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第3章电感式传感器本章要点电感式传感器的定义、原理、种类、特性及用途变磁阻式传感器的结构、原理及应用差动变压器式传感器的结构、原理及应用电涡流式传感器的结构、原理及应用
3.1概述电感式传感器inductan__typetransdu__r是利用电磁感应原理将被测非电量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈自感量L或互感量M的变化,再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出的一种传感器由铁心和线圈构成的将直线或角位移的变化转换为线圈电感量变化的传感器,又称电感式位移传感器这种传感器的线圈匝数和材料导磁系数都是一定的,其电感量的变化是由于位移输入量导致线圈磁路的几何尺寸变化而引起的当把线圈接入测量电路并接通激励电源时,就可获得正比于位移输入量的电压或电流输出根据工作原理的不同,电感式传感器可分为变磁阻式传感器(variablereluctivetransdu__r)、变压器式传感器transformertypetransdu__r和电涡流式传感器eddycurrenttypetransdu__r等种类外形如彩图
3、彩图3-1及彩图3-2所示电感式传感器有以下特点工作可靠,寿命长;灵敏度高,分辨率高位移变化
0.01μm,角度变化
0.1’’;测量精度高,线性好非线性误差可达
0.05%-
0.1%;性能稳定,重复性好电感式传感器的主要缺点是灵敏度、线性度和测量范围相互制约存在交流零位__,传感器自身频率响应低,不适用于高频动态测量电感式传感器主要用于位移测量和可以转换成位移变化的机械量(如力、张力、压力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位、比重、转矩等)的测量这种传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制,在工业自动控制系统中被广泛采用在实际应用中,这三种传感器多制成差动式,以便提高线性度和减小电磁吸力所造成的附加误差带有模拟输出的电感式接近传感器是一种测量式控制位置偏差的电子__发生器,其用途非常广泛例如可测量弯曲和偏移;可测量振荡的振幅高度;可控制尺寸的稳定性;可控制定位;可控制对中心率或偏心率当金属物体接近模拟传感器的感应面时使模拟传感器LC振荡量衰减,利用这一点的变化量,转换为电流输出量,输出电流的大小直接和金属物体与模拟传感器感应面之间距离远近成正比例关系电感传感器还可用作磁敏速度开关、齿轮龄条测速等,该类传感器广泛应用于纺织、化纤、机床、机械、冶金、机车汽车等行业的链轮齿速度检测,链输送带的速度和距离检测,齿轮龄计数转速表及汽车防护系统的控制等另外该类传感器还可用在给料管理系统中小物体检测、物体喷出控制、断线监测、小零件区分、厚度检测和位置控制等电感式传感器种类很多,本章主要介绍变磁阻式、变压器式和电涡流式三种传感器的结构、原理及应用
3.2变磁阻式传感器变磁阻式传感器是将位移、转速、加速度等非电物理量转换为磁阻变化的传感器
3.
2.1工作原理变磁阻式传感器的原理结构如图3-1所示它由线圈、铁芯和衔铁三部分组成铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成,在铁芯和衔铁之间有气隙,气隙厚度为δ,传感器的运动部分与衔铁相连当衔铁__时,气隙厚度δ发生改变,引起磁路中磁阻变化,从而导致电感线圈的电感值变化,因此只要能测出这种电感量的变化,就能确定衔铁位移量的大小和方向根据电感定义线圈中电感量可由下式确定:3-1式中ψ—线圈总磁链;I—通过线圈的电流;N—线圈的匝数;Φ—穿过线圈的磁通由磁路欧姆定律得3-2式中:Rm—磁路总磁阻对于变隙式传感器,因为气隙很小,所以可以认为气隙中的磁场是均匀的若忽略磁路磁损则磁路总磁阻为3-3式中μ1—铁芯材料的导磁率;μ2—衔铁材料的导磁率;L1—磁通通过铁芯的长度;L2—磁通通过衔铁的长度;S1—铁芯的截__;S2—衔铁的截__;μ0—空气的导磁率;S0—气隙的截__;δ—气隙的厚度;通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻即;则式3-3可近似为3-4联立式3-1,式3-2及式3-4,可得3-5上式表明,当线圈匝数为常数时,电感L仅仅是磁路中磁阻的函数,只要改变δ或S0均可导致电感变化,因此变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度δ的传感器和变气隙__S0的传感器使用最广泛的是变气隙厚度δ式电感传感器
3.
