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1、第第3 3章章 電感式傳感器電感式傳感器 把被測量的變化轉換為把被測量的變化轉換為線圈自感或互感線圈自感或互感的變化?？梢詼y的變化?？梢詼y量位移、振動、壓力、流量、重量、力矩、應變等物理量。量位移、振動、壓力、流量、重量、力矩、應變等物理量。核心部分是核心部分是可變自感可變自感或或可變互感可變互感，一般要利用磁場作為，一般要利用磁場作為媒介或利用鐵磁體的某些現象，把被測量轉換成線圈自感或媒介或利用鐵磁體的某些現象，把被測量轉換成線圈自感或互感的變化?；ジ械淖兓Ｖ饕卣魇蔷哂兄饕卣魇蔷哂芯€圈繞組線圈繞組。自感原理：自感式傳感器自感原理：自感式傳感器互感原理：變壓器式傳感器、感應同步器互感原理
2、：變壓器式傳感器、感應同步器渦流效應：渦流式傳感器渦流效應：渦流式傳感器壓磁效應：壓磁式傳感器壓磁效應：壓磁式傳感器3.1.1 3.1.1 工作原理工作原理 電感與線圈匝數電感與線圈匝數W W 的平方成正比；與空氣隙有效截的平方成正比；與空氣隙有效截面積面積S S0 0成正比；與空氣隙長度成正比；與空氣隙長度l0 0所反比。所反比。3.1 3.1 自感式傳感器自感式傳感器銜鐵銜鐵固定鐵心固定鐵心線圈線圈圖圖3-2 3-2 截面型自感傳感器截面型自感傳感器圖圖3-3 3-3 差動自感傳感器差動自感傳感器3.1.2 3.1.2 靈敏度與線性度靈敏度與線性度截面型自感傳感器是線性的；截面型自感傳感器
3、是線性的；氣隙型自感傳感器是非線性的。氣隙型自感傳感器是非線性的。線性度線性度 從提高靈敏度的角度看，從提高靈敏度的角度看，初始空氣隙初始空氣隙 l0 0 應盡量小應盡量小測測量范圍變小量范圍變小，靈敏度的非線性也將增加。，靈敏度的非線性也將增加。如采用增大氣隙等效截面積和增加線圈匝數的方法來提如采用增大氣隙等效截面積和增加線圈匝數的方法來提高靈敏度，則傳感器的高靈敏度，則傳感器的幾何尺寸幾何尺寸和和重量重量必將增大。必將增大。以上矛盾在設計傳感器時應適當考慮。以上矛盾在設計傳感器時應適當考慮。變氣隙型自感傳感器的靈敏度變氣隙型自感傳感器的靈敏度 差動式差動式氣隙型自感傳感器的靈敏度氣隙型自感
4、傳感器的靈敏度 與單極式相比，靈敏度提高了一倍，非線性大大與單極式相比，靈敏度提高了一倍，非線性大大減小。減小。3.1.3 3.1.3 等效電路等效電路從電路角度看，自感式傳感器并非純電感。從電路角度看，自感式傳感器并非純電感。有功電阻有功電阻R Rq q：線圈的：線圈的銅損耗銅損耗鐵芯的鐵芯的渦流渦流及及磁滯損耗磁滯損耗。無功阻抗：電感繞組間的無功阻抗：電感繞組間的分布電容分布電容C C。電感線圈等效電路電感線圈等效電路3.1.4 3.1.4 轉換電路轉換電路自感式傳感器把被測量的變化轉變?yōu)樽愿惺絺鞲衅靼驯粶y量的變化轉變?yōu)殡姼辛康淖兓姼辛康淖兓?。為了測出電感量的變化，同時也為了送入下級電路
