傳感器與檢測(cè)技術(shù)課件第二章第1頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月四、電感式位移傳感器示例第2頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月四、電感式位移傳感器電感式位移傳感器是將被測(cè)物理量的位移轉(zhuǎn)化為自感L，互感M的變化，并通過測(cè)量電感量的變化確定位移量。電感式位移傳感器的主要類型有：自感式、互感式、渦流式和壓磁式等第3頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月存在交流零位信號(hào)，頻率響應(yīng)低，不宜于高頻動(dòng)態(tài)測(cè)量。①結(jié)構(gòu)簡單、可靠，輸出功率大、輸出阻抗小、抗干擾能力強(qiáng)、對(duì)工作環(huán)境要求不高、分辨力較高（如在測(cè)量長度時(shí)一般可達(dá)0.1μm）、示值誤差一般為示值范圍的0.1%~0.5%、穩(wěn)定性好。

四、電感式位移傳感器特點(diǎn)：缺點(diǎn)第4頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）自感式電感位移傳感器1.工作原理與結(jié)構(gòu)自感式位移傳感器由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料制成。自感式傳感器是把被測(cè)量變化轉(zhuǎn)換成自感L的變化，通過一定的轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓或電流輸出。在纏繞在鐵心上的線圈中通以交變電流i，產(chǎn)生磁通Φm,形成磁通回路。第5頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）自感式電感位移傳感器1.工作原理與結(jié)構(gòu)磁通與電流之間的關(guān)系第6頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）自感式電感位移傳感器1.工作原理與結(jié)構(gòu)磁阻Rm在本例中包括三部分，鐵芯、銜鐵和氣隙中的磁阻。式（2-21）式（2-22）第7頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）自感式電感位移傳感器1.工作原理與結(jié)構(gòu)式（2-21）式（2-22）代入第8頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）自感式電感位移傳感器1.工作原理與結(jié)構(gòu)考慮到鐵心與銜鐵磁路由若干部分組成：當(dāng)鐵芯的結(jié)構(gòu)和材料確定后，式中分母第一項(xiàng)為常數(shù)，此時(shí)自感L是氣隙厚度δ和氣隙磁通截面積S0的函數(shù)。自感式位移傳感器可分為變氣隙型、變面積型和螺管型。第9頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月變氣隙型自感傳感器——如果S0保持不變，則L為δ的單值函數(shù)，可構(gòu)成變氣隙型自感傳感器（一）自感式電感位移傳感器1.工作原理與結(jié)構(gòu)第10頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月變面積型自感傳感器——如果保持δ不變，使S0隨位移而變，則可構(gòu)成變面積型自感傳感器；（一）自感式電感位移傳感器1.工作原理與結(jié)構(gòu)第11頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月螺線管型自感傳感器——如果在線圈中放入圓柱形銜鐵，當(dāng)銜鐵上下移動(dòng)時(shí)，自感量將相應(yīng)變化，就構(gòu)成了螺線管型自感傳感器。（一）自感式電感位移傳感器1.工作原理與結(jié)構(gòu)第12頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月輸出特性：L與δ之間是非線性關(guān)系，特性曲線如下圖變氣隙式電壓傳感器的L-δ特性變氣隙型自感傳感器第13頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月分析：當(dāng)銜鐵處于初始位置時(shí)，初始電感量為當(dāng)銜鐵上移Δδ時(shí)，傳感器氣隙減小Δδ，即δ=δ0－Δδ，則此時(shí)輸出電感為變氣隙型自感傳感器第14頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)Δδ/δ0<<1時(shí)：可求得電感增量ΔL和相對(duì)增量ΔL/L0的表達(dá)式，即變氣隙型自感傳感器第15頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)上式作線性處理，即忽略高次項(xiàng)后，可得靈敏度為可見：變間隙式電感傳感器的線性度差，示值范圍窄（測(cè)量范圍），自由行程小，但在小位移下靈敏度高，因此變隙式電感式傳感器適用于測(cè)量微小位移的場(chǎng)合。為了減小非線形誤差，實(shí)際中廣泛采用差動(dòng)變隙式電感傳感器第16頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月差動(dòng)變隙式電感傳感器

1-鐵芯；2-線圈；3-銜鐵當(dāng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí)，兩個(gè)線圈的電感變化量ΔL1、ΔL2

差動(dòng)式電感傳感器的結(jié)構(gòu)要求是：兩個(gè)導(dǎo)磁體的幾何尺寸完全相同，材料性能完全相同；兩個(gè)線圈的電氣參數(shù)（如電感、匝數(shù)、直流電阻、分布電容等）和幾何尺寸也完全相同。第17頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月差動(dòng)變隙式電感傳感器