2.2输出特性设电感传感器初始气隙为δ0,初始电感量为L0,衔铁位移引起的气隙变化量为Δδ,从式3-5可知,L与δ之间是非线性关系,特性曲线如图3-2表示,初始电感量为3-6当衔铁上移Δδ时,传感器气隙减小Δδ,即δ=δ0-Δδ,则此时输出电感为L=L0+ΔL,代入式3-5并整理,得3-7当Δδ/δ01时,可将上式用泰勒级数展开成级数形式为3-8由上式可求得电感增量ΔL和相对增量ΔL/L0的表达式,即3-93-10当衔铁上移Δδ时,传感器气隙减小Δδ,即δ=δ0-Δδ,则此时输出电感为L=L0+ΔL,代入式3—6式并整理,得3-113-12对式3-
10、3-12作线性处理,忽略高次项,可得灵敏度3-13由此可见,变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾,所以变隙式电感式传感器用于测量微小位移时是比较精确的为了减小非线性误差,实际测量中广泛采用差动变隙式电感传感器图3-3所示为差动变隙式电感传感器的原理结构图由图可知,差动变隙式电感传感器由两个相同的电感线圈Ⅰ、Ⅱ和磁路组成,测量时,衔铁通过导杆与被测位移量相连,当被测体上下__时,导杆带动衔铁也以相同的位移上下__,使两个磁回路中磁阻发生大小相等,方向相反的变化,导致一个线圈的电感量增加,另一个线圈的电感量减小,形成差动形式当衔铁往上__Δδ时,两个线圈的电感变化量ΔL
1、ΔL2分别由式(3—9)及式(3—11)表示,按差动使用时,两个电感线圈接成交流电桥的相邻桥臂,另两个桥臂由电阻组成,电桥输出电压与ΔL有关,其具体表达式为对上式进行线性处理,忽略高次项得3-14比较单线圈和差动两种变间隙式电感传感器的特性,可以得到如下结论:
①差动式比单线圈式的灵敏度高一倍
②差动式的非线性项等于单线圈非线性项乘以(Δδ/δ0)因子,因为(Δδ/δ0)1,所以差动式的线性度得到明显改善为了使输出特性能得到有效改善,构成差动的两个变隙式电感传感器在结构尺寸、材料、电气参数等方面均应完全一致
3.
2.3测量电路电感式传感器的测量电路有交流电桥式、交流变压器式以及谐振式等几种形式
1.交流电桥式测量电路图3-4所示为交流电桥测量电路,把传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂Z1和Z2,另外二个相邻的桥臂用纯电阻代替,对于高Q值(Q=ωL/R)的差动式电感传感器,其输出电压:3-15式中L0—衔铁在中间位置时单个线圈的电感;ΔL—单线圈电感的变化量将ΔL=L0(Δδ/δ0)代入式3-15得U0=(Δδ/δ0),可见电桥输出电压与Δδ有关
2.变压器式交流电桥变压器式交流电桥测量电路如图3-5所示,电桥两臂Z
1、Z2为传感器线圈阻抗,另外两桥臂为交流变压器次级线圈的1/2阻抗当负截阻抗为无穷大时,桥路输出电压:3-16当传感器的衔铁处于中间位置,即Z1=Z2=Z时,有U0=0,电桥平衡当传感器衔铁上移时,即Z1=Z+ΔZ,Z2=Z-ΔZ,此时:3-17当传感器衔铁下移时,则Z1=Z-ΔZ,Z2=Z+ΔZ,此时:3-18从式3-17及式3-18可知,衔铁上下__相同距离时,输出电压的大小相等,但方向相反,由于U是交流电压,输出指示无法判断位移方向,必须配合相敏检波电路来解决
3.谐振式测量电路谐振式测量电路有谐振式调幅电路如图3-6所示,谐振式调频电路如图3-7所示在调幅电路中,传感器电感L与电容C,变压器原边串联在一起,接入交流电源,变压器副边将有电压U0输出,输出电压的频率与电源频率相同,而幅值随着电感L而变化图3-6(b)所示为输出电压U0与电感L的关系曲线,其中L0为谐振点的电感值,此电路灵敏度很高,但线性差,适用于线性要求不高的场合调频电路的基本原理是传感器电感L变化将引起输出电压频率的变化一般是把传感器电感L和电容C接入一个振荡回路中,其振荡频率当L变化时,振荡频率随之变化根据f的大小即可测出被测量的值图3-7(b)表示与L的特性,它具有明显的非线性关系
3.
