與L2之間無金屬體時，L1產(chǎn)生的磁場全部貫穿L2，U2最大；當有金屬體時，因渦流形成的反磁場作用，U2將降低。渦流越

29、大，即金屬導電性越好或金屬板越厚，U2將越小。當金屬體材料一定時，U2將與金屬板厚度相對應。,需要指出的是，電渦流傳感器的線圈與被測金屬體之間是磁性耦合的，并利用這耦合程度的變化作為參數(shù)測試值，因此，傳感器的線圈裝置僅為“實際測試傳感器的一半”，另一半是被測體。被測體的物理性質、尺寸和形狀都與測量裝置總的特性密切相關。在電渦流式傳感器的設計或使用中，必須同時考慮被測體的物理性能、幾何形狀和尺寸等因素。,6.3.3 影響渦流傳感器靈敏度

30、的因素,1．被測體材料對測量影響線圈的阻抗 Z的變化與材料電阻率r 、磁導率m 有關，它們將影響電渦流的貫穿深度，影響損耗功率，也就引起傳感器靈敏度的變化。2．被測體大小和形狀對測量的影響 被測物體的面積比傳感器相對應的面積大很多時，靈敏度不發(fā)生變化；當被測物體面積為傳感器線圈面積的一半時，其靈敏度減少一半；面積更小時，靈敏度顯著下降。被測體為圓柱體時，它的直徑 D必須為線圈直徑 d的3.5倍以上，才不影響被測結果，在D／

31、d為 l時，靈敏度將降低為70％左右。被測體的厚度也不能太薄。但一般來說，只要有0.2mm以上的厚度，測量不會受到影響（銅、鋁箔等為0.07mm以上）。3．傳感器形狀和大小對傳感器的靈敏度影響　傳感器的主要構成是線圈，它的形狀和尺寸關系到傳感器的靈敏度和測量范圍，而靈敏度和線性范圍是與線圈產(chǎn)生的磁場分布有關。,單匝載流圓導線在軸上的磁感應強度根據(jù)畢奧—沙伐—拉普拉斯定律計算可得μ0——真空磁導率； I ——激勵電流強度；

32、 r ——圓導線半徑；x ——軸上點離單匝,,載流圓導線的距離。由圖可見，半徑小的載流圓導線，在靠近圓導線處產(chǎn)生的磁感應強度大；而在遠離圓導線處，則是半徑大的磁感應強度大。這說明，線圈外徑大的，線圈的磁場軸向分布大，測量范圍大，線性范圍相應就大，但磁感應強度的變化梯度小，因此靈敏度就低；線圈外徑小時，磁感應強度軸向分布的范圍小，測量范圍小，但磁感應強度的變化梯度大，傳感器靈敏度高。因此應根據(jù)需要選用。,6.3.4 測量電路,1調頻

33、式電路 傳感器線圈接入LC振蕩回路，當傳感器與被測導體距離x改變時，在渦流影響下，傳感器的電感變化，導致振蕩頻率的變化，該變化的頻率是距離x的函數(shù)f = L(x)。該頻率可由數(shù)字頻率計直接測量，或者通過f－V變換，用數(shù)字電壓表測量對應的電壓。,,2．調幅式電路 傳感器線圈L和電容器C并聯(lián)組成諧振回路，石英晶體組成石英晶體振蕩電路，如圖6.20所示。石英晶體振蕩器起一個恒流源的作用，給諧振回路提供一個穩(wěn)定頻率（f0）激勵電

34、流I0，LC回路輸出電壓為 當金屬導體遠離或被去掉時，LC并聯(lián)諧振回路頻率即為石英振蕩頻率f0，回路呈現(xiàn)的阻抗最大，諧振回路上的輸出電壓也最大；當金屬導體靠近傳感器線圈時，線圈的等效電感L發(fā)生變化，導致回路失諧，從而使輸出電壓降低，L的數(shù)值隨距離x的變化而變化，因此，輸出電壓也隨x而變化。輸出電壓經(jīng)過放大、檢波后，由指示儀表直接顯示出x的大小。,,,,6.4 電感式傳感器的應用,6.4.1.電感傳感

35、器的應用 　　　自感式、互感式傳感器兩者的工作原理雖不相同，但在應用領域方面具有共同性，除了用于測量位移、構件變形、液位等外，還可用于測量壓力、力、振動、加速度等物理量。,測量加速度的原理框圖在該結構中，銜鐵即為慣性質量，它由兩個彈簧片支撐。傳感器的固有頻率由慣性質量的大小及彈簧剛度決定，這種結構的傳感器只適于低頻信號（100～200Hz）的測量。,,測量液位的原理圖圖中銜鐵隨浮子運動反應出液位的變化，從而使差動變壓器有一相應的電壓輸

36、出。,,6.4.２、電渦流傳感器的應用,1.位移測量 ：它可測量各種形狀試件的位移值，測量范圍為0～15mm（分辨率為0.05mm），或0～80mm（分辨率為0.1％）。凡是可變換成位移量的參數(shù)，都可用電渦流式傳感器來測量，如汽輪機的軸向竄動（如圖6.23所示）、金屬材料的熱膨脹系數(shù)、鋼水液位、紗線張力、流體壓力等。,,,,振幅測量：電渦流式傳感器可測量各種振動幅值，為非接觸式測量 。,,轉速測量在一個旋轉金屬體上加一個有N個齒的齒輪，