1、1 1第五章第五章 电感式传感器电感式传感器2 2上次课内容回顾上次课内容回顾n电容式传感器是将电容式传感器是将被测非电量的变化被测非电量的变化转换为转换为电电容量变化容量变化的一种结构型传感器。的一种结构型传感器。n工作原理工作原理：当：当3 3个参数中的任意一个发生变化，个参数中的任意一个发生变化，都能够导致电容值发生变化。通过测量电路即都能够导致电容值发生变化。通过测量电路即可得到被测量，比如可得到被测量，比如力、加速度、液位、位移、力、加速度、液位、位移、厚度、不同种类物质的鉴别、转角厚度、不同种类物质的鉴别、转角等。等。n电容式传感器按原理分为电容式传感器按原理分为变面积、变极距变面
2、积、变极距和和变变介质介质三种。三种。n测量电路测量电路：调频电路、运算放大器式电路、脉：调频电路、运算放大器式电路、脉冲宽度调制电路、电桥等冲宽度调制电路、电桥等。3 3电感式传感器电感式传感器 其核心部分是其核心部分是可变自感或互感可变自感或互感，在，在被测量被测量转换成线圈转换成线圈自感自感或或互感的变化互感的变化时，一般要利用磁场作为媒介或利用时，一般要利用磁场作为媒介或利用铁磁体的某些现象。铁磁体的某些现象。电感式电感式传感器的主要特征是具有传感器的主要特征是具有线圈绕组线圈绕组。n电感式传感器的工作基础：电感式传感器的工作基础：电磁感应电磁感应应用于测量应用于测量位移位移、振动振动
3、、压力压力、应变应变、流量流量、比重比重等方面。等方面。4 4电感式传感器的分类电感式传感器的分类自感式自感式互感式互感式电涡流式电涡流式变气隙式变气隙式变面积式变面积式螺线管式螺线管式5 5一、自感式传感器一、自感式传感器MRINmINR根据电感定义根据电感定义,线圈中电感量可由下式确定线圈中电感量可由下式确定:由磁路欧姆定律由磁路欧姆定律,得：得：则有：则有：l线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁l 自感式传感器自感式传感器NLI2mNLR式中式中 N 线圈匝数；线圈匝数；Rm 磁路总磁阻磁路总磁阻6 6 因为气隙很小，可以认为气因为气隙很小，可以认为气隙中的磁场是均匀的。隙中的磁场是均匀的。若忽略磁
4、若忽略磁路磁损，路磁损，则磁路总磁阻为则磁路总磁阻为 :0121122002mlllRSSS l1：铁芯磁路总长；：铁芯磁路总长；l2：衔铁的磁路长；：衔铁的磁路长；l0：空气隙总长；：空气隙总长；S1：铁芯横截面积；：铁芯横截面积；S2：衔铁横截面积；：衔铁横截面积；S0：隙磁通截面积；：隙磁通截面积；1：铁芯磁导率；：铁芯磁导率；2：衔铁磁导率；：衔铁磁导率；0：真空磁导率，：真空磁导率，0=410-7Hm。22012112200mNlllLNSSSRl线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁l 自感式传感器自感式传感器7 7则有则有:220002mNSNLRl（1）由于自感传感器的铁芯一般在由于自感传感
5、器的铁芯一般在非饱和状态非饱和状态下，其下，其磁导磁导率远大于空气的磁导率率远大于空气的磁导率，因此铁芯磁阻远较气隙磁阻小，因此铁芯磁阻远较气隙磁阻小，因此因此 上式表明上式表明,当线圈匝数当线圈匝数N N为常数时为常数时,电感电感L L仅仅是磁路仅仅是磁路中中磁阻磁阻R Rm m的函数的函数,只要改变只要改变l0或或S S0均可导致电感变化均可导致电感变化,因因此自感式传感器又可分为此自感式传感器又可分为变气隙长度式传感器变气隙长度式传感器(变变l0)和变和变气隙面积式传感器气隙面积式传感器(变变S S0)。使用最广泛是。使用最广泛是。01001102002222llSSllSS0002ml