2.4变磁阻式传感器的应用图3-8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__,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3-9所示为变隙式差动电感压力传感器,它主要由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
3.3差动变压器式传感器把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化的传感器称为互感式传感器这种传感器是根据变压器的基本原理制成的,并且次级绕组都用差动形式连接,故称差动变压器式传感器差动变压器结构形式较多,有变隙式、变__式和螺线管式等,但其工作原理基本一样非电量测量中,应用最多的是螺线管式差动变压器,它可以测量1~100mm范围内的机械位移,并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点
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3.1工作原理螺线管式差动变压器结构如图3-10所示,它由初级线圈,两个次级线圈和插入线圈__的圆柱形铁芯等组成螺线管式差动变压器按线圈绕组排列的方式不同可分为一节、二节、三节、四节和五节式等类型,如图3-11所示一节式灵敏度高,三节式零点残余电压较小,通常采用的是二节式和三节式两类差动变压器式传感器中两个次级线圈反向串联,并且在忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下,其等效电路如图3-12所示当初级绕组N1加以激励电压U1时,根据变压器的工作原理,在两个次级绕组N2a和N2b中便会产生感应电势E2a和E2b如果工艺上保证变压器结构完全对称,则当活动衔铁处于初始平衡位置时,必然会使两互感系数M1=M2根据电磁感应原理,将有E2a=E2b由于变压器两次级绕组反向串联,因而U2=E2a-E2b=0,即差动变压器输出电压为零活动衔铁向上__时,由于磁阻的影响,N2a中磁通将大于N2b中磁通,使M1M2,因而E2a增加,而E2b减小反之,E2b增加,E2a减小因为U2=E2a-E2b=0,所以当E2a、E2b随着衔铁位移x变化时,U2也必将随x变化图3-13给出了变压器输出电压U2与活动衔铁位移x的关系曲线实际上,当衔铁位于中心位置时,差动变压器输出电压并不等于零,我们把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压,记作UX它的存在使传感器的输出特性不过零点,造成实际特性与理论特性不完全一致零点残余电压主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,主要由基波和高次谐波组成基波产生的主要原因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,因此不论怎样调整衔铁位置,两线圈中感应电势都不能完全抵消高次谐波中起主要作用的是三次谐波,产生的原因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Ux,否则将会影响传感器的测量结果
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3.2基本特性差动变压器等效电路如图3-12所示当次级开路时有:3-19式中:ω—激励电压U1的角频率;U1—初级线圈激励电压;I1—初级线圈激励电流;r
1、L1—初级线圈直流电阻和电感根据电磁感应定律,次级绕组中感应电势的表达式分别为;由于次级两绕组反向串联,且考虑到次级开路,则由以上关系可得3-20输出电压的有效值为3-21下面分三种情况进行分析1活动衔铁处于中间位置时,M1=M2=M,故U2=02活动衔铁向上__时,M1=M+ΔM·M2=M–ΔM,故与E2a同极性
(3)活动衔铁向下__时,M1=M–ΔM;M2=M+ΔM,故与E2b同极性
3.