5、為了測出電感量的變化，同時也為了送入下級電路進行放大和處理，需要用進行放大和處理，需要用轉換電路轉換電路把電感變化轉換把電感變化轉換成電壓成電壓/電流的變化（幅值、頻率、相位的變化）。電流的變化（幅值、頻率、相位的變化）。轉換電路轉換電路調幅電路調幅電路調頻電路調頻電路調相電路調相電路一、調幅電路一、調幅電路 1 1、交流電橋、交流電橋空載時，交流電橋的開路輸出電壓為：空載時，交流電橋的開路輸出電壓為：接入負載時，交流電橋的輸出電壓為：接入負載時，交流電橋的輸出電壓為：電阻平衡臂電橋電阻平衡臂電橋忽略直流電阻的變化，并且忽略直流電阻的變化，并且電感線圈的電感線圈的品質因數品質因數設計的很大時：
6、設計的很大時：變壓器電橋變壓器電橋以上兩種情況的空載輸出完全一樣。以上兩種情況的空載輸出完全一樣。但后者使用元件少，輸出阻抗小，廣泛使用。但后者使用元件少，輸出阻抗小，廣泛使用。2 2、諧振式調幅電路、諧振式調幅電路 0圖圖3-8 3-8 調頻電路調頻電路二、調頻電路二、調頻電路傳感器電感傳感器電感L L的變化將引起輸出電壓頻率的變化將引起輸出電壓頻率f 的變化。的變化。把傳感器電感把傳感器電感L和一個固定電容和一個固定電容C接入一個振蕩回路。接入一個振蕩回路。當當L L變化時，振蕩頻率隨之變化，根據的變化時，振蕩頻率隨之變化，根據的f 大小即可測大小即可測出被測量值。出被測量值。線性度較差，
7、只有線性度較差，只有f 較大時才能達到較高較大時才能達到較高精度。精度。三、調相電路三、調相電路傳感器電感傳感器電感L的變化將引起輸出電壓相位的變化將引起輸出電壓相位的變化。的變化。調相電橋電路調相電橋電路，一臂為傳感器，一臂為傳感器L L，一臂為固定電阻，一臂為固定電阻R R。設計時。設計時使電感線圈具有高品質因數，忽略其損耗電阻，則電感線圈使電感線圈具有高品質因數，忽略其損耗電阻，則電感線圈上壓降上壓降U UL L與固定電阻上壓降與固定電阻上壓降U UR R互相垂直，當電感互相垂直，當電感L L變化時，變化時，輸出電壓輸出電壓U0的幅值不變，相位角的幅值不變，相位角隨之變化。隨之變化。U0
8、U03.1.5 3.1.5 零點殘余電壓零點殘余電壓在電橋預平衡時，無法真正實現平衡，最后總要存在電橋預平衡時，無法真正實現平衡，最后總要存在著某個輸出值在著某個輸出值UU0 0圖圖3-10 U3-10 U0 0-l 特性特性3.1.6 3.1.6 自感式傳感器的特點以及應用自感式傳感器的特點以及應用 靈敏度比較好，輸出信號比較大靈敏度比較好，輸出信號比較大,信噪比較好；信噪比較好；測量范圍比較小，適用于測量較小位移；測量范圍比較小，適用于測量較小位移；存在非線性；存在非線性；消耗功率較大，尤其是單極式電感傳感器（電磁消耗功率較大，尤其是單極式電感傳感器（電磁吸力）；吸力）；工藝要求不高，加工
9、容易。工藝要求不高，加工容易。圖圖3-11 3-11 測氣體壓力的電感傳感器測氣體壓力的電感傳感器 圖圖3-12 3-12 壓差傳感器壓差傳感器P23.2.1 3.2.1 工作原理工作原理將被測量轉換為線圈間將被測量轉換為線圈間互感系數互感系數的變化。多采用差動形式。的變化。多采用差動形式。3.23.2變壓器式傳感器變壓器式傳感器A A、B B為山字形固定鐵心為山字形固定鐵心兩個線圈，兩個線圈，W W1a1a及及W W1b1b為一次為一次繞組，繞組，W W2a2a及及W W2b2b為二次繞組為二次繞組C C為銜鐵。為銜鐵。氣隙型差分變壓器式傳感器氣隙型差分變壓器式傳感器截面積型差動變壓器式傳感