6、Ru S8 8L=f（S0）L=f（l0）l0LS0 L=f(l0)为非线性关系。当为非线性关系。当l00时，时，L为为，考虑导磁体，考虑导磁体的磁阻，当的磁阻，当l00时，并不等于时，并不等于，而具有一定的数值，在，而具有一定的数值，在l0较小时其特性曲线如图中虚线所示。若上下移动衔铁使较小时其特性曲线如图中虚线所示。若上下移动衔铁使面积面积S0改变，从而改变改变，从而改变L值时值时,则则Lf(S0)的特性曲线为一直的特性曲线为一直线。线。220002mNSNLRl9 91 1、变气隙长度式自感式传感器（闭磁路式）、变气隙长度式自感式传感器（闭磁路式）如图所示为如图所示为变气隙长度式变气隙长
7、度式的结构示意图。设初始气隙的结构示意图。设初始气隙长度为长度为l0，初始电感量为，初始电感量为L0，衔铁位移引起的气隙变化量衔铁位移引起的气隙变化量为为l，当衔铁处于初始位置时，初始电感量为，当衔铁处于初始位置时，初始电感量为 ：l线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁l 自感式传感器自感式传感器020002lNSL 当衔铁上移当衔铁上移l时，传感器气时，传感器气隙减小隙减小l，即，即l=l0-l，则此时输则此时输出电感为出电感为L=L0+L，代入式（代入式（1）式并整理，得式并整理，得：1010 变变气隙长度式自感式传感器的气隙长度式自感式传感器的L与与l关系关系20000002()1NSLLLLlll
8、l（2）1111当当l/l01时，可将上式用泰勒级数展开成如下的级数形式：时，可将上式用泰勒级数展开成如下的级数形式：23000001lllLLLLlll 由上式可求得电感增量由上式可求得电感增量L L和相对增量和相对增量L L/L L0 0的表达式，即的表达式，即 200002000011lllLLlllLlllLlll(3)1212同理，当衔铁随被测体的初始位置向下移动同理，当衔铁随被测体的初始位置向下移动l时，有时，有 2300000230000011llllLLllllLllllLllll（4）对式（对式（3）、（）、（4）作线性处理，即）作线性处理，即忽略高次项忽略高次项后，可得：后
9、，可得：00LlLl（5）1313 0001llLLK 由此可见，变间隙式电感传感器的由此可见，变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度测量范围与灵敏度及线性度相矛盾及线性度相矛盾，因此变隙式电感式传感器，因此变隙式电感式传感器适用于测量微适用于测量微小位移小位移的场合。的场合。0100%ll 为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用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差动变隙式电感传感器。1414差动变隙式电感传感器差动变隙式电感传感器L1L2RoRo122131铁 芯；2线 圈；3衔 铁1515变气隙式自感传感器结构由两个电气参数和磁路完变气隙式自感传感器结构由两个电气参数