3.3差动变压器式传感器测量电路差动变压器输出的是交流电压,若用交流电压表测量,只能反映衔铁位移的大小,而不能反映__方向另外,其测量值中将包含零点残余电压为了达到能辨别__方向及消除零点残余电压的目的,实际测量时,常常采用差动整流电路和相敏检波电路
1.差动整流电路这种电路是把差动变压器的两个次级输出电压分别整流,然后将整流的电压或电流的差值作为输出,图3-14给出了几种典型电路形式图中(a)、(c)适用于交流负载阻抗,(b)、(d)适用于低负载阻抗,电阻R0用于调整零点残余电压下面结合图3-14(c)分析差动整流电路的工作原理从图3-14(c)电路结构可知,不论两个次级线圈的输出瞬时电压极性如何,流经电容C1的电流方向总是从2到4,流经电容C2的电流方向从6到8,故整流电路的输出电压为3-22当衔铁在零位时,因为U24=U68,所以U2=0;当衔铁在零位以上时,因为U24U68,则U20;而当衔铁在零位以下时,则有U24U68,则U20差动整流电路具有结构简单,不需要考虑相位调整和零点残余电压的影响,分布电容影响小和便于远距离传输等优点,因而获得广泛应用
2.相敏检波电路电路如图3-15所示VD
1、VD
2、VD
3、VD4为四个性能相同的二极管,以同一方向串联成一个闭合回路,形成环形电桥输入__差动变压器式传感器输出的调幅波电压通过变压器T1加到环形电桥的一个对角线参考__通过变压器T2加入环形电桥的另一个对角线输出__uL从变压器T1与T2的中心抽头引出平衡电阻R起限流作用,避免二极管导通时变压器T2的次级电流过大RL为负载电阻,u0的幅值要远大于输入__u2的幅值,以便有效控制四个二极管的导通状态,且u0和差动变压器式传感器激磁电压u1由同一振荡器供电,保证二者同频、同相(或反相)由图3-16(a)、(c)、d可知,当位移Δx0时,u2与u0同频同相,当位移Δx0时,u2与u0同频反相Δx0时,u2与u0为同频同相,当u2与u0均为正半周时,见图3-15(a),环形电桥中二极管VD
1、VD4截止,VD
2、VD3导通,则可得图3-15(b)的等效电路;根据变压器的工作原理,考虑到O、M分别为变压器T
1、T2的中心抽头,则有;;式中n
1、n2为变压器T
1、T2的变比采用电路分析的基本方法,可求得图3-15(b)所示电路的输出电压uL的表达式:(3-23)同理,当u2与u0均为负半周时,二极管VD
2、VD3截止,VD
1、VD4导通其等效电路如图3-15(c)所示,输出电压表达式与式3-23相同,说明只要位移Δx0,不论与是正半周还是负半周,负载RL两端得到的电压始终为正当Δx0时,与为同频反相采用上述相同的分析方法不难得到当Δx0时,不论与是正半周还是负半周,负载电阻RL两端得到的输出电压表达式总是为(3-24)所以上述相敏检波电路输出电压的变化规律充分反映了被测位移量的变化规律,即的值反映位移Δx的大小,而的极性则反映了位移Δx的方向
3.
