第4章 电感式传感器与振动检测（课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（人民邮电版）

第4章 电感式传感器与振动检测 【教学目标】 掌握电感式传感器的工作原理 了解电感式传感器的分类及各自的特点 掌握电感式传感器的测量电路 了解电感传感器的应用 【教学重点】 电感式传感器的工作原理 电感式传感器的测量电路 【教学难点】 电感式传感器的典型应用 【主要内容】 自感式传感器 互感式传感器 电涡流式传感器 第4章 电感式传感器与振动检测 4.1 自感式传感器 自感传感器的结构和工作原理 自感式传感器是把被测量的变化转换成自感的变化，通过一定的转换电路转换成电压或电流输出。 自感式传感器有变间隙型、变面积型和螺管型三种。 自感式传感器由线圈、铁心和衔铁三部分组成。 4.1 自感式传感器 自感传感器的工作原理 根据电感的定义可写出电感值表达式为： 式中： Ψ—线圈总磁链； I—通过线圈的电流； W—线圈的匝数； Φ—穿过线圈的磁通。 4.1 自感式传感器 自感传感器的工作原理 又有： 式中：F —磁动势； Rm —磁阻，因为气隙较小(为0.1～1mm)，所以，认为气隙磁场是均匀的，若忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为： 式中： Li —各段导磁体的长度；μi—各段导磁体的磁导率； Si —各段导磁体的截面积；μ0—真空磁导率，μ0=4π×10-7H／m；S0—空气隙截面积。 4.1 自感式传感器 自感传感器的工作原理 导磁体的磁导率远大于空气磁导率，即气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻，因此有： 结论： 电感值与以下几个值有关：与线圈匝数平方成正比，与空气隙有效截面积成正比，与空气隙长度成反比。 4.1 自感式传感器 变间隙型电感式传感器 灵敏度计公式为： 其中， L0为初始电感值，l0为气隙厚度。 结论： 气隙厚度与电感L呈反比关系。 灵敏度与初始气隙厚度有关，呈非线性； 测量范围与灵敏度及线性度相矛盾，因此变隙式电感式传感器适用于测量微小位移的场合。 4.1 自感式传感器 变面积型电感式传感器 自感值的大小和磁通截面积S0成正比。 灵敏度为： k是个常数，所以是线性的。 但是由于漏感等原因，其线性区范围较小，灵敏度也较低，因此，在工业中应用得不多。 4.1 自感式传感器 螺管型电感式传感器 对于长螺管线圈 l >> r，当衔铁工作在螺管的中部时，可以认为线圈内磁场强度是均匀的，线圈电感量L与衔铁的插入深度 l 大致上成正比。 这种传感器结构简单，制作容易，灵敏度较低，适用于测量较大的位移量。 l r x 2 ra 线圈 衔铁 4.1 自感式传感器 差动电感传感器 两个相同的传感器线圈共用同一个衔铁，构成差动式电感传感器，这样可以提高传感器的灵敏度，减小测量误差。 (a)差分变气隙式 （b）差分变面积式 （c）差分螺管式 4.1 自感式传感器 2 自感传感器的测量电路 交流电桥式测量电路 输出电压： 当衔铁上移时： 当衔铁下移时： 4.1 自感式传感器 2 自感传感器的测量电路 交流变压器式电桥 当衔铁上移时： 当衔铁下移时： 4.1 自感式传感器 3 自感传感器的典型应用 变气隙式差动电感压力传感器 4.1 自感式传感器 3 自感传感器的典型应用 轴向式电感测微器 最小量程可达3μm。 图中： 1—引线电缆， 2—固定磁筒， 3—衔铁 ， 4—线圈 5—测力弹簧 ， 6—防转销 ， 7—钢球导轨（直线轴承） ， 8—测杆 ， 9—密封套 ， 10—测端 ， 11—被测工件， 12—基准面 4.2 互感式传感器 1 互感传感器的结构和工作原理 图为常见的互感式传感器结构，其中： (a)、(b)为变间隙式差动变压器； (c)、(d)为螺线管式差动变压器； (e)、(f)为变截面式差动变压器； 4.2 互感式传感器 1 互感传感器的结构和工作原理 以螺线管式差动变压器为例： 当活动衔铁处于初始平衡位置时，输出电压为零。 当活动衔铁向某一个次级线圈方向移动时，则该次级线圈内磁通增大，使其感应电势增加，差动变压器有输出电压，其数值反映了活动衔铁的位移。 三段式螺管差动变压器结构示意图 4.2 互感式传感器 1 互感传感器的结构和工作原理 差动变压器等效电路 差动变压器输出电压特性曲线 4.2 互感式传感器 2 互感传感器的测量电路 4.2 互感式传感器 3 互感传感器的典型应用 差动变压器式加速度传感器 图中：1——弹性支承；2——差动变压器。 4.2 互感式传感器 3 互感传感器的典型应用 差动变压器式压力变送器 图中： 1—压力输入接头； 2—波纹膜盒 ； 3—电