电感式传感器 (Inductive sensors)在线视频

欢迎大家继续学习

测试与检测技术基础这门课程

这节课

我们将继续学习第四章

被测量的获取

首先我们从

汽车过交通指示灯检测

来谈一谈电感式传感器

通常汽车在过红绿灯的时候

在停车线下会埋有感应线圈

当红灯时

车辆越线

感应线圈的磁场会产生变化

触发电子眼获取违章图像

感应线圈检测的是什么呢

是基于互感原理来实现的

那么下面这张图

就是交通自行放行系统

它就是根据上述原理

来检测闯红灯的现象

举另外一个例子

就是从工件输送定位

谈电感式传感器

我们知道电感式传感器

它会大量应用于

汽车制造的输送线上

它会起到滑翘检测

或者分轨到位检测作用

我们把他们又称为

接近式的开关

那么通常呢

接近式开关一般是成对使用的

当检测到工位到达的目标时

那么发出停止信号

在加工制造当中

还有一个作用就是

保护限位的位置

这样一个作用

下面这些图分别是在

汽车生产线

接近开关和输送线上的

接近开关等等

进行应用

电感式传感器的实例

那么接下来我们看看

什么是电感式传感器

它的定义是这样给出的

首先它是利用电磁感应原理

将被测的非电量转换成

电磁线圈的自感

或者互感量变化的一种装置

那么按分类的方式来说

有两种分类的方式

一种是按照转换方式分类

它包括自感式

互感式

按照结构的方式

进行分类有三种

一种是变气隙式

另外一种是变截面式

还有一种是螺管式

那么电感式传感器

它是基于电磁感应原理的

它是把被测量

转化为电感量的一种装置

前面我们也谈到了

有自感式和互感式

在自感式当中又分成两种

一种是可变磁阻式

和涡流式两种

那么首先看看自感式

又可以分为可变磁阻式

那么可变磁阻式

这种电感式传感器

是根据电磁感应原理

线圈在通电后

则在其中会产生一个磁通φm

它的大小与所加的电流i

是成正比的

那么这是电磁感应定律

那么从（4.22）式当中

也是从Wφm＝Li

我们也可以看到

这是电磁感应的基本原理

那么在这个式子当中

W是线圈的匝数

L是比例系数

那么在这当中

我们称为自感

它的单位是亨利

那么另外我们根据

磁路的欧姆定律

又得到了（4.23）式

φm=Wi/Rm

其中Wi是磁动势

Rm是磁阻

那么我们把上面的式子

代入到（4.22）式

就得到了（4.24）式

这个式子就是所谓的自感

等于什么呢

等于W2/Rm

这个式子是非常非常重要的

当不考虑磁路的铁损

并且它的气隙δ 较小的时候

这个时候我们就可以得到

这个磁路的总磁阻

就是（4.25）式Rm

在这个式子当中l是铁芯的

导磁长度

μ是铁芯的磁导率

A是铁芯导磁的截面积

δ是气隙宽度

那么μ0是空气的导磁率

μ0等于什么呢

等于4π×10的负7次方（H/m)