3.4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3-17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Δxt振动时,导致差动变压器的输出电压也按相同规律变化图3-18所示为半桥式电感传感器用于微小位移检测的调节电路利用AD698与半桥式差动电感传感器联合使用,可以高精度的将机械位移__转换成单极性或双极性直流电压__输出进行位移测量经对2mm量程的半桥式位移传感器实际使用,检测精度达
0.1μm该变送电路运行稳定,精度高,适用于各种量程的半桥式电感位移传感器,具有很高的实用价值
3.4电涡流式传感器根据法拉第电磁感应原理,块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时,导体内将产生呈旋涡状的感应电流,此电流叫电涡流,以上现象称为电涡流效应根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器按照电涡流在导体内的贯穿情况,此传感器可分为高频反射式和低频透射式两类,但从基本工作原理上来说仍是相似的电涡流式传感器最大的特点是能对位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等进行非接触式连续测量,另外还具有体积小、灵敏度高、频率响应宽等特点,应用极其广泛利用电涡流效应将位移等非电被测参量转换为线圈的电感或阻抗变化的变磁阻式传感器电涡流效应是指金属导体置于交变磁场中会产生电涡流,且该电涡流所产生磁场的方向与原磁场方向相反的一种物理现象电涡流传感器的敏感元件是线圈,当给线圈通以交变电流并使它接近金属导体时,线圈产生的磁场就会被导体电涡流产生的磁场部分抵消,使线圈的电感量、阻抗和品质因数发生变化这种变化与导体的几何尺寸、导电率、导磁率有关,也与线圈的几何参量、电流的频率和线圈到被测导体间的距离有关如果使上述参量中的某一个变动,其余皆不变,就可制成各种用途的传感器,能对表面为金属导体的物体进行多种物理量的非接触测量这种传感器的优点是结构简单、频率响应宽、灵敏度高、测量线性范围大、抗干扰能力强、体积小等它是一种很有发展前途的传感器电涡流式传感器按用途可分为测量位移、接近度和厚度的传感器;按结构可分为变间隙型、变__型、螺管型和低频透射型四类变间隙型这种传感器结构很简单,主要元件是一个固定于传感器端部的线圈当被测导体与线圈之间的间隙发生变化时,就引起线圈电感、阻抗和品质因数变化,从而能在接到线圈上的测量电路内得到正比于间隙变化的电流或电压变化为改善性能可在线圈内加入磁芯变__型这种传感器由绕在扁矩形框架上的线圈构成,它利用被测导体和传感器线圈之间相对覆盖__的变化所引起的电涡流效应强弱的变化来测量位移为补偿间隙变化引起的误差常使用两个串接的线圈,置于被测物体的两边它的线性测量范围比变间隙型的大,而且线性度较高螺管型这种传感器由螺管和插入螺管的短路套筒组成,套筒与被测物体相连套筒沿轴向__时,电涡流效应引起螺管阻抗变化这种传感器有较好的线性度,但是灵敏度较低,具有与螺管型电感式传感器(见电感式传感器)相似的特性,但没有铁损低频透射型它由分别位于被测金属板材两面的发射线圈和接收线圈组成,适于测量金属板材的厚度发射线圈L1接到振荡器上后所产生的磁力线穿过金属板M,于是在接收线圈L2两端产生感应电压由于金属板内产生电涡流使到达L2的磁力线减小金属板的厚度δ越大,透射的磁力线越少,因而也就越小与δ之间呈指数变化关系∝,式中h为磁力线的贯穿深度贯穿深度取决于激励频率,为使贯穿深度大于板材厚度,要将频率选得低些频率低还可改善线性度激励频率一般选在500赫兹左右电涡流式传感器能实现非接触式测量,而且是根据与被测导体的耦合程度来测量,因此可以通过灵活设计传感器的构形和巧妙安排它与被测导体的布局来达到各种应用的目的在测量位移方面,除可直接测量金属零件的动态位移、汽轮机主轴的轴向窜动等位移量外,它还可测量如金属材料的热膨胀系数、钢水液位、纱线张力、流体压力、加速度等可变换成位移量的参量在测量振动方面,它是测量汽轮机、空气压缩机转轴的径向振动和汽轮机叶片振幅的理想器件还可以用多个传感器并排安置在轴侧,并通过多通道指示仪表输出至记录仪,以测量轴的振动形状并绘出振型图在测量转速方面,只要在旋转体上__或加装一个有凹缺口的圆盘状或齿轮状的金属体,并配以电涡流传感器,就能准确地测出转速此外,利用导体的电阻率与温度的关系,保持线圈与被测导体之间的距离及其他参量不变,就可以测量金属材料的表面温度,还能通过接触气体或液体的金属导体来测量气体或液体的温度电涡流测温是非接触式测量,适用于测低温到常温的范围,且有不受金属表面污物影响和测量快速等优点保持传感器与被测导体的距离不变,还可实现电涡流探伤探测时如果遇到裂纹,导体电阻率和导磁率就发生变化,电涡流损耗,从而输出电压也相应改变通过对这些__的检验就可确定裂纹的存在和方位电涡流传感器还可用作接近度传感器和厚度传感器以及用于金属零件计数、尺寸检验、粗糙度检测和制作非接触连续测量式硬度计
3.
