第4章-电感式传感器

测量原理演示
四、应用
1. 压力测量
2. 加速度测量
3. 液面高度测量
§4-3 电涡流式传感器
广泛用于测量位移、振动、厚度、 转速、温度、硬度等及无损探伤
工作原理
金属导体置于变化着的磁 场中，或者在磁场中运 动时，在金属导体中会 感应出一圈圈自相闭合 的电流，这就是电涡 流——涡流效应。
传感器激励电流
二、互感式传感器的分类
气隙型：灵敏度高但测量范围小，一般
用于几微米~几百微米的位移。由于示值 范围小、非线性严重，已较少使用。 截面型：测量直线位移极少，常用来测 角位移。一般可分辨零点几秒以下的微 小角位移，线性范围达100。 螺管型：示值范围大，自由行程可任意 安排，装配也较方便，因而获得了较广 泛的应用。可测量几纳米~1米的位移， 但灵敏度稍低。
各种差动变压器
三、输出特性－零点残余电压
从理论上讲，在衔铁 处于中间位置时输出电压 应为零，但实际存在零点 残余电压，它由这样一些 因素引起： 两个次级线圈不对称 初级线圈铜耗电阻的存在 导磁体靠近的安装位置、 铁芯长度等 激磁频率的高低 铁磁材质不均匀 线圈间存在分布电容


减小零点残余电压的方法
差动线性好、灵敏度高 截面型：理论上线性 差动灵敏度提高2倍 螺管型：存在高次非线性误差项 差动减小非线性误差，灵敏度 提高
差动形式
为了增加灵敏度，改善线性，往往 做成差动式的。
差动优点：（1）.大大的改善了线性，减小线性误差； （2）.使灵敏度提高一倍。
自感式传感器的分类比较
三、转换电路
源自文库1
传感器激励线圈
I1
～ (a)
H2
被测金属导体
(b)
I2
形成涡流必备2个条件
电涡流的形成范围
电涡流的径向形成范围
与线圈外径有固定的比例关系。
电涡流的轴向贯穿深度
J z J 0 exp( z / h) h /( 0 r f )
电涡流强度与距离的关系
E R1 jL1
感应电势的有效值
E2
(M a M b )
R1 (L1 ) 2
2
E1 k ( M a M b ) E1
初始位置，衔铁处于中间位置
l2a l2b l0 M a M b M E2 0
当衔铁上升L
l2 a l0 l M a M M
压磁式力传感器
压磁式传感器的特点
具有高的机械输入阻抗 （很高的机械刚度） 低的电输出阻抗 （输出电压受负载电压变化影响较小） 缺点：准确度不高，总误差一般为额 定值的2~5%。

压磁式力传感器的应用
电梯超载报警
思考题: 1.电梯超载报警原理电路设计 2.板材厚度测试原理电路设计
RM
i 1 n

2—铁芯(定铁芯)； 3—衔铁(动铁芯)
li 2 i Si 0 S
S2
±
3
li 各导磁体长度 Si 各导磁体截面积
空气隙间隙 S 空气隙截面积
i 各导磁体相对导磁率 0 空气隙导磁系数
因为 铁芯、 衔铁>> 气隙，所以，R铁芯+R衔铁<<R气隙
第四章 电感式传感器
原理
利用线圈的自感或互感的变化来实现测量 的传感器。
位移
振动
被测物理量 压力 的变化 流量
线圈
电路 自感系数 L 的变化 互感系数 M
电压 电流
比重
电感传感器优点：
灵敏度高，分辨力高，位移：0.1m ； 精度高，线性特性好，非线性误差：
0.05%0.1 % ； 性能稳定，重复性好 ； 结构简单可靠、输出功率大、输出阻抗 小、抗干扰能力强、对工作环境要求不 高、寿命长 能实现信息的远距离传输、记录、显示 和控制等。
电感式传感器分类
自感型 互感型 高频反射式 — 自感型 涡流式传感器 — 低频透射式 — 互感型 压磁式
§4-1 自感式传感器
一、工作原理 根据电工学：线圈中的电感量
N2 L Rm
S1 W l2 1—线圈； l1 1 L 2
若很小，且不考虑磁路铁损，则
RM R铁芯 R气隙 R衔铁
l2b l0 l M b M M
E2 2kME1 2 KlE1
E2与E2a同相
当衔铁下降L
l2 a l0 l M a M M
l2b l0 l M b M M
E2 2kME1 2 KlE1
E2与E2b同相
互感现象：
当一次侧线圈通入激励电流I1时，它 将产生磁通11，一部分磁通12穿 过次级线圈，产生互感电势e 磁链 互感系数
12 N 212
M d12 dI
d12 dI e M dt dt
若
I1 I M e jt
e jI1M
一、工作原理
差动变压器式传感器 差动变压器等效电路
1. 2. 3. 4.
5.
尽可能保证传感器几何尺寸，线圈电气参数 和磁路的对称。 选用导磁性能好的材料制作保护外壳，这同 时可起到磁屏蔽罩的作用。 控制铁心的最大工作磁感强度，以便使磁路 工作在磁化曲线的线性段，减小高次谐波。 选用合适的测量电路可减小零位电压输出， 如相敏检波电路。这样不仅可判别衔铁的移 动方向，还可减小零点残余电压。 采用补偿电路。补偿电路基本原则：串联电 阻可以减小零点残余电压的基波份量；并联 电阻电容可以减小谐波分量；加反馈支路可 减小基波和谐波分量。
x

