项目整理版电感式传感器教案.doc

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教 学 目 的 与 要 求
项目五 电感传式感器
1、了解电感传感器的工作原理及分类方法；
2、掌握电感传感器传感器的功能及工作特点；
3、掌握电感传感器的测量方法；
4、了解电感传感器的发展方向与应用。
(时间安排： 4课时； 任课教师：胡 辉)
本 课 重 点 与 难 点
重点、难点: 理解自感式、差动变压器式、涡流传感器的工作原理，掌握其性能特点，了解其应用。
堂 进 程
顺序
内 容
1
一、自感式传感器
2
二．变压器式传感器
3
三、电涡流式传感器
4
四、电感式传感器的应用
5
五、小结
6
六、作业
7
七、板书安排

电感式传感器是运用电磁感应改变线圈的自感系数或互感系数达成测量位移、压力、流量、振动、比重等物理参数的目的，自感系数和互感系数的变化在电路中又转换为电压或电流的变化输出，从而实现非电量到电量的转换。电感式传感器实现信息的远距离转输、记录、显示和控制等方面的规定，广泛应用于工业自动控制系统中。电感式传感器具有结构简朴，工作可靠，寿命长，灵敏度和分辨率高，输出信号强，线性度和反复性好，稳定性好等优点。但是存在交流零位信号，不宜快速动态测控等缺陷。
电感式传感器按其工作原理可分为自感式，变压器式和电涡流式等种类。本项目将重点介绍上述三种传感器，使读者了解电感式传感器的结构、工作原理、测量方法和应用场合。
一、自感式传感器
1、工作原理
变磁阻式传感器是一种常用自感式传感器，其结构原理如图5—1所示，由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料（坡莫合金或硅钢片）制成。活动衔铁与铁芯之间存在气隙，厚度为。传感器工作时，衔铁与传感器的运动部分（同时连接被测物体）连在一起，当被测物体按图示方向产生的位移时，气隙厚度发生变化，从而使磁路中的磁阻产生相应的变化，进而导致电感线圈的电感量变化，测出这种电感量的变化就可以判别衔铁（即被测物体）位移量的大小和方向。

图5—1 变磁阻式传感器基本结构
根据电感定义，线圈中电感量可由下式拟定：
（5—1）式中： ——线圈总磁链； 
——通过线圈的电流；
——线圈的匝数；
——穿过线圈的磁通。
由磁路欧姆定律，得
（5—2）式中：——磁路总磁阻。
将式（5—2）代入（5—1）得
（5—3）
对于变气隙式传感器， 由于气隙很小，所以可以认为气隙中的磁场是均匀的。若忽略磁路损耗，则磁路总磁阻为
(5—4)式中：——铁芯磁阻；
——空气气隙磁阻；
——铁芯材料的磁导率； 
——衔铁材料的磁导率； 
——磁通通过铁芯的长度； 
——气隙的截面积； 
——气隙的厚度。
2、自感传感器等效电路
电感传感器是运用铁芯线圈中的自感随衔铁位移或空隙面积改变而变化的原理制成的，它通常采用铁磁体作为磁芯，所以线圈不也许呈现为纯电感，电感L还包含了与L串联的线圈铜损耗电阻，同时存在与L并联铁芯祸流损耗电阻；由于线圈和测量设备电缆的接入，存在线圈固有电容和电缆的分布电容，用集中参数C表达（C与L和、相并联)，因此，电感式传感器可用等效电路表达。它可以用一个复阻抗Z来等效。
二 互感式传感器
互感式传感器是把被被测的非电量变化转换为变压器线圈的互感变化。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，变压器初级线圈输入交流电压，次级线圈感应出电势。由于变压器的次级线圈常接成差动形式，故又称为差动变压器式传感器。差动变压器结构形式有变气隙式、变面积式和螺线管式等，其工作原理基本同样。变气隙差动互感传感器由于行程小，且结构复杂，因此目前已很少采用，螺线管式差动变压器广泛用于非电量的测量，它可以测量1～100mm范围内的机械位移，这种传感器具有测量精度高，灵敏度高，结构简朴，性能可靠等优点。
1、工作原理
差动变压器式传感器的组成元件有衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈框架等。初级线圈作为差动变压器激励用，可视为变压器的原边，次级两个对称的线圈反向串接相称于变压器的副边。如图5—10所示螺管形差动变压器传感器的结构。它由初级线圈、两个次级线圈、和插入线圈中央的圆柱形铁芯组成，结构形式有二段式和三段式等之分。
差动变压器线圈连接如图5—10()所示。次级线圈和反极性串联。当初级线圈加上某一频率的正弦交流电压后，次级线圈产生感应电压为和，它们的大小与铁芯在线圈内的位置有关。和反极性连接使得到输出电压
当铁芯位于线圈中心位置时，，；
当铁芯向上移动(见图(c))时，，，大，小；
当铁芯向下移动(见图(c))时，，，小，大。
铁芯偏离中心位置时，输出电压随铁芯偏离中心位置。或逐渐加大，但相位相差180°，如图5—11所示。事实上，铁芯位于中心位置，输出电压并不是零电位，而是被称为零点残余电压。零点残余电压重要是由传感器的两次级绕组的电气参数与几何尺寸不对称，以及磁性材料的非线性等问题引起的。 零点残余电压的波形十分复杂，重要由基波和高次谐波组成。基波产生的重要因素是：传感器的两次级绕组的电气参数和几何尺寸不对称，导致它们产生的感应电势的幅值不等、相位不同，因此不管如何调整衔铁位置， 两线圈中感应电势都不能完全抵消。 高次谐波中起重要作用的是三次谐波， 产生的因素是由于磁性材料磁化曲线的非线性(磁饱和、磁滞)。 零点残余电压一般在几十毫伏以下，在实际使用时，应设法减小 ， 否则将会影响传感器的测量结果。
三 电涡流式传感器
电感线圈产生的磁力线通过金属导体时，金属导体就会产生感应电流，该电流的流线呈闭合回线。类似图5—18(a)所示的水涡形状，故称之为电涡流。
理论分析和实践证明，电涡流的大小是金属导体的电阻率、相对导磁率、金属导体厚度、线圈激励信号频率以及线圈与金属块之间的距离等参数的函数。若固定某些参数，就能按涡流的大小测量出此外某一参数。
涡流式传感器最大的特点是能对位移、厚度、表面温度、电解质浓度、速度、应力、材料损伤等进行非接触式连续测量，此外还具有体积小、灵敏度高、频率响应宽等持点，所以应用极其广泛。
由于涡流渗透深度与传感器线圈的激励信号频率有关，故传感器可分为高频反射式和低频透射式两类涡流传感器，但从基本工作原理上来说仍是相似的。下面以高频反射式涡流传感器为例说明其原理和特性。
1、基本原理
电涡流式传感器产生涡流的基本结构形式如图5—18所示。当通有一定交变电流(频率为)的电感线圈靠近金属导体时，在金属周边产生交变磁场，在金属表面将产生电涡流，根据电磁感应理论，电涡流也将形成一个方向相反的磁场。此电涡流的闭合流线的圆心同线圈在金属板上的投影的圆心重合。
据有关资料介绍，涡流区和线圈几何尺寸有如下关系：

