1、傳感器與檢測技術教 師：曾曉東電 話_mail: QQ: 241747139傳感器與檢測技術第三章 電感式傳感器第三章第三章 電感式傳感器電感式傳感器第一節第一節 自感式傳感器自感式傳感器第二節第二節 互感式傳感器互感式傳感器第三節第三節 電渦流式傳感器電渦流式傳感器第四節第四節 壓磁式傳感器壓磁式傳感器傳感器與檢測技術第三章 電感式傳感器原理原理電感式傳感器最基本原理是電磁感應原理。傳感器傳感器電路電路被測物理量被測物理量位移位移振動振動壓力壓力流量流量比重比重的變化的變化自感系數自感系數 L互感系數互感系數 M的變化的變化電壓電壓電流電流傳感器與檢測技術第三章 電

2、感式傳感器電感傳感器優點電感傳感器優點 靈敏度高，分辨力高，位移：0.1m ； 精度高，線性特性好，非線性誤差：0.05%0.1 % ； 性能穩定，重復性好 ； 結構簡單可靠、輸出功率大、輸出阻抗小、抗干擾能力強、對工作環境要求不高、壽命長 能實現信息的遠距離傳輸、記錄、顯示和控制等。 缺點缺點：存在交流零位信號，不適于高頻動態信號測量。傳感器與檢測技術第三章 電感式傳感器電感式傳感器分類 自感型變磁阻式傳感器 互感型差動變壓器式傳感器 渦流式傳感器自感型和互感型都有 高頻反射式自感型 低頻透射式互感型傳感器與檢測技術第三章 電感式傳感器第一節第一節 自感式傳感器自感式傳感器將被測對象的微小變

3、化(x) 電感的變化 (L)傳感器運動部分與銜鐵相連，測物理量時，運動部分位移 銜鐵位移 氣隙厚度變化 線圈自感系數L變化SSlNLiii022一、工作原理一、工作原理傳感器與檢測技術第三章 電感式傳感器自感傳感器的三種型式氣隙變化型變氣隙的間隙 (a)面積變化型變氣隙的截面積S (b)螺管型變銜鐵與線圈重合長度 (c)傳感器與檢測技術第三章 電感式傳感器第一節第一節 自感式傳感器自感式傳感器二、電感計算及特性分析二、電感計算及特性分析1 1氣隙型傳感器氣隙型傳感器220202SNSNL000000200200200020) 1(LSNSNSNLLLSNL000011LL302000）（）（L

4、L00LL0000/LLLK%1000020傳感器與檢測技術第三章 電感式傳感器二、電感計算及特性分析 為了減小非線性，可以利用兩只完全對稱的單個電感傳感器合用一個活動銜鐵，這樣可構成差動式電感傳感器，如差動式氣隙電感傳感器、差動螺管電感傳感器等。其測量電路可使用非平衡電橋。00200000000020020022121122)(2)(2LLSNSNSNLLL00002/2LLLK%10020030傳感器與檢測技術第三章 電感式傳感器二、電感計算及特性分析2 2螺管型電感傳感器螺管型電感傳感器23002020003htthRNLLLsm00030200000333ttLLttttttLLLLs

5、s000300000626ttLLttttLLLLssZ 差動螺管式電感傳感器的電感相對變化量為 006tLtLKsZ傳感器與檢測技術第三章 電感式傳感器二、電感計算及特性分析螺管式電感傳感器的特點：(1) 結構簡單，制造裝配容易(2) 由于空氣隙大，磁路的磁阻高，因此靈敏度低，但線性范圍大(3) 由于磁路大部分為空氣，易受外部磁場干擾(4) 由于磁阻高，為了達到某一電感量，需要的線圈匝數多，因而線圈分布電容大(5)要求線圈框架尺寸和形狀必須穩定，否則影響其線性和確定性。 傳感器與檢測技術第三章 電感式傳感器自感式傳感器的分類比較自感式傳感器的分類比較傳感器與檢測技術第三章 電感式傳感器第一節