當(dāng)銜鐵隨被測(cè)量移動(dòng)而偏離中間位置時(shí)，兩個(gè)線圈的電感量一個(gè)增加，一個(gè)減小，形成差動(dòng)形式。假設(shè)銜鐵上移，則總的電感變化量為：第18頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月差動(dòng)變隙式電感傳感器

為非差動(dòng)式電感傳感器的兩倍第19頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月圖3-4差動(dòng)自感傳感器的輸出特性示意圖差動(dòng)自感傳感器的輸出特性示意圖如圖所示。第20頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月差動(dòng)式與單線圈相比優(yōu)點(diǎn)：①線性度好；②靈敏度提高一倍，即銜鐵位移相同時(shí)，輸出信號(hào)大一倍；③溫度變化、電源波動(dòng)、外界干擾等對(duì)傳感器精度的影響，由于能互相抵消而減小；④電磁吸力對(duì)測(cè)力變化的影響也由于能相互抵消而減小。第21頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月氣隙長度不變，鐵心與銜鐵之間相對(duì)覆蓋面積隨被測(cè)量的變化面而改變，從而導(dǎo)致線圈的電感量發(fā)生變化。靈敏度低，線性較好，量程較大，使用比較廣泛。變面積型電感傳感器第22頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月螺管型電感傳感器銜鐵隨被測(cè)對(duì)象移動(dòng)，線圈磁力線路徑上的磁阻發(fā)生變化，線圈電感量也因此而變化。線圈電感量的大小與銜鐵插入線圈的深度有關(guān)。靈敏度較低，量程大，結(jié)構(gòu)簡單易于制作和批量生產(chǎn)，是使用最廣泛的一種電感式傳感器。第23頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）損耗問題2.在改善電感位移傳感器性能要考慮的因素電感線圈、銜鐵系統(tǒng)在高頻電流激勵(lì)下工作必然存在功率損耗。主要損耗有：一是線圈，除具有電感L外，還存在著電阻Rc和分布電容C，會(huì)引起銅損和無功功率；二是鐵心，由于交變磁場(chǎng)，使鐵心中產(chǎn)生渦流，可等效為一個(gè)電阻Re的損耗。另外鐵心中還存在磁滯現(xiàn)象，也可等效為一個(gè)電阻Rh造成的損耗，它是頻率f的函數(shù)。第24頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）氣隙邊緣效應(yīng)的影響2.在改善電感位移傳感器性能要考慮的因素由于一些自感位移傳感器中有工作氣隙，而使磁路磁通在此處周圍有散失和彎曲，使導(dǎo)磁有效面積下降，輸出特性有所變化，需要加以修正。（3）溫度誤差工作溫度的變化同樣會(huì)引起傳感器的機(jī)械參數(shù)和電參數(shù)的變化，從而形成溫度誤差，也需加以補(bǔ)償。第25頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）差動(dòng)式電感位移傳感器的零點(diǎn)剩余電壓問題2.在改善電感位移傳感器性能要考慮的因素由于制造中的各種因素，如繞組尺寸、所選材料和安裝等，使銜鐵處于中央初始位置時(shí)，兩路感生電壓的幅值或相位不等，輸出電壓不為零；或是在調(diào)整時(shí)，對(duì)工作電流的基頻可調(diào)到平衡，但對(duì)高次諧波難以調(diào)到平衡，這些都會(huì)造成零位輸出誤差。所以對(duì)于差動(dòng)電感位移傳感器，要求在制造中無論實(shí)在機(jī)械上，還是電氣上，都應(yīng)兩路對(duì)稱，在使用時(shí)后續(xù)電路上需采取補(bǔ)償措施。第26頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月課堂練習(xí)第27頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月1、自感式位移傳感器可分為變氣隙型、變面積型和（）。螺線管型2、改善電感式位移傳感器的性能時(shí)需要考慮哪些因素？（1）損耗問題電感線圈、銜鐵系統(tǒng)在高頻電流激勵(lì)下工作必然存在功率損耗。主要損耗有線圈和鐵心。（2）氣隙邊緣效應(yīng)的影響（3）溫度誤差（4）差動(dòng)式電感位移傳感器的零點(diǎn)剩余電壓問題第28頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

互感式位移傳感器是利用電磁原理，將被測(cè)位移量的變化轉(zhuǎn)換為線圈互感系數(shù)的變化，這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，故又稱變壓器式位移傳感器。（二）互感式位移傳感器——差動(dòng)變壓器第29頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：

