1、傳感器原理及應用2014年4月29日Principles and Applications of Transducer機械與汽車工程學院機械與汽車工程學院 主主 講：黃海鴻講：黃海鴻 電電 郵：郵： 地地 址：機械樓址：機械樓417室室1第四章 電感式傳感器n原理：應用電磁感應原理，將被測非電量（如：位移、壓力、應變、流量等）轉換成電感量的變化，包括自感和互感的變化，然后通過測量電路轉換成電壓或電流形式輸出，實現非電量測量的一種裝置。n電感：在通過一定數量變化電流的情況下，線圈產生自感電動勢的能力，稱為線圈的電感量，即電感。n自感：當線圈中有電流通過時，線圈的周圍就會產生磁場。當線圈中電流發生

2、變化時，其周圍的磁場也產生相應的變化，此變化的磁場可使線圈自身產生感應電動勢。n互感：兩個電感線圈相互靠近時，一個電感線圈的磁場變化將影響另一個電感線圈，稱為互感，其大小取決于電感線圈的自感與兩個電感線圈耦合的程度。2電磁感應n1820年，奧斯特發現電流的磁效應n法拉第發現電磁感應原理(1831年)n變化的磁場可以使線圈產生感應電流n一個線圈電流變化，可以使另一個線圈產生感應電流。 導電線圈中的感應電動勢與穿過線圈的磁通量的變化率成正比：e = d / d t磁棒3電感式傳感器的類型n按工作原理分類n自感應原理：自感式電感傳感器n互感應原理：互感式電感傳感器n按結構分類n閉合磁路結構整個閉合磁

3、路都由磁性材料組成，環形磁芯就是典型的閉磁路 n開磁路結構磁路中有明顯的空氣間隙，簡稱氣隙，如U型永磁體 4本章主要內容n第一節 自感式傳感器n第二節 差動變壓器n第三節 電渦流式傳感器n第四節 電感式傳感器應用n第五節 電渦流式傳感器應用54.1 自感式傳感器n基本原理n由線圈、鐵心和銜鐵等組成。當銜鐵隨被測量變化而上、下移動時，鐵心氣隙、磁路磁阻隨之變化，引起線圈電感量的變化，然后通過測量電路轉換成與位移成比例的電量，實現了非電量到電量的變換n線圈電感： L = N2 / Rm 式中，N線圈匝數； Rm磁路總磁阻特點：是一個具有可變氣隙的鐵心線圈！磁阻：磁路中的一個與電路中的電阻相對應的物

4、理量 64.1 自感式傳感器n基本原理n磁路總磁阻Rm的組成 Rm = R1 + R2 + Rn當氣隙較小（一般空氣隙總長l為0.11mm）時，可以認為氣隙磁場呈均勻分布，用空氣隙磁阻R代替總磁阻Rm，則線圈電感： L N2 / R = N20S / l 式中，0真空磁導率；S氣隙磁通截面積；N線圈匝數。R1R274.1 自感式傳感器n氣隙型電感傳感器原理n特性曲線電感：L = f(S, l)式中，l空氣隙總長， S氣隙磁通截面積。0000201)(2LANLLL84.1 自感式傳感器n變隙式氣隙型電感傳感器n當空氣間隙l在正反兩個方向變化不同的間隙l時，電感的變化量L具有不對稱性n變間隙式電

5、感傳感器的測量范圍與靈敏度及線性度相矛盾，只適用于微小位移量的檢測： l/2 = 0.10.5mm，l = (0.10.2) l/2l l l ll l94.1 自感式傳感器n變隙式氣隙型電感傳感器n靈敏度系數：KL = L0 / ln相對非線性誤差：L = | l / l |n提高傳感器特性（靈敏度、非線性）的方法： 采用差動式 l/2 = 2mm左右， l = (0.10.2) l/2sUL1L2RoRooU122131鐵芯；2線圈；3銜鐵1.鐵心;2.線圈;3.銜鐵。104.1 自感式傳感器n變面積式氣隙型電感傳感器n氣隙長度l保持不變，令磁通截面積S隨被測量變化而變化。n線性度較好，但

6、靈敏度仍然較低。n由于受到工藝和結構的限制，欲增大測量范圍，可采用螺管型電感傳感器。L N2 / R = N20S / l 線圈線圈鐵芯鐵芯銜鐵銜鐵銜鐵移動方向銜鐵移動方向11n變面積式氣隙型電感傳感器輸出特性4.1 自感式傳感器124.1 自感式傳感器n螺管型電感傳感器n由螺管線圈、圓柱形鐵心和磁性套筒等組成。n隨著鐵心插入深度的不同，將引起線圈泄漏路徑中磁阻變化，從而使螺管線圈的電感發生變化。當用恒流源激勵時，線圈的輸出電壓與鐵心的位移量有關。鐵心134.1 自感式傳感器n單螺管線圈型電感傳感器n螺管線圈內磁場強度：n由于螺管長度l有限，軸向磁場分布是不均勻的。如果l r，在x = l/2