6、第一節 自感式傳感器自感式傳感器三、轉換電路和傳感器靈敏度三、轉換電路和傳感器靈敏度（一）轉換電路（一）轉換電路主要有調幅、調頻、調相電路 1.交流電橋2121RRZZLjRLjREZZERRRZZZZZZEZZZZZZEUssSC221)()()(433211傳感器與檢測技術第三章 電感式傳感器三、轉換電路和傳感器靈敏度三、轉換電路和傳感器靈敏度ELRLELRRLUsssSC2222222)(2)(22)()(22LRRZs)(11(111222ssssSCRRLLQjLLRRQQEU(1)當Q值很高時，有 LLEUSC2對氣隙式差動傳感器有 0EUSC對螺管型差動傳感器有 0003ttLL

7、EUsSC傳感器與檢測技術第三章 電感式傳感器三、轉換電路和傳感器靈敏度三、轉換電路和傳感器靈敏度（2）當Q值很低時 電感線圈的電感遠小于電阻，電感線圈相當于純電阻的情況，交流電橋即為電阻電橋。此時輸出電壓為ssSCRREU2 這種電橋結構簡單，其電阻可用兩個電阻和一個電位器組成，調零方便。傳感器與檢測技術第三章 電感式傳感器三、轉換電路和傳感器靈敏度三、轉換電路和傳感器靈敏度2.變壓器電橋 21ZZEI1221122ZZZZEEZIUO雙臂工作時，若Z1=Z+Z，Z2=Z-Z ZZEZZZZEUO221221若Z1=Z-Z，Z2=Z+Z，可得 ZZEZZZZEUO221221傳感器與檢測技術

8、第三章 電感式傳感器三、轉換電路和傳感器靈敏度三、轉換電路和傳感器靈敏度3.調頻電路 LCf21LLfLCLCf2434.調相電路 RLarctan2LLRLRL212傳感器與檢測技術第三章 電感式傳感器三、轉換電路和傳感器靈敏度三、轉換電路和傳感器靈敏度（二）傳感器靈敏度（二）傳感器靈敏度 自感傳感器的靈敏度自感傳感器的靈敏度是指傳感器結構（測頭）和轉換電路綜合在一起的總靈敏度。 傳感器結構的靈敏度傳感器結構的靈敏度，即電感值相對變化與引起這一變化的銜鐵位移之比 0000012/2/LLLLKt轉換電路的靈敏度轉換電路的靈敏度，即空載輸出電壓與電感相對變化之比 2221112/)(11(11

9、12/QELLRRLLQjLLRRQQELLUKssssOc傳感器與檢測技術第三章 電感式傳感器三、轉換電路和傳感器靈敏度三、轉換電路和傳感器靈敏度 傳感器的靈敏度為EQQEKKKtc20021111121112 在工廠生產中測定的傳感器的靈敏度是把傳感器接入轉換電路后進行的，其單位為mv/(mV)。 傳感器與檢測技術第三章 電感式傳感器第一節第一節 自感式傳感器自感式傳感器四、影響傳感器精度的因素分析四、影響傳感器精度的因素分析1.電源電壓和頻率的波動影響 電源電壓的波動一般允許為5%10%。 嚴格對稱的交流電橋是能夠補償頻率波動影響的 2. 溫度變化的影響 為了補償溫度變化的影響，在結構設

10、計時要合理選擇零件的材料（注意各種材料的膨脹系數之間的配合），在制造和裝配工藝上應使差動式傳感器的兩只線圈的電氣參數（電阻、電感、匝數）和幾何尺寸盡可能取得一致。這樣可以在對稱電橋電路中能有效地補償溫度的影響。3. 非線性特性的影響 除了采用差動式結構之外，還必須限制銜鐵的最大位移量傳感器與檢測技術第三章 電感式傳感器四、影響傳感器精度的因素分析4.輸出電壓與電源電壓之間的相差 采用相敏整流電路，以及傳感器應有高Q值，一般Q值應不低于34 5.電橋的殘余不平衡電壓零點殘余電壓 零點殘余電壓產生的原因有： (1)差動式兩個電感線圈的電氣參數以及導磁體的幾何尺寸不可能完全對稱； (2)傳感器具有鐵