式中M——互感系數(shù)（H)——M的大小與兩線圈之間相對(duì)位置以及周圍介質(zhì)的導(dǎo)磁能力等因素有關(guān)。

表明：兩線圈之間的耦合程度；工作原理線圈1為一次側(cè)線圈，線圈2為二次側(cè)線圈，當(dāng)一次側(cè)通過交流電流時(shí)，在二次側(cè)上將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)兩者間的互感量變化時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也相應(yīng)變化。（二）互感式位移傳感器——差動(dòng)變壓器第30頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月互感位移傳感器常采用差動(dòng)形式，即兩個(gè)二次線圈采用差動(dòng)接法，故又稱為差動(dòng)變壓器式位移傳感器。差動(dòng)變壓器式位移傳感器差動(dòng)變壓器式位移傳感器有變隙式、變面積式和螺管式等。非電量測(cè)量中，應(yīng)用最多的是螺管式差動(dòng)變壓器，它可以測(cè)量范圍內(nèi)的機(jī)械位移，并具有測(cè)量精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)（二）互感式位移傳感器——差動(dòng)變壓器第31頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月(e)、(f)變截面式差動(dòng)變壓器(a)、(b)變間隙式差動(dòng)變壓器(c)、(d)螺線管式差動(dòng)變壓器第32頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月螺管式差動(dòng)變壓器位移傳感器E1E2E0（二）互感式位移傳感器——差動(dòng)變壓器第33頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月——傳感器主要由線圈、鐵芯和活動(dòng)銜鐵三部分組成?！€圈包括一個(gè)初級(jí)線圈1和2個(gè)次級(jí)線圈2,3組成，兩個(gè)次級(jí)線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)完全相同，兩個(gè)次級(jí)線圈2,3反極性串接?！€圈中心插入導(dǎo)磁性極好的圓形鐵心4.1.結(jié)構(gòu)（二）互感式位移傳感器——差動(dòng)變壓器螺管式差動(dòng)變壓器位移傳感器第34頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)初級(jí)線圈輸入交流激勵(lì)電壓時(shí)，兩個(gè)二次側(cè)線圈將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E1和E2由于兩個(gè)次級(jí)線圈反接，因此傳感器的輸出電壓為兩者之差。2.工作原理螺管式差動(dòng)變壓器位移傳感器第35頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)鐵心處于零位時(shí)，即中間對(duì)稱位置時(shí)（鐵心的原始平衡位置）當(dāng)鐵心偏離零位向上移動(dòng)時(shí)由于磁阻的影響，上面線圈中的磁通將大于下面線圈中的磁通，所以2.工作原理螺管式差動(dòng)變壓器位移傳感器第36頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

當(dāng)鐵心偏離零位向下移動(dòng)時(shí)2.工作原理螺管式差動(dòng)變壓器位移傳感器第37頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

差動(dòng)變壓器式傳感器輸出需要接相敏檢波電路——當(dāng)鐵心偏離零位上下移動(dòng)時(shí)，移動(dòng)的距離和方向的信息，可以反映在二次側(cè)線圈輸出電動(dòng)勢(shì)E0的幅值和相位中?！顒?dòng)變壓器式傳感器輸出的電壓是交流電壓量，如用交流電壓表測(cè)量，則輸出值只能反映鐵心位移的大小，而不能反映移動(dòng)的方向，因此需要將E0進(jìn)行放大和相敏檢波才能得到被測(cè)位移x的大小和方向。2.工作原理螺管式差動(dòng)變壓器位移傳感器第38頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

