电感式传感器PPT传感器原理及应用.pptVIP

一、自感式传感器 二、差动变压器 三、电涡流式传感器 本章重点： 对于一定的测试频率，当被测材料的电阻率不同时，渗透深度Q渗的值也不相同，于是又引起E-t曲线形状的变化，为使测量不同的材料时所得到的曲线形状相近，就需在变动ρ时保持Q不变，这时应该相应地改变f。 测较小的材料(如紫铜)时，选用较低的 (500Hz)而测较大的材料(如黄铜、铝)时，则选用较高的 (2KHz)，从而保证传感器在测量不同材料时的线性度和灵敏度。 涡流穿透深度 可见，涡流穿透深度h和激励电流频率f有关，显然频率愈高，涡流的集肤效应愈显著，即涡流穿透深度愈小，所以涡流传感器根据激励频率分高频反射式和低频透射式两类。 目前高频反射式电涡流传感器应用广泛。 ρ —导体电阻率(Ω·cm)； μr—导体相对磁导率； f —交变磁场频率(Hz)。 主要由一个安置在框架上的扁平圆形线圈构成。此线圈可以粘贴于框架上，或在框架上开一条槽沟，将导线绕在槽内。 一、高频反射式 6 1 2 3 4 5 （一）结构和工作原理 右图为CZF1型涡流传感器的结构原理，它采取将导线绕在聚四氟乙烯框架窄槽内，形成线圈的结构方式。 1、结构 1-线圈 2-框架 3-衬套 4-支架 5-电缆 6-插头 图4-31 CFZ1型涡流式传感器 ie d M ～ Φe Φｉ 图4-32 电涡流传感器原理图 传感器线圈由高频信号激励，产生一个高频交变磁场φi，当被测导体靠近线圈时，在导体表层，产生与此磁场相交链的电涡流ie，而此涡流又会产生一交变磁场φe阻碍外磁场的变化。 2、工作原理 由于存在电涡流损耗（当频率较高时，忽略磁损耗），消耗了能量，因此使传感器的Q值和等效阻抗Z、电感L均会发生变化，测出这些变化即可获得被测参数。 （二）等效电路 把金属导体看做一个短路线圈，它与传感器线圈有磁耦合，可以得到图示的等效电路。 图4-33 高频反射式涡流传感器 等效电路 L1 L2 R1 R2 M 根据克希荷夫定律及所设电流正方向，有方程 解出 ，得线圈的等效阻抗为 受电涡流影响后的等效电感为 线圈的等效品质因数Q值为 可见：传感器线圈与金属导体系统的阻抗、电感和品质因数都是M平方的函数。 从麦克斯韦互感系数的基本公式出发，可以求得M是两个磁性相联线圈距离d的非线性函数。因此，Z=Fl(d)、L=F2(d)、Q=F3(d)均是非线性函数。但是，在某一范围内，可以将这些函数关系近似地看成线性。也就是说，电涡流式位移传感器不是在电涡流整个波及范围内都能呈线性变换的。 线圈与导体构成一个磁路，其有效磁导率μr取决于此磁路的性质。当导体为磁性材料时，μr随导体与线圈距离d的减小而增大，于是L1增大；若导体为非磁性材料，则μr和d无关，即L1不变。 式中第二项为电涡流回路的反射电感，当被测物体为非磁性材料或硬磁材料时，传感器线圈的等效电感L随导体与线圈距离d的减小而减小；被测导体为软磁材料时，传感器线圈的等效电感L反而增大。 为提高传感器灵敏度，常用一个电容与电涡流线圈并联，构成并联谐振回路。 无被测导体时，传感器调谐到某一谐振频率f0。当有被测导体时，回路将失谐：被测体为非铁磁材料或硬磁材料时，因传感器线圈等效电感减小，谐振曲线右移；当被测体为软磁材料时，其电感量增大，谐振曲线左移，如图所示。 图4-34 固定频率调幅谐振曲线 当线圈载流频率一定时，传感器LC回路的阻抗变化即反映了电感的变化，又反映了Q值变化。 （三）线圈形状、尺寸对性能的影晌 1. 线圈仅是传感器的一个组成部分，而另一组成部分是被测导体。若被测体是非磁性材料时，传感器的灵敏度较被测体是磁性材料时为高。 2. 电涡流传感器线圈外径越大，线性范围将越大，但灵敏度越低；与此相反，线圈外径越小，传感器的灵敏度将越高，而线性范围越小。线圈内径的变化，只是在靠近线圈处灵敏度稍有不同。 3. 线圈的厚度变化，仅在靠近线圈处对灵敏度才稍有影响。 4. 为使传感器的温度性能优良，并且使Q值增大，要求线圈框架材料损耗小、热膨胀系数小、电性能好。 （四）测量电路 根据涡流传感器的基本原理，被测参数的变化会引起传感器线圈的Q值、等效阻抗Z和等效电感L的变化，可用相应的测量电路来测量。 高频载波调幅式 调频式 定频载波调幅式 变频载波调幅式 调频式电路 图4-38 调频式测量电路 (a) 测量电路框图； (b)