11、損即磁芯磁化曲線的非線性； (3)電源電壓中含有高次諧波； (4)線圈具有寄生電容，線圈與外殼、鐵芯間有分布電容； 零點殘余電壓的危害很大，會降低測量精度，削弱分辨力，易使放大器飽和。傳感器與檢測技術第三章 電感式傳感器四、影響傳感器精度的因素分析 減小零點殘余電壓的措施是減少電源中的諧波成分，減小電感傳感器的激磁電流，使之工作在磁化曲線的線性段。 為了消除電橋的零點殘余電壓，在差動電感電橋的電路中通常再接入兩只可調電位器，當電壓有零點殘余電壓時，可以反復調節兩只電位器，使電橋實現平衡。傳感器與檢測技術第三章 電感式傳感器第一節第一節 自感式傳感器自感式傳感器五、自感式傳感器的應用五、自感式傳

12、感器的應用傳感器與檢測技術第三章 電感式傳感器第二節第二節 互感式傳感器互感式傳感器 將被測量轉換為傳感器的互感變化量的傳感器稱為互互感傳感器感傳感器一、工作原理一、工作原理dtIdME1設 tjMeII11則111IMjeMIjdtIdMEtjM又111LjRUI111LjRUMjIMjEUO因此傳感器與檢測技術第三章 電感式傳感器第二節第二節 互感式傳感器互感式傳感器二、互感計算與特性分析二、互感計算與特性分析當鐵芯位于線圈中心位置時,U1=U2,UO=0;當次級開路時，初級線圈的交流電流為 111LjRuI次級線圈感應電勢為 1212IMjeIMjebbaa傳感器與檢測技術第三章 電感式

13、傳感器二、互感計算與特性分析差動變壓器的空載輸出電壓為112122)(LjRuMMjweeUbaO其幅值為 uLRMMUbaO2121)()(輸出阻抗為 )()(2222babaLLjRRZ(1)磁芯處于中間平衡位置時Ma=Mb=MUO=0 (2)磁芯上升時 Ma=M+M,Mb=M-M uLRMUO2121)(2(3)磁芯下降時Ma=M-M,Mb=M +M uLRMUO2121)(2傳感器與檢測技術第三章 電感式傳感器二、互感計算與特性分析輸出電壓還可以寫成MMeMMLRMuUsO021212)(2假設： (1)漏磁全部在動鐵芯范圍內，并忽略鐵芯端部效應 (2)忽略動鐵芯及外層鐵磁殼上的磁阻

14、(3) 設動鐵芯外徑近似為ri (4)鐵芯及磁屏蔽的磁導率為無窮大 傳感器與檢測技術第三章 電感式傳感器二、互感計算與特性分析)1 (2xkxUO)/ln()(121211112102rrhlhlINfNk21214hl如果用恒壓流供電，其線性度可以改善，此時有UxxlhlxhlhNNUO211212212112122343傳感器與檢測技術第三章 電感式傳感器二、互感計算與特性分析提高差動變壓器的靈敏度的途徑：(1)提高線圈的Q值，為此可增大差動變壓器的尺寸。一般線圈長度為直徑的1.5-2.0倍為恰當。(2)選擇較高的激勵頻率(3)增大鐵芯直徑，使其接近于線圈架內徑，但不觸及線圈架。二節式差動