4.1工作原理图3-19为电涡流式传感器的原理图,该图由传感器线圈和被测导体组成线圈——导体系统根据法拉第定律,当传感器线圈通一正弦交变电流I1时,线圈周围空间必然产生正弦交变磁场H1,使置于此磁场中的金属导体中感应电涡流I2,I2又产生新的交变磁场H2根据愣次定律,H2的作用将反抗原磁场H1,导致传感器线圈的等效阻抗发生变化由上可知,线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应而电涡流效应既与被测体的电阻率ρ、磁导率μ以及几何形状有关,又与线圈几何参数、线圈中激磁电流频率有关,还与线圈与导体间的距离x有关因此,传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的函数关系式为:Z=f(ρμrfx)3-25式中:r—线圈与被测体的尺寸因子如果保持上式中其它参数不变,而只改变其中一个参数,传感器线圈阻抗Z就仅仅是这个参数的单值函数通过与传感器配用的测量电路测出阻抗Z的变化量,即可实现对该参数的测量
3.
4.2基本特性电涡流传感器简化模型如图3-20所示模型中把在被测金属导体上形成的电涡流等效成一个短路环,即假设电涡流仅分布在环体之内,模型中h由以下公式求得3-26式中:f—线圈激磁电流的频率根据简化模型,可画出等效电路如图3-21所示,图中R2为电涡流短路环等效电阻,其表达式为:3-27)根据基尔霍夫第二定律,可列出如__程3-28式中:ω—线圈激磁电流角频率;R
1、L1—线圈电阻和电感;L2—短路环等效电感;R2——短路环等效电阻由式3-27和式3-28解得等效阻抗Z的表达式为3-29式中Req—线圈受电涡流影响后的等效电阻;Leq—线圈受电涡流影响后的等效电感线圈的等效品质因数Q值为3-30综上所述根据电涡流式传感器的简化模型和等效电路,运用电路分析的基本方法得到的式3-29和式3-30,即为电涡流的基本特性
3.
4.3电涡流形成范围
1.电涡流的径向形成范围线圈——导体系统产生的电涡流密度既是线圈与导体间距离x的函数,又是沿线圈半径方向r的函数当x一定时,电涡流密度J与半径r的关系曲线见图3-22所示由图可知图中J0为金属导体表面电涡流密度,即电涡流密度最大值Jr为半径r处的金属导体表面电涡流密度1电涡流径向形成的范围大约在传感器线圈外径ras的
1.8~
2.5倍范围内,且分布不均匀
②电涡流密度在短路环半径r=0处为零
③电涡流的最大值在r=ras附近的一个狭窄区域内
④可以用一个平均半径为ras(ras=(ri+ra)/2)的短路环来集中表示分散的电涡流(图中阴影部分)
2.电涡流强度与距离的关系理论分析和实验都已证明,当x改变时,电涡流密度发生变化,即电涡流强度随距离x的变化而变化根据线圈—导体系统的电磁作用,可以得到金属导体表面的电涡流强度为:3-31式中:I1—线圈激励电流;I2—金属导体中等效电流;—线圈到金属导体表面距离;——线圈外径根据上式作出归—化曲线,如图3-23所示以上分析表明:
①电涡强度与距离x呈非线性关系,且随着x/ras的增加而迅速减小
②当利用电涡流式传感器测量位移时,只有在x/ras1一般取
0.05~
0.15的范围才能得到较好的线性和较高的灵敏度
3.电涡流的轴向贯穿深度由于趋肤效应,电涡流沿金属导体纵向的H1分布是不均匀的,其分布按指数规律衰减,可用下式表示3-32式中:d—金属导体中某一点至表面的距离;Jd—沿H1轴向d处的电涡流密度;J0—金属导体表面电涡流密度,即电涡流密度最大值;h—电涡流轴向贯穿深度(趋肤深度)
3.