10、和磁路完全相同的线圈组成。当衔铁全相同的线圈组成。当衔铁3 3移动时，一个线圈的自感增移动时，一个线圈的自感增加，另一个线圈的自感减少，形成差动形式。如将这两加，另一个线圈的自感减少，形成差动形式。如将这两个差动线圈分别接入测量电桥邻臂，则当磁路总气隙改个差动线圈分别接入测量电桥邻臂，则当磁路总气隙改变变l l时，时，自感相对变化为：自感相对变化为：120002LLLlLLl0002LLKll20100%ll差动式自感传感器的灵敏度比单线圈传感器提高一倍差动式自感传感器的灵敏度比单线圈传感器提高一倍差动式自感传感器非线性失真变小差动式自感传感器非线性失真变小1616 变截面式传感器变截面式传感
11、器线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁衔铁移动方向衔铁移动方向l02 2、变气隙面积式自感式传感器（闭磁路式）、变气隙面积式自感式传感器（闭磁路式）变截面式传感器具有良好的线性度、自由行程大、示值变截面式传感器具有良好的线性度、自由行程大、示值范围宽，但灵敏度较低，通常用来测量比较大的位移量。范围宽，但灵敏度较低，通常用来测量比较大的位移量。L=f（S0）L=f（l0）l0LS017173 3、螺管式自感式传感器（开磁路式）、螺管式自感式传感器（开磁路式）衔铁衔铁线圈线圈测杆测杆 螺管式自感式传感器螺管式自感式传感器 其磁路是开放的，气隙磁路占很长的部分。有限长螺线其磁路是开放的，气隙磁路占很长的部分。有
12、限长螺线管管内部磁场沿轴线非均匀分布内部磁场沿轴线非均匀分布，中间强，两端弱。，中间强，两端弱。随着衔铁插随着衔铁插入深度的不同将引起线圈泄漏路径中磁阻变化，从而使线圈入深度的不同将引起线圈泄漏路径中磁阻变化，从而使线圈的电感发生变化。的电感发生变化。当用恒流源激励时，则当用恒流源激励时，则输出电压输出电压与与铁芯的位移量铁芯的位移量有关有关。1818螺管式自感传感器的特点：螺管式自感传感器的特点：结构简单，制造装配容易；结构简单，制造装配容易；由于空气间隙大，磁路的磁阻高，因此灵敏度低，由于空气间隙大，磁路的磁阻高，因此灵敏度低，但线性范围大；但线性范围大；由于磁路大部分为空气，易受外部磁场
13、干扰；由于磁路大部分为空气，易受外部磁场干扰；由于磁阻高，为了达到某一自感量，需要的线圈匝由于磁阻高，为了达到某一自感量，需要的线圈匝数多，因而线圈分布电容大；数多，因而线圈分布电容大；要求线圈框架尺寸和形状必须稳定，否则影响其线要求线圈框架尺寸和形状必须稳定，否则影响其线性和稳定性。性和稳定性。1919自感传感器三种类型比较自感传感器三种类型比较 气隙型自感传感器气隙型自感传感器灵敏度高灵敏度高，它的主要缺点是，它的主要缺点是非线非线性严重性严重，为了限制线性误差，示值范围只能较小；它的，为了限制线性误差，示值范围只能较小；它的自由行程小自由行程小，因为衔铁在运动方向上受铁心限制，因为衔铁在
14、运动方向上受铁心限制，制造制造装配困难装配困难。截面型自感传感器截面型自感传感器灵敏度较低灵敏度较低，截面型的优点是具，截面型的优点是具有有较好的线性较好的线性，因而测量范围可取大些。，因而测量范围可取大些。螺管型自感传感器的螺管型自感传感器的灵敏度比截面型的更低灵敏度比截面型的更低，但示，但示值范围大，线性也较好。值范围大，线性也较好。2020 假设自感线圈为一理想纯电感，但实际传感器中包括：假设自感线圈为一理想纯电感，但实际传感器中包括：线圈的铜损电阻线圈的铜损电阻（Rc）、）、铁芯的涡流损耗电阻铁芯的涡流损耗电阻（Re）和）和线线圈的并联寄生电容圈的并联寄生电容（C）。因此，自感传感器的