x2
x1
S2 检波
3、振幅测量 涡流振幅计
4、转速测量 涡流转速计
d
传感器
振 荡 器
高 频 放 大 器
检 波 器
整 形 电 路
fn
d0 输入轴
5、涡流探伤仪
探测金属材料的表面裂纹、热处理裂纹及 焊缝裂纹
6、温度测量
=0[1+(t-t0)] 保持其它条件不变，则t变化 变化 输出电压变化 可测钢材压延时压 滚温度，液、气态介质 温度，且测温时有一个 很大的特点是热惯性小 （约0.001s），动态响 应好，能做快速测温工 作。
U L1 同频交 变电流 产生一交 变磁场 磁力线切 割M 产生涡流i 到达L2的磁力线 减少（无M时磁力线 直接贯穿L2） E 的下降
三、等效电路
等效电路 克希霍夫定律 Z、L、Q
四、转换电路
电桥电路：利用Z值 谐振电路：利用L值
调幅： 调频：
电涡流传感器的分类
高频反射式涡流传感器 根据激励频率不同分为 低频透射式涡流传感器
一、高频反射式涡流传感器
线圈上通交变高频电流I1 线圈产生高频交变磁场H1
产生高频交变涡流I2
涡流产生反磁场H2 削弱原交变磁场H1 导致线圈L、R、Q的改变
二、低频透射式涡流传感器
若将激励频率降低，涡流的贯穿深度会加厚，成为低频透射 式电涡流传感器，常用来测金属材料厚度。
五、涡流传感器的应用
位移x的变化 电量的变化 可做成位移、振幅、厚度等传感器 电导率的变化 电量的变化 可做成表面温度、材质判别等 磁导率的变化 电量的变化 可做成应力、硬度等传感器 x、、的综合影响 可做成材料探伤装置
1、位移测量 涡流位移计
2、厚度测量
厚度给定系统 检波 S1 带材 ＋ 比较电压 － － 加法器 指示仪表
7、自动控制中工件是否到位等的检测
接近开关
接近开关应用实例一
接近开关应用实例二
§4-4 压磁式传感器
压磁效应

磁致伸缩效应：
铁磁材料在磁场中磁化时，在磁场方向会伸长或缩短。（正、负） 物体磁化时，不但在磁化方向上会伸长或缩短，在偏离磁化方向 的其它方向上也同时伸长或缩短，只是随着偏离角度的增大其伸长或 缩短比逐渐减小，直到接近垂直于磁化方向反而要缩短或伸长。
2 RM 0 S
N 2 N 2 0 S L f ( , , S ) RM 2
电感传感器的三种型式
气隙变化型—变气隙的间隙 面积变化型—变气隙的截面积S 螺管型—变衔铁与线圈重合长度 (a) (b) (c)
(a)
(b)
(c)
二、自感计算及特性分析
气隙型：单圈不适宜精密测量
变压器电桥（差动自感式传感器）
U/2
Z2
输出空载电压
u u u Z1 Z 2 u0 Z1 Z1 Z 2 2 2 Z1 Z 2
u0 u / 2 Z / Z
U/2
Z1
u0
初始平衡状态，Z1= Z2 =Z，u0=0，当衔 铁偏离中间零点时，Z1＝Z+ Z，Z2＝Z- Z 衔铁移动方向相反时 u0 u / 2 Z / Z 令品质因数较大，则 u0 u / 2 L / L
在初级线圈中 I1 I M e
jt
dI1 次级线圈中的感应电势 E M jM a I1 2a a dt E2b jM b I1
E2 E2 a E2b j ( M a M b ) I1 j ( M a M b ) E1 R1 jL1
r1a ＋
U1 U2
Ma
r2a
E2b
L1a L2a Mb r2b
＋
Uo
－
RL
Ui
L1b
E2 a
L2b
－
r1b
e1 初级线圈的激励电压 L2a、L2b 次级线圈的电感 R、L1 初级线圈的电阻和电感 R2a、R2b 次级线圈的电阻 Ma、Mb 初级与次级线圈的互感系数 N1 初级线圈的匝数 N21、N22 次级线圈的匝数

压磁效应
铁磁物体被磁化时如果受到限制（相当于外部加力）而不能伸缩， 内部会产生应力，应力使各磁畴之间的界限发生移动，使磁畴磁化强 度矢量转动，也使材料的磁化强度矢量重新取向，从而改变了铁磁材 料的磁性质（磁导率），这种现象称压磁效应。 对正磁致伸缩材料而言，拉应力将使磁化方向转向拉应力方向， 加强拉应力方向的磁化，从而使拉应力方向的磁导率增大。反之压应 力将使磁化方向转向垂直于压应力的方向，削弱压应力方向的磁化， 从而使压应力方向的磁导率减小。对负磁致伸缩材料而言，情况刚好 相反。
§4-2
互感式传感器
一、工作原理
利用线圈互感随被测量变化的传感器。传感器本身是互感系数可 变的变压器，当一次侧线圈接入激励电源后，二次侧线圈就将产生 电压输出，互感变化时，输出电压将作相应变化。一般这种传感器 的二次侧线圈有2个，接线方式又是差动的，故有称为差动变压器式 传感器。
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