第4章电感式传感器.ppt

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的关系曲线如图所示。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）。由图可知：  ① 电涡流径向形成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ri=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 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，电涡流密度也发生变化，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 式中： I1——线圈激励电流；  I2——金属导体中等效电流；  x——线圈到金属导体表面距离；  ras——线圈外径。 以上分析表明：  ① 电涡流强度与距离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)的条件下才能得到较好的线性和较高的灵敏度。  所谓贯穿深度是指把电涡流强度减小到表面强度的1/e处的表面厚度。由于电磁场不能穿过导体的无限厚度， 仅作用于表面薄层和一定的径向范围内，并且导体中产生的电涡流强度是随导体厚度的增加按指数规律下降的。其按指数衰减分布规律可用下式表示： 3. 电涡流的轴向贯穿深度 式中：d——金属导体中某一点与表面的距离；  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——电涡流轴向贯穿的深度（趋肤深度）。 三、电涡流传感器等效电路 ω——线圈激磁电流角频率； R1、L1——线圈电阻和电感；  M——互感系数。 解得等效阻抗Z的表达式为 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 四、电涡流传感器测量电路 1. 调频式电路 第4 章 电感式传感器 第4章 电感式传感器 第一节 变磁阻式传感器 第二节 互感式传感器 第三节 电涡流式传感器 第一节 变磁阻式传感器 一、变隙式自感传感器 1、结构和工作原理 由磁路基本知识知，线圈自感为 N：线圈匝数；Rm：磁路总磁阻(铁芯与衔铁磁阻和空气隙磁阻) l1：铁芯磁路总长； l2：衔铁的磁路长； S：气隙磁通截面积； S1：铁芯横截面积； S2：衔铁横截面积； μ1：铁芯磁导率； μ2：衔铁磁导率； μ0：真空磁导率， μ0=4π×10-7H／m； δ：空气隙厚度。 由于自感传感器的铁芯一般在非饱和状态下，其磁导率远大于空气的磁导率，因此铁芯磁阻远较气隙磁阻小，所以上式可简化为 由上式可见, 线圈匝数确定之后, 只要气隙长度δ和气隙截面S二者之一发生变化, 传感器的电感量就会发生变化。 因此, 有变气隙长度和变气隙截面电感传感器之分, 前者常用来测量线位移, 后者常用于测量角位移。 设衔铁处于起始位置时, 传感器的初始气隙为δ0。 初始电感为 当衔铁向上移动Δδ时, 传感器的气隙长度将减少, 即为δ=δ0-Δδ, 这时的电感量为 相对变化量为 2、输出特性 当 时, 可将上式展开成级数 同理, 如衔铁向下移动Δδ时, 传感器气隙将增大, 即为δ=δ0+Δδ, 电感量的变化量为 相对变化量为 可以看出, 当忽略高次项时, ΔL才与Δδ成线性关系。 当然, Δδ/δ0 越小, 高次项迅速减小, 非线性可得到改善。 然而, 这又会使传感器的量程变小。 所以, 对输出特性线性度的要求和对测量范围的要求是相互矛盾的, 一般对变气隙长度的传感器, 取Δδ/δ0=0.1~0.2。 二、变面积自感传感器 x a 铁心与衔铁间气隙厚度忽略。 三、螺管式自感传感器 铁 芯 位移x 传感器工作时，因铁芯在线圈中伸入长度的变化，引起螺管线圈自感值的变化。当用恒流源激励时，则线圈的输出电压与铁芯的