15、）。因此，自感传感器的等效电路等效电路如图如图。CLRcRe4 4、自感线圈的等效电路、自感线圈的等效电路21212211SPPPRLZjRjLL CL C21PPPLQLCQR电感的相对变化电感的相对变化211PPdLdLLL CL有了并联电容后，传感器的灵敏度提高。有了并联电容后，传感器的灵敏度提高。注：注：校准和测量中要采用相同的电缆。校准和测量中要采用相同的电缆。L L为线圈的自感，为线圈的自感，R Rs s为折合有功电阻的总电阻，为折合有功电阻的总电阻，C C为并联寄为并联寄生电容。等效线圈阻抗为：生电容。等效线圈阻抗为：品质因数品质因数Q=L/R22225 5、自感式传感器的测量电
16、路、自感式传感器的测量电路自感式传感器常用自感式传感器常用交流阻抗电桥交流阻抗电桥和和谐振电路谐振电路实现信号的转换。实现信号的转换。交流阻抗电桥交流阻抗电桥1 1）交流电桥）交流电桥 把传感器的两个线圈作为把传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂电桥的两个桥臂Z Z1 1和和Z Z2 2，另，另外两个相邻的桥臂用纯电外两个相邻的桥臂用纯电阻阻R R代替。代替。2323空载输出电压空载输出电压：衔铁偏离中间零点时衔铁偏离中间零点时 初始平衡状态，初始平衡状态，Z Z1 1=Z=Z2 2=Z,=Z,u u0 0=0=0121121222iiiouuu ZZuZZZZZZZZ1ZZZ22iouZuZ空
17、载输出电压为：空载输出电压为：2424传感器衔铁移动方向相反时：传感器衔铁移动方向相反时：空载输出电压为：空载输出电压为：2iouZuZ ZZZ1ZZZ2 注：注：只能确定衔铁位移的大小，不能判断位移只能确定衔铁位移的大小，不能判断位移的方向。为了判断位移的方向，要在后续电路中配的方向。为了判断位移的方向，要在后续电路中配置置相敏检波器。相敏检波器。2525a a）非相敏检波）非相敏检波 b b）相敏检波）相敏检波1 1理想特性曲线理想特性曲线 2 2实际特性曲线实际特性曲线 2626 在在调幅电路调幅电路中，中，传感器电感传感器电感L L与电容与电容C C、变压器原边串联在变压器原边串联在一
18、起，一起，接入交流电源接入交流电源 ，变压器副边将有电压，变压器副边将有电压 输出，输出输出，输出电压的频率与电源频率相同，而电压的频率与电源频率相同，而幅值随着电感幅值随着电感L L而变化而变化，图（，图（b b）为输出电压为输出电压 与电感与电感L L的关系曲线，其中的关系曲线，其中L0L0为谐振点的电感值，为谐振点的电感值，此电路此电路灵敏度很高，灵敏度很高，但线性差，适用于线性度要求不高的场合但线性差，适用于线性度要求不高的场合。UoUU 2 2）谐振式测量电路）谐振式测量电路 OL0LTCL(a)(b)调幅电路调幅电路和和调频电路调频电路。2727 调频电路调频电路的基本原理，是的基
19、本原理，是传感器电感传感器电感L L的变化将引起输的变化将引起输出电压频率的变化出电压频率的变化。通常把传感器电感通常把传感器电感L L和电容和电容C C接入一接入一个振荡回路中，个振荡回路中，其振荡频率其振荡频率 。当。当L L变化变化时，振荡频率随之变化，时，振荡频率随之变化，根据根据f f的大小即可测出被测量的的大小即可测出被测量的值值。图（。图（b b）表示）表示f f与与L L的关系曲线，它具有严重的非线性的关系曲线，它具有严重的非线性关系关系。)2/(1LCfGCLffoL(a)(b)28286.6.自感式传感器的应用自感式传感器的应用 变气隙自感式压力传感器结构图变气隙自感式压力