——交流電壓輸出存在一定的零點(diǎn)殘余電壓?！涣麟妷狠敵龃嬖谝欢ǖ牧泓c(diǎn)殘余電壓。鐵心處于零位時(shí)，很難做到E1與E2在幅值、相位、諧波成分上完全相等，實(shí)際上E0≠0，此時(shí)輸出電壓E’0稱為零點(diǎn)殘余電壓。零點(diǎn)殘余電壓可能造成誤差，使后級(jí)放大電路飽和。因此應(yīng)設(shè)法消除和減小零點(diǎn)殘余電壓E’0——產(chǎn)生零點(diǎn)殘余電壓的原因是由于兩個(gè)次級(jí)線圈的結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，以及初級(jí)線圈銅損電阻的存在、鐵磁材質(zhì)不均勻、線圈間分布電容等因素形成的，因此后接電路采用相敏檢波電路。這樣既能反應(yīng)鐵心位移極性，又能補(bǔ)償零點(diǎn)殘余電壓的差動(dòng)直流輸出電路螺管式差動(dòng)變壓器位移傳感器第39頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月差動(dòng)變壓器相敏檢波電路（見P22，圖2-18）～移相器RP當(dāng)鐵心處于中間位置時(shí)，調(diào)節(jié)電阻Rp可以使零點(diǎn)殘余電壓減小。第40頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月差動(dòng)變壓器式電感位移傳感器的優(yōu)點(diǎn)：差動(dòng)變壓器式電感位移傳感器測(cè)量精度高，分辨力可達(dá)0.1μm,線性范圍大，有的能達(dá)到250mm,穩(wěn)定性好，使用方便。這種傳感器廣泛用于直線位移、角位移以及可轉(zhuǎn)換成位移的其他機(jī)械量，如壓力、重量、膨脹等。第41頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月總結(jié)傳感元件或傳感器原始輸入量變換原理物理現(xiàn)象能量關(guān)系輸出量差動(dòng)變壓器式位移電磁感應(yīng)結(jié)構(gòu)型控制型互感系數(shù)第42頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月課堂練習(xí)第43頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月1、利用差動(dòng)變壓器式位移傳感器進(jìn)行位移測(cè)量時(shí)，為辨別物體的移動(dòng)方向，處理電路中必須有的環(huán)節(jié)是（測(cè)一）A.濾波B.放大C.整流D.相敏檢波2、簡述互感式位移傳感器的優(yōu)點(diǎn)。（模擬一）第44頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月電渦流式傳感器的工作原理塊狀金屬置于變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，金屬體內(nèi)都要產(chǎn)生感應(yīng)電流，在金屬體內(nèi)自己閉合，所以稱之為電渦流或渦流，這種現(xiàn)象稱為渦流效應(yīng)。渦流式位移傳感器是利用電渦流效應(yīng)，將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為傳感器線圈阻抗Z的變化的一種裝置。（三）渦流式位移傳感器第45頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月渦流成塊的金屬物體置于變化著的磁場(chǎng)中，或者在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，在金屬導(dǎo)體中會(huì)感應(yīng)出一圈圈自相閉合的電流，這就是渦流。

高頻反射式渦流傳感器—自感型低頻透射式渦流傳感器—互感型根據(jù)激勵(lì)頻率不同分為第46頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月渦流的大小與金屬體的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ、厚度t以及線圈與金屬體的距離x、線圈的激勵(lì)電流強(qiáng)度i,角頻率ω等有關(guān)。如果固定其中某些參數(shù)，就能由電渦流的大小測(cè)量出另外一些參數(shù)。渦流位移傳感器在金屬體上產(chǎn)生的渦流，其滲透深度與傳感器線圈的激勵(lì)電流的頻率有關(guān)，所以渦流位移傳感器主要分為高頻反射和低頻透射兩類，前者應(yīng)用較廣泛。（三）渦流式位移傳感器通常把渦流密度減少到離開表面1/e處（e=2.172）的深度叫做標(biāo)準(zhǔn)滲透深度。它大約是電渦流密度減少到36.8%處的深度，用δ來表示。第47頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月Z=F(x)

渦流式位移傳感器就是根據(jù)上述原理制成的當(dāng)電源頻率f、線圈激勵(lì)電流強(qiáng)度I、線圈尺寸參數(shù)、金屬導(dǎo)體的電阻率ρ等參數(shù)一定時(shí)，Z是位移x的單值函數(shù)。（三）渦流式位移傳感器第48頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月一、高頻反射式渦流傳感器線圈上通交變高頻電流線圈產(chǎn)生高頻交變磁場(chǎng)產(chǎn)生高頻交變渦流渦流產(chǎn)生反磁場(chǎng)阻礙線圈電流交換作用L的等效阻抗的改變第49頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月一、高頻反射式渦流傳感器線圈上通交變高頻電流線圈產(chǎn)生高頻交變磁場(chǎng)產(chǎn)生高頻交變渦流渦流產(chǎn)生反磁場(chǎng)阻礙線圈電流交換作用L的等效阻抗的改變第50頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月——這種傳感器采用低頻激勵(lì)，因而有較大的貫穿深度，適合于測(cè)量金屬材料的厚度?！獋鞲衅靼òl(fā)射線圈和接收線圈，并分別位于被測(cè)材料上、下方。由振蕩器產(chǎn)生的低頻電壓u1加到發(fā)射線圈L1兩端，于是在接收線圈L2兩端將產(chǎn)