4.4电涡流式传感器的应用
1.低频透射式涡流厚度传感器图3-24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__设有接收传感器线圈L2当在L1上加低频电压U1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U2如果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Φ/1,从而使L2产生的感应电压U2下降金属板越厚,涡流损失就越大,U2电压就越小因此,可根据U2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%
2.高频反射式涡流厚度传感器图3-25所示是高频反射式涡流测厚仪测试系统原理图为了克服带材不够平整或运行过程中上下波动的影响,在带材的上、下两侧对称地设置了两个特性完全相同的涡流传感器S
1、S2S
1、S2与被测带材表面之间的距离分别为x1和x2若带材厚度不变,则被测带材上、下表面之间的距离总有x1+x2=常数的关系存在两传感器的输出电压之和为2Uo数值不变如果被测带材厚度改变量为Δδ,则两传感器与带材之间的距离也改变了一个Δδ,两传感器输出电压此时为2Uo+ΔUΔU经放大器放大后,通过指示仪表电路即可指示出带材的厚度变化值带材厚度给定值与偏差指示值的代数和就是被测带材的厚度
3.电涡流式转速传感器图3-26所示为电涡流式转速传感器工作原理图在软磁材料制成的输入轴上__一键槽,在距输入表面d0处设置电涡流传感器,输入轴与被测旋转轴相连当被测旋转轴转动时,输出轴的距离发生d0+Δd的变化由于电涡流效应,这种变化将导致振荡谐振回路的品质因素变化,使传感器线圈电感随Δd的变化也发生变化,它们将直接影响振荡器的电压幅值和振荡频率因此,随着输入轴的旋转,从振荡器输出的__中包含有与转数成正比的脉冲频率__该__由检波器检出电压幅值的变化量,然后经整形电路输出脉冲频率__该__经电路处理便可得到被测转速这种转速传感器可实现非接触式测量,抗污染能力很强,可__在旋转轴近旁__对被测转速进行监视最高测量转速可达600000r/min转/分
4.产品信息产品型号ICLΦ55×35X型电感式传感器外形见彩图3-2所示外形尺寸见图3-27习题33-1分析比较变磁阻式自感传感器、差动变压器式互感传感器和涡流传感器的工作原理和灵敏度3-2试设计一个测量空气压缩机主轴径向振动的传感器和测量系统,画出原理框图并简述工作过程3-3某线性差动变压器式传感器激励电源工作频率为200Hz,峰-峰为6V,若衔铁运动频率为20Hz的正弦波,它的位移幅值为±2mm,已知传感器的灵敏度为2V/mm,试画出激励电压、输入位移和输出电压波形,并画出适当的测量电路3-4什么是涡流?电涡流传感器___属于电感传感器?(提示从其等效电路的阻抗计算来说明)图3—1变磁阻式传感器1―线圈2―铁心定铁心3―衔铁(动铁心)图3—2变隙式电感传感器的L—δ特性图3—3差动变隙式电感传感器的结构原理1-铁芯,2-线圈,3-衔铁图3—4交流电桥测量电路图3—5变压器式交流电桥图3—7谐振式调频电路图3—6谐振式调幅电路图3—8变隙电感式传感器结构图图3—9变隙式差动电感压力传感器图3—10螺线管式差动变压器结构1—活动衔铁;2—导磁外壳;3—骨架;4—匝数为N1的初级线圈;5—匝数为N2a的次级线圈;6—匝数为N2b的次级线圈图3—11线圈排列方式(a)一节式(b)二节式(c)三节式(d)四节式(e)五节式图3—12差动变压器等效电路N2bNN2a图3—13差动变压器的输出电压特性曲线图3—14差动整流电路图3—15相敏检波电路图3—16波形图图3—17差动变压器式加速度传感器原理图图3—18半桥式电感位移传感器调节电路图3—19电涡流传感器原理图图3—20电涡流传感器简化模型1--传感器线圈;2—短路环;3—被测金属导体图3—21电涡流传感器等效1—传感器线圈;2—电涡流短路环电路图3—22电涡流密度J与半径r的关系曲线图3—23电涡流强度与距离归一化曲线图3—24透射式涡流厚度传感器结构原理图图3—25高频反射式涡流测厚仪测试系统图图3—26电涡流式转速传感器工作原理图图3-27外形尺寸PAGE57。