20、传感器结构图 线圈铁芯衔铁膜盒PUA可用于测量振动、厚度、应变、压力、加速度等各种物理量可用于测量振动、厚度、应变、压力、加速度等各种物理量2929变气隙自感式测微仪结构图变气隙自感式测微仪结构图 3031电感式传感器测量液位电感式传感器测量液位3232二、互感式传感器（差动变压器式传感器）二、互感式传感器（差动变压器式传感器）根据变压器的基本原理制成的。次级绕组采用差动根据变压器的基本原理制成的。次级绕组采用差动形式连接形式连接,故称故称差动变压器式传感器差动变压器式传感器。差动变压器结构有差动变压器结构有变隙式变隙式、变面积式变面积式和和螺线管式螺线管式等等,应用最多的是应用最多的是螺线管
21、式差动变压器螺线管式差动变压器,它可以测量它可以测量1 1100mm100mm范围内的机械位移。范围内的机械位移。把被测的非电量变化转换为把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化线圈互感量变化的传感器的传感器结构形式：结构形式：33331 1、螺管式差动变压器、螺管式差动变压器 当一次线圈接入激励电源之后，二次线圈就将产生感应电当一次线圈接入激励电源之后，二次线圈就将产生感应电动势，当两者间的互感量变化时，感应电动势也相应变化。动势，当两者间的互感量变化时，感应电动势也相应变化。螺管式差动变压器结构螺管式差动变压器结构3434差动变压器传感器中的两个次级线圈差动变压器传感器中的两个次级线圈反相串
22、联反相串联，在理想在理想情况下情况下(忽略线圈寄生电容及衔铁损耗忽略线圈寄生电容及衔铁损耗)，差动变压器的，差动变压器的等效电路如图。等效电路如图。e2R21R22e21e22e1R1M1M2L21L22L1I1e e1 1初级线圈激励电压初级线圈激励电压L L1 1,R,R1 1初级线圈电感和电阻初级线圈电感和电阻M M1 1,M,M1 1分别为初级与次级线圈分别为初级与次级线圈1,21,2间的互感间的互感L L2121,L,L2222两个次级线圈的电感两个次级线圈的电感R R2121,R,R2222两个次级线圈的电阻两个次级线圈的电阻3535 激励电压的角频率；激励电压的角频率；e e1
23、1激励电压的复数值；激励电压的复数值；由于由于I Il l的存在，在次级线圈中产生磁通的存在，在次级线圈中产生磁通式中：式中：R Rm1m1及及R Rm2m2分别为磁通通过初级线圈及两个次级线圈的分别为磁通通过初级线圈及两个次级线圈的磁阻，磁阻，N N1 1为初级线圈匝数。为初级线圈匝数。初级线圈的复数电流值为：初级线圈的复数电流值为：1 1211mN IR1111eIRj L1 1222mN IR363611212121mRNNINM21212222mRNNINMN2为次级线圈匝数为次级线圈匝数。在次级线圈中感应出电压在次级线圈中感应出电压e e2121和和e e2222，其值分别为：，其值
24、分别为：因此空载输出电压因此空载输出电压：211 1222 1ej M Iej M I 1221221111eeeejMMRj L 其幅值其幅值12122211MMeeRL3737 在线性范围内，输出电动势随衔铁正、负位移在线性范围内，输出电动势随衔铁正、负位移而线性增大。而线性增大。输出含有输出含有零点残余电压零点残余电压,根据输出的根据输出的大小判断位移的大小大小判断位移的大小,但不能辨别位移的方向但不能辨别位移的方向.0e2e2e21e22x差动变压器输出电压特性曲线差动变压器输出电压特性曲线图中图中红线红线为理论特性曲线，为理论特性曲线，黑线黑线为实际特性曲线为实际特性曲线38382