10、器截面積型差動變壓器式傳感器3.2.2 3.2.2 差動變壓器式傳感器等效電路差動變壓器式傳感器等效電路 各各r為線圈的直流電阻為線圈的直流電阻幅頻、相頻特性曲線幅頻、相頻特性曲線靈敏度為：靈敏度為：3.2.3 3.2.3 差分變壓器式傳感器的測量電路差分變壓器式傳感器的測量電路 差分變壓器隨銜鐵的位移輸出一個差分變壓器隨銜鐵的位移輸出一個調幅波調幅波，直接，直接用電壓表測量時存在下述問題：用電壓表測量時存在下述問題：總有總有零點殘余電壓零點殘余電壓輸出輸出 零位附近的小位移零位附近的小位移測量困難。測量困難。交流電壓表交流電壓表無法判別銜鐵移動方向無法判別銜鐵移動方向。常采用常采用差動相敏檢
11、波電路差動相敏檢波電路、差動整流電路差動整流電路來解決。來解決。差動相敏檢波電路差動相敏檢波電路差動整流電路差動整流電路3.2.4 3.2.4 零點殘余電壓的補償零點殘余電壓的補償差動變壓器也存在零點殘余電壓問題。零點殘余電壓差動變壓器也存在零點殘余電壓問題。零點殘余電壓的存在使得傳感器的的存在使得傳感器的特性曲線不通過原點特性曲線不通過原點，并使實際，并使實際特性不同于理想特性。特性不同于理想特性。采用采用對稱度很高的磁路線圈對稱度很高的磁路線圈來減小零點殘余電壓在設來減小零點殘余電壓在設計和工藝上是有困難的，可在計和工藝上是有困難的，可在電路上電路上采取補償措施，采取補償措施，這是最簡單有
12、效的方法。這是最簡單有效的方法。零點殘余電壓補償電路零點殘余電壓補償電路差動變壓器式位移傳感器差動變壓器式位移傳感器3.2.5 3.2.5 變壓器式傳感器的應用舉例變壓器式傳感器的應用舉例1 1測頭；測頭；2 2軸套；軸套；3 3測桿；測桿；4 4銜鐵；銜鐵；5 5線圈架；線圈架；6 6彈簧；彈簧；8 8屏蔽筒；屏蔽筒；9 9圓片彈簧；圓片彈簧；1010防塵罩防塵罩差動變壓器式測力裝置差動變壓器式測力裝置 彈性元件是彈性元件是簿壁圓筒簿壁圓筒，在，在外力外力F F 作用下，變形使差作用下，變形使差動變壓器的鐵心產生微位動變壓器的鐵心產生微位移，變壓器次級產生相應移，變壓器次級產生相應電信號。電
13、信號。為了減小橫向力或偏心力為了減小橫向力或偏心力的影響，傳感器的高徑比的影響，傳感器的高徑比應較小。應較小。圖圖3-25 3-25 微壓傳感器微壓傳感器 2 2膜盒；膜盒；5 5差分變壓器；差分變壓器；6 6銜鐵銜鐵圖圖3-26 3-26 加速度傳感器加速度傳感器案例：案例：板厚測量板厚測量 案例：案例：張力測量張力測量3.3.1 3.3.1 工作原理工作原理圖圖3-27 3-27 渦流式傳感器原理圖渦流式傳感器原理圖3.3 3.3 渦流式傳感器渦流式傳感器L Z Q當金屬板置于變化磁場中或在磁場中運動時，金屬板中產生感當金屬板置于變化磁場中或在磁場中運動時，金屬板中產生感應電流，這種電流在