15、變壓器的鐵芯長度為全長的60%-80%。鐵芯采用導磁率高，鐵損小，渦流損耗小的材料(4)在不使線圈過熱的條件下盡量提高激勵電壓。傳感器與檢測技術第三章 電感式傳感器第二節第二節 互感式傳感器互感式傳感器三、轉換電路三、轉換電路1 1反串電路反串電路uLRMeeUbaO212122)(22 2橋路橋路2)(22221222babbaOeeeRRReeU傳感器與檢測技術第三章 電感式傳感器第二節第二節 互感式傳感器互感式傳感器3 3差動整流電路差動整流電路bacdcdabSCUUUUU傳感器與檢測技術第三章 電感式傳感器第二節第二節 互感式傳感器互感式傳感器4相敏檢波電路相敏檢波電路 當差動變壓器

16、鐵芯在中間位置時，UCD=0若鐵芯上移， e0，設e和er同相， er正半周時, UCD=R0（i1-i2）0；er負半周時，UCD=R0（i4-i3）0 。當鐵芯下移時，e和er反相，同理可得UCD0 。Ri1e1R1R2e21e22C2C1er移相器D1D4D3D2CDABi3i2i4e傳感器與檢測技術第三章 電感式傳感器第二節第二節 互感式傳感器互感式傳感器四、零點殘余電壓的補償四、零點殘余電壓的補償產生零點殘余電壓的主要原因：產生零點殘余電壓的主要原因：（1）兩個繞組不能絕對對稱。（2）鐵芯的磁化曲線的非線性。消除零點殘余電壓的方法：消除零點殘余電壓的方法：1保證對稱性2選用合適的測量

17、線3用補償線路傳感器與檢測技術第三章 電感式傳感器第二節第二節 互感式傳感器互感式傳感器五、應用舉例五、應用舉例1 1、微壓力變送器、微壓力變送器將差動變壓器和彈性敏感元件（膜片、膜盒和彈簧管等）相結合，可以組成各種形式的壓力傳感器。傳感器與檢測技術第三章 電感式傳感器1. 微壓力變送器微壓力變送器 這種變送器可分檔測量(5(51051056 6105)N/m105)N/m2 2壓力，輸出信號電壓為(0(050)mV50)mV，精度為1.5級。 220VV振蕩器穩壓電源差動變壓器相敏檢波電路傳感器與檢測技術第三章 電感式傳感器五、應用舉例五、應用舉例 2. 2. 差動變壓器式加速度傳感器差動變

18、壓器式加速度傳感器 用于測定振動物體的頻率和振幅時其激磁頻率必須是振動頻率的十倍以上，才能得到精確的測量結果。可測量的振幅為(0.15)mm，振動頻率為(0150)Hz。 (a)加速度a方向1 彈性支承 2 差動變壓器穩壓電源振蕩器檢波器濾波器(b)220Va輸出21傳感器與檢測技術第三章 電感式傳感器五、應用舉例五、應用舉例3 3、液面高度測量、液面高度測量4 4、電感式滾柱直徑分選裝置電感式滾柱直徑分選裝置電感式滾柱直徑分選裝置電感式滾柱直徑分選裝置.exe傳感器與檢測技術第三章 電感式傳感器第三節第三節 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 渦流效應渦流效應 : :金屬導體置于變化著的磁場中，導

19、體內就會產生感應電流，這種電流像水中旋渦那樣在導體內轉圈，所以稱為電渦流或渦流。這種現象就稱為渦流效應。傳感器與檢測技術第三章 電感式傳感器第三節第三節 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 渦流穿透深度與傳感器線圈的激勵信號頻率有關fhr3 .50目前高頻反射式電渦流傳感器應用廣泛。根據激勵頻率不同分為 導體電阻率(m)；r 導體相對磁導率；f 交變磁場頻率(Hz)。傳感器與檢測技術第三章 電感式傳感器一、高頻反射式渦流傳感器線圈上通交變高頻電流線圈上通交變高頻電流線圈產生高頻交變磁場線圈產生高頻交變磁場產生高頻交變渦流產生高頻交變渦流渦流產生反磁場渦流產生反磁場阻礙線圈電流交換作用阻礙線圈電流交換