25、2、零点残余电压、零点残余电压定义：定义：把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压。（残余电压。（x x0 0，U U0 0e e2 20)0)产生原因：产生原因：（1 1）两个二次测量线圈的）两个二次测量线圈的等效参数（电感、电阻）不等效参数（电感、电阻）不对称对称，使其输出的基波感应电动势的幅值和相位不同，使其输出的基波感应电动势的幅值和相位不同，调整磁芯位置时，不能达到幅值和相位同时相同。调整磁芯位置时，不能达到幅值和相位同时相同。（2 2）铁芯的）铁芯的B-HB-H特性的非线性特性的非线性，产生高次谐波不同，不，产生高次谐波不同，不能互相
26、抵消。能互相抵消。3939补偿原理：补偿原理：改变二次侧线圈的阻抗，使两个二次输出改变二次侧线圈的阻抗，使两个二次输出电压的电压的大小和相位改变，使零点电压最小大小和相位改变，使零点电压最小。（1 1）在设计和工艺上，力求做到磁路对称，线圈对称，线）在设计和工艺上，力求做到磁路对称，线圈对称，线圈绕制要均匀。铁芯材料要均匀，要经过热处理去除机械应圈绕制要均匀。铁芯材料要均匀，要经过热处理去除机械应力和改善磁性。力和改善磁性。（2 2）采用拆圈的实验方法来减小零点残余电压。）采用拆圈的实验方法来减小零点残余电压。（3 3）在电路上进行补偿。）在电路上进行补偿。补偿零点残余电压的电路：补偿零点残余
27、电压的电路：4040差动变压器的补偿电路差动变压器的补偿电路零点残余电压可用相敏整流器或差动整流电路消除。零点残余电压可用相敏整流器或差动整流电路消除。串联电阻补偿基波分量，并联电容补偿高次谐波。串联电阻补偿基波分量，并联电容补偿高次谐波。41414 4、差动变压器的测量电路、差动变压器的测量电路差动整流电路：差动整流电路：电路是以两个桥路整流后的直流电压之差作为输电路是以两个桥路整流后的直流电压之差作为输出的，所以称为出的，所以称为差动整流电路差动整流电路。它不但可以。它不但可以反映位移反映位移的大小（电压的幅值），还可以反映位移的方向的大小（电压的幅值），还可以反映位移的方向。整流器件：整
28、流器件：二极管及由它们组成的电桥。二极管及由它们组成的电桥。4242002682426824UUUEEUUUEEcdabcdab衔铁下移衔铁上移（1 1）全波电压输出）全波电压输出不论两个次级线圈的输出瞬时电压极性如何。（不论正负半周）不论两个次级线圈的输出瞬时电压极性如何。（不论正负半周）全波电压输出全波电压输出电阻电阻R0用于调整零点残余电压用于调整零点残余电压4343（2 2）半波电压输出）半波电压输出负半周二极管截止。正半周二极管均导通移衔铁下负半周二极管截止。正半周二极管均导通衔铁上移000222UEEUUEEcdabcdab半波电压输出半波电压输出电阻电阻R0用于调整零点残余电压用
29、于调整零点残余电压4444（3 3）全波电流输出）全波电流输出246822468200abcdabcdEEUUIEEUUI衔铁上移衔铁下移全波电流输出全波电流输出电阻电阻R0用于调整零点残余电压。用于调整零点残余电压。45455 5、差动变压器的特性、差动变压器的特性1 1）灵敏度与激励电动势的关系灵敏度与激励电动势的关系 差动变压器在单位电压激励下，铁芯移动一个单差动变压器在单位电压激励下，铁芯移动一个单位距离时的输出电压，以位距离时的输出电压，以mV/mm/VmV/mm/V表示。表示。激励电动势激励电动势e e1 1越大，灵敏越高。但越大，灵敏越高。但e e1 1过大时会使差动变过大时会使