14、金屬板體內是閉合的，稱為應電流，這種電流在金屬板體內是閉合的，稱為渦流渦流(Eddy Current)。若若x一定，變化一定，變化 或或 可實現可實現材質鑒別材質鑒別或或無損探傷無損探傷。集膚效應集膚效應（趨膚效應）（趨膚效應）渦流在金屬導體的縱深方向并不是均勻分布的，而只集渦流在金屬導體的縱深方向并不是均勻分布的，而只集中在金屬導體的表面。中在金屬導體的表面。電渦流在金屬導體內的滲透深度為：電渦流在金屬導體內的滲透深度為：頻率頻率f 越高越高，電渦流的，電渦流的滲透深度滲透深度h越淺越淺，集膚效應越嚴重集膚效應越嚴重。故渦流傳感器可分為故渦流傳感器可分為高頻反射式高頻反射式和和低頻透射式低頻
15、透射式。h滲透深度，滲透深度，cm；金屬導體的電阻率，金屬導體的電阻率，cm；相對磁導率相對磁導率；f 激勵源頻率激勵源頻率，Hz3.3.2 3.3.2 轉換電路轉換電路渦流傳感器把被測量的變化轉換成傳感器線圈的渦流傳感器把被測量的變化轉換成傳感器線圈的品質品質因數因數Q Q、等效阻抗等效阻抗Z Z 和和等效電感等效電感L L的變化。轉換電路的的變化。轉換電路的任務是把這些參數轉換為任務是把這些參數轉換為電壓電壓或或電流電流輸出。輸出。利用阻抗利用阻抗Z Z 的轉換電路一般用的轉換電路一般用電橋橋路電橋橋路，它屬于調幅，它屬于調幅電路。電路。利用電感利用電感L L的轉換電路一般用的轉換電路一般
16、用諧振電路諧振電路，可分為，可分為調幅調幅電路電路和和調頻電路調頻電路。一、電橋電路一、電橋電路 圖圖3-28 3-28 渦流式傳感器電橋電路渦流式傳感器電橋電路 圖圖3-29 3-29 諧振調幅電路諧振調幅電路 二、諧振調幅電路二、諧振調幅電路圖圖3-30 3-30 諧振調幅電路特性諧振調幅電路特性圖圖3-31 3-31 調頻電路原理圖調頻電路原理圖 三、諧振調頻電路三、諧振調頻電路3.3.3 3.3.3 渦流式傳感器的特點及應用渦流式傳感器的特點及應用渦流式傳感器的特點是結構簡單、易于進行非接觸的連續(xù)渦流式傳感器的特點是結構簡單、易于進行非接觸的連續(xù)測量，靈敏度較高，適用性強。測量，靈敏度
17、較高，適用性強。圖圖3-32 3-32 低頻透射渦流測厚儀原理低頻透射渦流測厚儀原理 圖圖3-33 3-33 不同頻率下的不同頻率下的e=f(h)曲線曲線 表面裂縫檢測表面裂縫檢測徑向振動測量徑向振動測量軸心軌跡測量軸心軌跡測量轉速測量轉速測量案例：案例：無損探傷無損探傷原理裂紋檢測，缺陷造成渦流變化?；疖囕啓z測火車輪檢測油管檢測油管檢測案例：案例：零件計數零件計數3.4.13.4.1 工作原理工作原理 某些鐵磁物質在機械力的作用下，其內部產生機械應力，某些鐵磁物質在機械力的作用下，其內部產生機械應力，從而引起從而引起磁導率磁導率的變化，這種現象稱為的變化，這種現象稱為“壓磁效應壓磁效應”。相反，某些鐵磁物質在外界磁場的作用下會產生變形，相反，某些鐵磁物質在外界磁場的作用下會產生變形，這種現象稱為這種現象稱為“磁致伸縮磁致伸縮”。3.4 3.4 壓磁式傳感器壓磁式傳感器3.4.2 3.4.2 結構形式結構形式一、利用一個方向磁導率的變化一、利用一個方向磁導率的變化 二、利用兩個方向上磁導率的改變二、利用兩個方向上磁導率的改變 三、維捷曼效應三、維捷曼效應
3 電感式傳感器 WL