7、附近：n當鐵心長度lc 1 MHz) 激勵電流，產生的高頻磁場作用于金屬板的表面，在金屬板表面將形成渦電流。該渦流產生的交變磁場又反作用于線圈，引起線圈自感 L 或阻抗 Z 的變化，其變化與距離 、金屬板的電阻率、磁導率、激勵電流 I ，及角頻率等有關。若只改變距離而保持其他系數不變，則可將位移的變化轉換為線圈自感的變化。高頻反射式渦流傳感器多用于位移測量。244.3 電渦流式傳感器n低頻透射式電渦流傳感器n主要由發射線圈、接收線圈組成，并分別位于被測材料上、下方。由振蕩器產生的低頻電壓u1加到發射線圈L1兩端，于是在接收線圈L2兩端將產生感應電壓u2，它的大小與u1的幅值、頻率以及兩個線圈的

8、匝數、結構和兩者的相對位置有關。n采用低頻激勵，因而有較大的貫穿深度，適合于測量金屬材料的厚度。254.3 電渦流式傳感器n低頻透射式電渦流傳感器n在兩個線圈之間設置一金屬板，由于在金屬板內產生電渦流，該電渦流消耗了部分能量，使到達線圈L2的磁力線減小，從而引起u2的下降。金屬板厚度越大，電渦流損耗越大，u2就越小。可見u2的大小間接反映了金屬板的厚度。進行厚度測量時，激勵頻率應選得進行厚度測量時，激勵頻率應選得低點。頻率太高，貫穿深度小于被低點。頻率太高，貫穿深度小于被測厚度，不利進行厚度測量，通常測厚度，不利進行厚度測量，通常選選1kHz左右。一般地說，測薄金左右。一般地說，測薄金屬板時，

9、頻率應略高些；測厚金屬屬板時，頻率應略高些；測厚金屬板時，頻率應低些。板時，頻率應低些。26n利用電渦流法測板材厚度，已知激勵電源頻率利用電渦流法測板材厚度，已知激勵電源頻率f = 1 MHz，被測材料相對磁導率，被測材料相對磁導率r = 1，電阻率，電阻率= 2.9 * 10-6 cm，被測板厚為（，被測板厚為（10.2）mm。要求。要求: (1) 計算采用高頻反射法測量時，渦流穿透深度計算采用高頻反射法測量時，渦流穿透深度h = ？(2) 能否用低頻透射法測板厚？需要采取什么措施？能否用低頻透射法測板厚？需要采取什么措施？ - cmf Hzh - cm274.4 電感式傳感器應用n主要用于

10、測量微位移，凡是能轉換成位移量變化的參數，如力、壓力、壓差、加速度、振動、應變、流量、厚度、液位等，都可以用電感式傳感器來進行測量n測位移：測頭的測端與被測件接觸，被測件的微小位移使銜鐵在差動線圈中移動，線圈的電感值將產生變化，這一變化量通過引線接到交流電橋，電橋的輸出電壓就反映被測件的位移變化量。28u電感式傳感器的優點電感式傳感器的優點 結構簡單、可靠結構簡單、可靠 分辨率高分辨率高 機械位移機械位移0.1m0.1m，甚至更小；角位移，甚至更小；角位移0.10.1角秒。角秒。 輸出信號強，電壓靈敏度可達數百輸出信號強，電壓靈敏度可達數百mV/mm mV/mm 。 重復性好，線性度優良重復性

11、好，線性度優良 在幾十在幾十mm到數百到數百mmmm的位移范圍內，輸出特性的線性度較好，的位移范圍內，輸出特性的線性度較好，且比較穩定。且比較穩定。 能實現遠距離傳輸、記錄、顯示和控制能實現遠距離傳輸、記錄、顯示和控制u電感式傳感器的不足電感式傳感器的不足 存在交流零位信號，不宜高頻動態測量。存在交流零位信號，不宜高頻動態測量。 4.4 電感式傳感器應用294.4 電感式傳感器應用n電感式位移傳感器induNCDT系列位移傳感器：主要用于位移、振動、轉速測量。傳感器的前置放大器被集成安裝在傳感器殼體里，其輸出信號與測量位移成正比。在傳感器測量量程內線性精度優于2。304.4 電感式傳感器應用n