30、差动变压器线圈发热而引起压器线圈发热而引起输出信号漂移输出信号漂移，e e1 1可取零点几伏到数伏，可取零点几伏到数伏，常取常取3 38V8V。1221221111eeeejMMRj L 46462）灵敏度与激励电源频率的关系灵敏度与激励电源频率的关系 激励电源频率过高或过低都会使灵敏度降低，激励电源频率过高或过低都会使灵敏度降低，通常选通常选4 410kHz10kHz。二次线圈匝数越多，灵敏度越高，两者成线性二次线圈匝数越多，灵敏度越高，两者成线性关系。但是匝数增加，零点残余电压也随之变大。关系。但是匝数增加，零点残余电压也随之变大。3）灵敏度与二次线圈匝数的关系灵敏度与二次线圈匝数的关系
31、47476 6、差动变压器式传感器的应用、差动变压器式传感器的应用电感测微仪及其电路框图电感测微仪及其电路框图 a a）轴向式测头）轴向式测头 b b）测量电路框图）测量电路框图1-1-引线引线 2-2-线圈线圈 3-3-衔铁衔铁 4-4-测力弹簧测力弹簧 5-5-导杆导杆 6-6-密封罩密封罩 7-7-测头测头1 1）、电感测微仪）、电感测微仪可用于测量振动、厚度、应变、压力、加速度等各种物理量可用于测量振动、厚度、应变、压力、加速度等各种物理量48测微仪测微仪圆柱滚子圆柱滚子电感式滚柱直径分选装置电感式滚柱直径分选装置 4949505051512 2、电感式压力传感器、电感式压力传感器微压
32、力变送器结构示意图微压力变送器结构示意图1接头接头 2膜盒膜盒 3底座底座 4线路板线路板 5差动变压器差动变压器 6衔铁衔铁 7罩壳罩壳 8插头插头 9通孔通孔52523 3、电感式加速度传感器、电感式加速度传感器 差动变压器式加速度传感器差动变压器式加速度传感器 用于测定振动物体的频率和振幅时其激磁频率必须是振用于测定振动物体的频率和振幅时其激磁频率必须是振动频率的十倍以上，才能得到精确的测量结果。可测量的动频率的十倍以上，才能得到精确的测量结果。可测量的振振幅为幅为(0.1(0.15)mm5)mm，振动频率为，振动频率为(0(0150)Hz150)Hz。53 干净、高效的电磁炉干净、高效
33、的电磁炉54电磁炉内部的励磁线圈电磁炉内部的励磁线圈55 高频电流通过励磁线圈，产生交变磁场，在铁质高频电流通过励磁线圈，产生交变磁场，在铁质锅底会产生无数的电涡流，使锅底自行发热，烧开锅锅底会产生无数的电涡流，使锅底自行发热，烧开锅 内内 的的 食食 物。物。56一、工作原理一、工作原理v当带有高频电流的线当带有高频电流的线圈靠近被测金属时，线圈靠近被测金属时，线圈上的高频电流所产生圈上的高频电流所产生的高频电磁场便在金属的高频电磁场便在金属表面上产生感应电流，表面上产生感应电流，电磁学上称之为电磁学上称之为电涡流电涡流。v电涡流效应与被测金电涡流效应与被测金属间的属间的距离距离及及电导率、
34、电导率、磁导率、线圈的几何形磁导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频状、几何尺寸、电流频率率等参数有关。通过电等参数有关。通过电路可将被测金属参数转路可将被测金属参数转换成电压或电流变化。换成电压或电流变化。57电涡流的形成电涡流的形成n线圈通入交变电流线圈通入交变电流I，在线圈的周围产生交变的磁场，在线圈的周围产生交变的磁场H1n位于该磁场中的金属导体上产生感应电动势并形成涡流位于该磁场中的金属导体上产生感应电动势并形成涡流n涡流也产生相应的磁场涡流也产生相应的磁场H2，H2与与H1方向相反方向相反nH2的作用引起的作用引起线圈等效阻抗、等效电感线圈等效阻抗、等效电感等发生相应的变等发生相应