式中 一—电涡流区外径；
——电涡流区内径
涡流渗透深度
（5—25）
式中 ——导体电阻率()；
——交变磁场的频率；
——相对导磁率。
四、电感式传感器的应用
1、变磁阻式传感器的应用
图5—22所示是变隙电感式压力传感器的结构图。 它由膜盒、铁芯、衔铁及线圈等组成，衔铁与膜盒的上端连在一起。
当压力进入膜盒时，膜盒的顶端在压力P的作用下产生与压力P大小成正比的位移。于是衔铁也发生移动，从而使气隙发生变化，流过线圈的电流也发生相应的变化，电流表指示值就反映了被测压力的大小。

图5—22 变隙电感式传感器结构图 5—23 变隙式差动电感压力传感器
图5—23所示为变隙式差动电感压力传感器。它重要由C形弹簧管、衔铁、铁芯和线圈等组成。当被测压力进入C形弹簧管时，C形弹簧管产生变形，其自由端发生位移，带动与自由端连接成一体的衔铁运动，使线圈1和线圈 2 中的电感发生大小相等、 符号相反的变化，即一个电感量增大，另一个电感量减小。电感的这种变化通过电桥电路转换成电压输出。由于输出电压与被测压力之间成比例关系，所以只要用检测仪表测量出输出电压， 即可得知被测压力的大小。
2、差动变压式传感器的应用
差动变压器式传感器可以直接用于位移测量，也可以测量与位移有关的任何机械量，如振动、加速度、应变、比重、张力和厚度等。 
图5—24所示为差动变压器式加速度传感器的结构示意图。它由悬臂梁1和差动变压器2构成。测量时，将悬臂梁底座及差动变压器的线圈骨架固定，而将衔铁的A端与被测振动体相连。 当被测体带动衔铁以Δx(t)振动时，导致差动变压器的输出电压也按相同规律变化。

图5—24 差动变压器式传感器原理图
1—悬臂梁 2—差动变压器
3、电涡流式传感器的应用
低频透射式涡流厚度传感器
图 5—25 所示为透射式涡流厚度传感器结构原理图。 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受传感器线圈L2。当在L1上加低频电压时，则L1上产生交变磁通Φ1，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。 假如将被测金属板放入两线圈之间，则L1线圈产生的磁通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Φ1′，从而使L2产生的感应电压下降。金属板越厚，涡流损失就越大，电压就越小。因此，可根据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1～100mm，分辨率为0.1μm，线性度为 1%。

图5—25 透射式涡流厚度传感器结构原理图
五、小结：
理解自感式、差动变压器式、涡流传感器的工作原理
六、作业
1、自感式传感器的工作原理及分类？
2、互感式传感器的工作原理及分类？
3、电涡流式传感器的工作原理及应用？
七、板书安排
黑板分为三个部分：左边为标题，不擦除。中部为具体讲解，更新擦除。右边以图形为主，也可以写临时性内容。