20、作用等效于等效于L或阻抗的改變或阻抗的改變傳感器與檢測技術第三章 電感式傳感器二、低頻透射式渦流傳感器 U U L L1 1 同頻交變電流同頻交變電流 產生一交變磁場產生一交變磁場 磁力線切割磁力線切割M M 產生渦流產生渦流I I 到達到達L L2 2的磁力線減的磁力線減少（無少（無M M時磁力線直接時磁力線直接貫穿貫穿L L2 2） E E的下降的下降 傳感器與檢測技術第三章 電感式傳感器三、等效電路三、等效電路02222121111ILjIRIMjUIMjILjIR12222222221222222221222222211)()(IMLRjRLLjRIMjILLRMLjRLRMRUI)(

21、)(22121221222222211LLRMLjRLRMRIEZ22222221)(RLRMRR22222221)(LLRMLLRLQ傳感器與檢測技術第三章 電感式傳感器四、轉換電路四、轉換電路 現在電渦流傳感器常用的測量電路有調幅電路，調頻電路，電橋電路和反饋放大電路幾種。 調幅電路又可分成恒定頻率的載波調幅電路和頻率變化載波調幅電路兩種。傳感器與檢測技術第三章 電感式傳感器四、轉換電路四、轉換電路 反饋放大電路反饋放大電路ZZKZKeU11傳感器與檢測技術第三章 電感式傳感器五、電渦流傳感器的應用五、電渦流傳感器的應用 位移位移x x的變化的變化 電量的變化電量的變化 可做成位移、振幅、

22、厚度等傳感器可做成位移、振幅、厚度等傳感器 電導率電導率 的變化的變化 電量的變化電量的變化 可做成表面溫度、電解質濃度、材質判別等可做成表面溫度、電解質濃度、材質判別等 磁導率磁導率 的變化的變化 電量的變化電量的變化 可做成應力、硬度等傳感器可做成應力、硬度等傳感器 x x、 、 的綜合影響的綜合影響 可做成材料探傷裝置可做成材料探傷裝置 傳感器與檢測技術第三章 電感式傳感器1 1、位移測量、位移測量 渦流位移計渦流位移計傳感器與檢測技術第三章 電感式傳感器2 2、振幅測量、振幅測量 渦流振幅計渦流振幅計3 3、厚度測量、厚度測量傳感器與檢測技術第三章 電感式傳感器4 4、轉速測量、轉速測

23、量 渦流轉速計渦流轉速計傳感器與檢測技術第三章 電感式傳感器5、溫度測量 = = 0 01+1+ (t-t(t-t0 0) 保持其它條件不變，則保持其它條件不變，則t t變化變化 變化變化 輸出電壓變化輸出電壓變化可測鋼材壓延時壓滾溫度，液、可測鋼材壓延時壓滾溫度，液、氣態介質溫度，且測溫時有一氣態介質溫度，且測溫時有一個很大的特點是熱慣性小（約個很大的特點是熱慣性小（約0.001s），動態響應好，能做），動態響應好，能做快速測溫工作。快速測溫工作。傳感器與檢測技術第三章 電感式傳感器傳感器與檢測技術第三章 電感式傳感器接近開關應用實例一接近開關應用實例一傳感器與檢測技術第三章 電感式傳感器接近開關應用實例二接近開關應用實例二傳感器與檢測技術第三章 電感式傳感器總結總結傳感元件傳感元件或傳感器或傳感器原始原始輸入量輸入量變換變換原理原理物理物理現象現象能量能量關系關系輸出量輸出量變磁阻式變磁阻式位移位移電磁電磁感應感應結構型結構型控制型控制型自感自感系數系數差動差動變壓器式變壓器式位移位移電磁電磁感應感應結構型結