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计算机硬件及网络三章电感式传感器PPT课件

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计算机硬件及网络 电感式传感器 传感器PPT 式电感传感器
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第二章 电感式传感器 电感式传感器是把被测物理量如位移、力 等参量转化成自感L、互感M变化的一种传感 器。 类型 互感式 涡流式 自感式 气隙型 截面型 螺管型 差动变压动变压 器式 n结构简单、可靠,测量力小,电磁吸引力数量级为10-3 N ; n灵敏度高,最高分辨力达0.1μm ; n测量精确度高,输出线性度可达±0.1% ; n输出功率较大,在某些情况下可不经放大直接接二次仪表 。 主要缺点: n传感器本身的频率响应不高,不适于快速动态测量; n对激磁电源的频率和幅度的稳定度要求较高; n传感器分辨力与测量范围有关,测量范围大,分辨力低, 反之则高。 电感式传感器的主要优点: 一、自感式传感元件 1.工作原理与结构 电磁感应定律:当一个线圈中电流i变化时,该电流产生的 磁通Φ也随之变化,因而在线圈本身产生感应电势el,这种 现象称之为自感。产生的感应电势称为自感电势。 自感式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔 铁由导磁材料制成,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。 自感式传感器 根据对电感的定义,线圈中电感量: 式中:Ψ——线圈总磁链; I——通过线圈的电流; W——线圈的匝数; φ——穿过线圈的磁通(通过某一截面积的磁力线总数Φ=B*S ) 式中:Rm——磁路总磁阻。 由磁路欧姆定律, 得 对于变隙式传感器, 气隙很小,可视气隙中的磁场是均匀 的。 若忽略磁路磁损, 则磁路总磁阻为 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——铁芯的截面积;S2——衔铁的截面积; μ0——空气的导磁率;S0——气隙的截面积; δ——气隙的厚度。 通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻, 即 自感式位移传感元件 上式表明,当线圈匝数为常数时,电感L仅仅是磁路 中磁阻Rm的函数,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的传感器和变气隙面 积S0的传感器。 目前使用最广泛的是变气隙厚度式电感 传感器。 由上式可知L与δ之间是 非线性关系, 特性曲线 下图所示: 变隙式电压传感器的L-δ特性 (1)变变气隙型 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, 当衔铁处于初始位置时,初始电感 量: 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, 得 当Δδ/δ0ω2LC且ω2LC U68 ,则U2 0;而当衔铁在零位以下时, 则有U24 U68,则U2 0。U2的正负表示衔铁位移的方向。 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。 . . 三、 涡流式传感器 电涡流:金属导体置于变化的磁场中,导体 内就会有感应电流产生,这种电流的流线在 金属体内自行闭合,呈涡漩状。 涡流效应:电涡流的产生消耗一部分磁场能 量,从而使激励线圈的阻抗发生变化的现象。 1.工作原理与结构 线圈的阻抗变化与金属导体的几 何形状、电导率、磁导率、线圈的 几何参数、激励电流的频率及线圈 到被测金属导体的距离等参数有关 。 2 基本特性 电涡流式传感器简化模型 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(电涡流的贯穿 深度)可由下式求得: 式中, f为线圈激磁电流的频率。 根据简化模型,可画出等效电路图。图中R2为电涡流短路 环等效电阻,其表达式为 根据基尔霍夫第二定律: 式中: ω——线圈激磁电流角频率; R1、L1——线圈电阻和电感; L2——短路环等效电感; R2——短路环等效电阻; M——互感系数。 由上式解得等效阻抗Z的表达式为 (3-44) 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、电涡流形成范围 (1)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 曲线如图所示。 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 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 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。 电涡流强度与距离归一化曲线 由曲线可以看出: 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。 (3). 电涡流的轴向贯穿深度 贯穿深度:把电涡流强度减小到表面强度的1/e处的表面厚度 。 由于金属导体的趋肤效应,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。 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)。 图为电涡流密度轴向分布曲 线。由图可见,电涡流密度主要 分布在表面附近。 电涡流密度轴向分布曲线 由上可知,被测体电阻率愈大, 相对导磁率愈小,以及传感器线 圈的激磁电流频率愈低,则电涡 流贯穿深度h愈大。故透射式电 涡流传感器一般都采用低频激励 。 •直接调频:把被测参数的变化直接转化为振荡 器频率的变化。 ΔL 4、测量电路 •阻抗分压压式调调幅电电路 震荡器 放大检波滤波 δ C R f e e e0 e1 e2 f0f1f3 δ=∞ δ1 δ2 δ e δ1 δ2 e2 e1 涡流传感器 线圈框架 电缆外壳 插头 涡流传感器结构图 五、电电感式传传感器的应应用 ①测测位移 电感测微仪 电感式接近传感器(金属) 涡流式传感器 案例:轴振动测量 案例:连续油管的椭圆度测量 Coiled Tube Eddy Sensor Reference Circle 案例:无损探伤 原理 裂纹检测,缺陷造成涡流变化 。 火车轮检测 油管检测 案例:板的厚度测量 ~ 板材厚度测量 案例:张力测量 3.4 电感式传感器 测转测转 速 电感式压力传感器 测压测压 力
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