[工程科技]第3章 电感式传感器.ppt

第3章 电感式传感器 电感式传感器种类较多，本章介绍变磁阻式电感传感器、差动变压器式传感器、电涡流式传感器的原理及其应用。 电感式传感器与其它类型的传感器相比，有如下显著的特点：灵敏度高、分辨力高（能测0.1μm的机械位移，能感受非常小的小角度变化）、线性较好（非线性误差可达0.1%）、输出功率大等。 其主要缺点是频率响应较低。 ④差动形式的结构还可以进行温度补偿，从而得以减弱或消除温度变化、电源频率变化以及外界干扰的影响。 由此可见，采用带相敏整流器的交流电桥，所得到的输出信号既能反映位移大小（电压数值），也能反映位移的方向（电压的极性）。因此可得如图所示的输出特性 3.2 差动变压器式传感器 把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化的传感器称为互感式传感器。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组都用差动形式连接，故称差动变压器式传感器。 差动变压器结构形式较多，有变隙式、变面积式和螺线管式等，但其工作原理基本一样。非电量测量中，应用最多的是螺线管式差动变压器，它可以测量1~100mm范围内的机械位移，并具有测量精度高，灵敏度高，结构简单，性能可靠等优点。 2. 高频反射式涡流传感器 大直径电涡流探雷器 例如材料参数固定,激励频率固定,传感器探头也固定此即为材料均匀性测量的基本原理(涡流探伤). 3.3.2 电涡流传感器等效电路及基本特性 电涡流传感器简化模型如图所示。 模型中把在被测金属导体上形成的电涡流等效成一个短路环，即假设电涡流仅分布在环体之内，模型中h由以下公式求得 根据简化模型，可画出如图所示等效电路图。 M R1 L2 L1 R2 根据基尔霍夫第二定律，可列出如下方程 由 上式解得等效阻抗Z的表达式为 线圈的等效品质因数Q值为 电涡流形成范围 1、电涡流的径向形成范围 线圈一导体系统产生的电涡流密度既是线圈与导体间距离x的函数，又是沿线圈半径方向r的函数。当x一定时，电涡流密度J与半径r的关系曲线如图所示。 ④可以用一个平均半径为ras(ras=(ri+ras)/2)的短路环来集中表示分散的电涡流（图中阴影部分）。 由图可知： 有何意义 ①电涡流径向形成的范围大约在传感器线圈外径ras的1.8~2.5倍范围内，且分布不均匀。 ②电涡流密度在短路环半径r=0处为零。 ③电涡流的最大值在r=ras附近的一个狭窄区域内。 2、电涡流强度与距离的关系 理论分析和实验都已证明，当x改变时，电涡流密度发生变化，即电涡流强度随距离x的变化而变化。根据线圈一导体系统的电磁作用；可以得到金属导体表面的电涡流强度为 根据上式作出的归一化曲线如图所示 ②当利用电涡流式传感器测量位移时，只有在xras（一般取0.5~0.15）的范围才能得到较好的线性和较高的灵敏度。 有何意义 以上分析表明： ①电涡流强度与距离x呈非线性关系，且随着x/ras的增加而迅速减小。 x:金属导体中某一点与表面距离； :沿轴向x处的电涡流密度； J0:金属导体表面电涡流密度，即电涡流密度最大值； h:电涡流轴向贯穿深度（趋肤深度）。 3、电涡流的轴向贯穿深度 由于趋肤效应，电涡流沿金属导体纵向分布是不均匀的，其分布按指数规律衰减，可用下式表示 电涡流密度轴向分布曲线 下图所示为电涡流密度轴向分布曲线。由图可见，电涡流密度主要分布在表面附近。 x 3.3.3 电涡流式传感器的应用 1、低频透射式涡流厚度传感器 在被测金属的上方设有发射传感器线圈L1，在被测金属板下方设有接收传感器线圈L2。当在L1上加低频电压U1时，则L1上产生交变磁通 ，若两线圈间无金属板，则交变磁场直接耦合至L2中，L2产生感应电压U2。如果将被测金属板放入两线圈之间，则L1线圈产生的磁场将导致在金属板中产生电涡流。此时磁场能量受到损耗，到达L2的磁通将减弱为 ，从而使L2产生的感应电压U2下降。金属板越厚，涡流损失就越大，U2电压就越小。因此，可根据U2电压的大小得知被测金属板的厚度，透射式涡流厚度传感器检测范围可达1~10mm，分辨率为0.1mm. 而B→D→E→A支路中，D点的相位由于Z1的增加而比平衡时增高。所以仍然是D点的电位高于C点的电位，直流电压表指针仍然向左（正向）偏转。 D1 D4 D2 D3 Z1 Z2 Z Z A B C D E F Ui Uo 如果输入交流电压为负半周，即A点电压为负，B点为电压正时，二极管D2，D3导通，D1，D4截止。则在B→C→F→A支路中，C点的电位由于Z2的减小而比平衡时降低（因为平衡时，输入