12、電感式位移傳感器主要技術指標：測量范圍：10.0mm； 響應時間：3ms； 精度等級：1.0%； 工作溫度：-2575； 工作電源：220V AC 314.4 電感式傳感器應用n測量液位沉筒式液位計由于液位的變化，沉筒所受浮力也將產生變化，這一變化轉變成銜鐵的位移，從而改變差動變壓器的輸出電壓，輸出值反映了液位的變化值。324.4 電感式傳感器應用n測量厚度334.4 電感式傳感器應用n變隙型電感式壓力傳感器n當壓力進入膜盒時，膜盒的頂端在壓力當壓力進入膜盒時，膜盒的頂端在壓力P P的作用下，產生與壓力的作用下，產生與壓力P P大小成正大小成正比的位移，于是銜鐵也發生移動，從而使氣隙發生變化，

13、流過線圈的電流比的位移，于是銜鐵也發生移動，從而使氣隙發生變化，流過線圈的電流也發生相應的變化，電流表也發生相應的變化，電流表A A的指示值就反映了被測壓力的大小。的指示值就反映了被測壓力的大小。PA344.4 電感式傳感器應用n變隙型差動電感式壓力傳感器n當被測壓力P進入C形彈簧管時，彈簧管產生變形，自由端發生位移，帶動與其相連接的銜鐵運動，使線圈1、2中的電感發生大小相等、符號相反的變化，即一個電感量增大，另一個電感量減小。電感的變化通過電橋電路轉換成電壓輸出，輸出電壓與被測壓力之間成比例關系。線圈1C形彈簧管調機械零點螺釘線圈2銜鐵輸出P35將差動變壓器和彈性敏感元件（膜片、膜盒和彈簧管

14、等）相結合，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。可以組成各種形式的壓力傳感器。220VV振蕩器穩壓電源差動變壓器相敏檢波電路這種變送器可分檔測量(51056105)N/m2壓力，輸出信號電壓為(050)mV，精度為1.5級。 364.4 電感式傳感器應用n測量振動、加速度差動變壓器式加速度傳感器，用于測定振動物體的頻率和振幅。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。1 彈性支撐； 2 差動變壓器374.5 電渦流式傳感器應用n可以測量各種形狀金屬零件的動態位移，測量

15、范圍可以為015m，分辨率為0.05m；或是0500mm，分辨率可達0.1%。可用于測量汽輪機主軸的軸向竄動、金屬件的熱膨脹系數、鋼水液位、紗線張力、流體壓力等。n可無接觸地測量各種振動的幅值，如用來監控汽輪機主軸的徑向振動。在研究軸的振動時可以用多個傳感器測量出軸的振動形狀。384.5 電渦流式傳感器應用n高頻反射型、低頻透射型電渦流傳感器均可用于測量厚度394.5 電渦流式傳感器應用n金屬零件計數器 404.5 電渦流式傳感器應用n安檢門n內部有若干個發射線圈和若干個接收線圈，均用環氧樹脂澆灌、密封在門框內。計算機根據感應電壓的大小、相位來判定金屬物體的大小，并發出報警信號。 “軟x光”掃

16、描儀 414.5 電渦流式傳感器應用n接近開關n屬于開關量輸出的位置傳感器，由LC高頻振蕩器和放大處理電路組成，利用金屬物體在接近這個能產生電磁場的振蕩感應頭時，使物體內部產生渦流。這個渦流反作用于接近開關，使接近開關振蕩能力衰減，內部電路的參數發生變化，由此識別出有無金屬物體接近，進而控制開關的通斷。接近開關所能檢測的物體必須是金屬物體。自動線上常用接近開關來感知工件是否到位，從而控制生產。 42載有交變電流的線圈產載有交變電流的線圈產生交變磁場生交變磁場Hp，金屬物平，金屬物平面感應出電渦流，產生交面感應出電渦流，產生交變渦流磁場變渦流磁場Hs ，均在檢，均在檢測線圈（反向差動線圈）測線圈

17、（反向差動線圈）中產生感應電動勢。中產生感應電動勢。無損金屬材料探傷無損金屬材料探傷金屬物交流電流激勵線圈檢測線圈pH交變磁通sH 被測金屬物上無缺陷被測金屬物上無缺陷穿過檢測線圈的兩個線穿過檢測線圈的兩個線圈的磁通量相等，感應電圈的磁通量相等，感應電勢相互抵消，輸出為零。勢相互抵消，輸出為零。4.5 電渦流式傳感器應用43 被測金屬物上有缺陷被測金屬物上有缺陷穿過兩個檢測線圈的磁穿過兩個檢測線圈的磁通量不相等，檢測線圈輸通量不相等，檢測線圈輸出感應電勢不為零。出感應電勢不為零。金屬物交流電流激勵線圈檢測線圈pH交變磁通sH裂紋裂紋信號干擾信號幅值甄別電路信號幅值甄別電路信號裂紋信號處理后幅值甄別電路信號處理后幅值甄別電路信號4.5 電渦流式傳感器應用無損金屬材料探傷無損金屬材料探傷44附：R、C、L