35、的变化。化。),(xfIrfZ:电导率电导率:导磁率导磁率r r：线圈半径等几何尺寸：线圈半径等几何尺寸I:I:线圈电流线圈电流f:f:频率频率X:X:距离距离58121111UIMjILjIR012222IMjILjIR1I1H2I2H2I1I1211IUZ222222222212222221LRMLLjLRMRRRL59222212222212011)()(ZMRRZMLLQZReZImQ222222221LRMRRR222222221LRMLLL110RLQ222222LRZ60高高频频反反射射式式低低频频透透射射式式电电涡涡流流式式传传感感器器618.1dDmmH2.062 电涡流探头
36、电涡流探头外形外形631L1UM2L2U发射线圈接收线圈M2U2U2ULCf210最大CRLZ01L1UM2L2U发射线圈接收线圈H1L1UM2L2U发射线圈接收线圈HM64 石英振荡器产生稳频、稳幅高频振荡电压石英振荡器产生稳频、稳幅高频振荡电压(100kHz1MHz(100kHz1MHz）用于激励电涡流线圈。金属材料在高频磁场中产生电涡流，引用于激励电涡流线圈。金属材料在高频磁场中产生电涡流，引起电涡流线圈端电压的衰减，再经高放、检波、低放电路，最起电涡流线圈端电压的衰减，再经高放、检波、低放电路，最终终输出的直流电压输出的直流电压U Uo o反映了金属体对电涡流线圈的影响（例反映了金属体
37、对电涡流线圈的影响（例如两者之间的距离等参数）。如两者之间的距离等参数）。调幅式（调幅式（AM）电路）电路65调频（调频（FM）式电路）式电路(100kHz1MHz）当电涡流线圈与被测体的距离当电涡流线圈与被测体的距离x x 改变时，电涡流线圈改变时，电涡流线圈的电感量的电感量L L 也随之改变，引起也随之改变，引起LC LC 振荡器的振荡器的输出频率变化输出频率变化，此频率可直接用计算机测量。如果要用模拟仪表进行显示此频率可直接用计算机测量。如果要用模拟仪表进行显示或记录时，必须使用鉴频器，将或记录时，必须使用鉴频器，将 f f转换为电压转换为电压 U Uo o 。66四四.应用应用-具有结
38、构简单、抗干扰能力强、非接触测量等特点大直径电涡流探雷器大直径电涡流探雷器 67若转轴上开若转轴上开z 个槽个槽(或齿或齿)，频率计的读数为，频率计的读数为f（单位为（单位为Hz），），则转轴的转速则转轴的转速n（单位为（单位为r/min）的计算公式为）的计算公式为 60 fnz转速测量转速测量68电动机转速测量电动机转速测量例：例：设齿数设齿数z z=48，测得频率，测得频率 f=120Hz，求该，求该齿轮的转速齿轮的转速n。693.计数计数间隙越大，电间隙越大，电涡流越小涡流越小测量封口机工作间隙测量封口机工作间隙704.4.测厚度测厚度 由于存在集肤效应，镀由于存在集肤效应，镀层或箔层越
39、薄，电涡流越层或箔层越薄，电涡流越小。测量前，可先用电涡小。测量前，可先用电涡流测厚仪对标准厚度的镀流测厚仪对标准厚度的镀层和铜箔作出层和铜箔作出“厚度厚度-输出输出”电压的标定曲线，以便测电压的标定曲线，以便测量时对照。量时对照。715.探伤探伤72手持式裂纹测量仪手持式裂纹测量仪油管探伤油管探伤736.测振动测振动 测量悬臂梁的振幅测量悬臂梁的振幅及频率及频率 汽轮机叶片测试汽轮机叶片测试74 自感式传感器工作原理、测量电路；自感式传感器工作原理、测量电路；差动变压器式差动变压器式(互感式互感式)传感器工作原理、传感器工作原理、等效电路及测量电路；等效电路及测量电路；零点残余电压的影响和补偿；零点残余电压的影响和补偿；电涡流传感器的工作原理及应用电涡流传感器的工作原理及应用75作业n调研电感式传感器的应用实例（最好与生物医学工程相关）要求：每人PPT讲解5-8分钟成员：宋凌宇、程筱、冯沛严、许鹏飞、马良