A0是空气的导磁横截面积

是m2它的单位

那么左边这张图

就是可变磁阻式传感器的基本原理

接下来我们对这个公式进一步推导

忽略上面的第一项

我们就可以得到总磁阻Rm

就得到了（4.26）式

把上面这个式子

代入到（4.24）式当中

这个时候我们就得到了

L＝W的平方×μ0×A0/2δ

我们得到了（4.27）式

（4.27）式实际上说明

自感L和气隙导磁截面积A0

是成正比的

与气隙间隙是成反比的

那么下面我们

对传感器的敏感度进行讨论

当A0固定的时候

如果我们变化δ的时候

那么这个时候我们可以看到

L与δ是成非线性变化的关系

从图4.15的曲线

我们也可以看到

它是一个非线性的关系

这个时候电感式传感器

它的灵敏度S＝dL/dδ

等于什么呢

等于-W平方×μ0×A0/2δ平方

这个就是我们得到的电感式传感器

灵敏度的表达式

请大家一定要记住这个表达式

接下来我们再看一下

灵敏度S和气隙宽δ的

平方值成反比

这样的一个关系

由于δ不是常数

因此呢就会产生一个非线性的误差

那么这个时候

这种传感器经常规定在

比较小的变化气隙范围内去工作的

也就是说电感式传感器

它测量的范围通常来说是比较小的

那么我们可以看一下

由上面的（4.28）式

我们刚刚给出的灵敏度的公式

电感式传感器灵敏度的公式

我们可以得到S的另外一个表达式

我们看到了约等号后面

这部分的表达式

那么前面依然是

W平方μ0A0/2δ平方

那么后面多了一项

就是2Δδ/δ0

那么我们接下来对它进行讨论

当这个气隙的变化特别小的时候

也就是Δδ远远小于δ0的时候

灵敏度S又可以进一步的

近似为（4.29）式

这样一个公式的表达

也就是S＝W平方×μ0×A0/2δ平方

此时S是一个定值的时候

输入与输出

我们就可以看到

是一个近似的线性关系

实际上在实际的使用过程当中

我们通常选取Δδ/δ小于0.1

那么这种传感器

通常适合于测量非常小的位移

一般情况下是测量

0.001~1mm之间

这样一个小的位移范围

那么它的最高测量分辨率

是0.01μm

那么接下来我们看看

要提高自感应式传感器的灵敏度

那么首先

我们如何去增大传感器的范围

通常是采用

将两个结构相同的自感应的线圈

组合在一起

通常我们把它称之为

差动式的电感式传感器

这种传感器可以很好的

提高传感器的灵敏度

旁边的这个4.16图

就是变磁阻式电感传感器结构形式

其中这个(a)图

是可变磁阻式面积型的

电感传感器

(b)图呢是

可变磁阻式螺线管型的

电感传感器

(c)图呢

是差动式电感传感器

它的工作的输入输出特性

下面我们看一下

自感式传感器的应用

图（a）是测量透平轴

与其壳体间的轴向相对伸长

那么图(b）呢

是用于确定一个磁性材料上

非磁性涂层的厚度

图（c）呢

是测量在一个高压蒸汽管道当中的

阀的位置的情况

下面我们看一看

发动机的转速传感器

那么发动机的转速

应该说是汽车运行当中的

一项非常非常重要的参数

那么发动机的转速传感器

它是利用一种叫

电涡流式这种传感器

的原理来制成的

那么下面这些图

我们可以看到这就是

汽车当中转速的仪表

那么下面我们也可以看到

如何去用电涡流传感器

去测量汽车的转速的

好接下来我们就介绍一下

什么是电感式传感器当中的

涡流式传感器

那么涡流式传感器

它的定义是这样给出的

当金属导体

放置于变化着的

磁场当中的时候

或者是在磁场中运动的时候

那么在金属导体内

就会产生感应电流

由于这种电流

在金属导体内是自身闭合的

因此我们就称为涡电流

或者叫涡流

从图4.18当中

我们也可以看到

这就是涡流式传感器

包括它产生的涡流的情况

那么涡流式传感器

它的工作原理是什么呢

我们可以看一下

首先当一个线圈当中

通一个交变高频电流的时候

就会引起一个交变的磁通φ

在靠近线圈的金属表面内

会产生一个感应电流i

那么该电流i1呢

我们把它称之为涡流

根据楞次定律

由该涡电流产生的

交变磁通φ1

将与线圈产生的磁场方向相反

也就是φ1将抵抗φ的变化

由于该涡流磁场的作用

会使线圈的等效阻抗发生变化

那么它变化的程度呢

除了与两者间的距离δ有关系之外

还与金属导体的电阻率ρ

磁导率μ

以及线圈的激磁电流圆

频率ω有关

那么接下来我们看一看

电涡流传感器

与被测物体的等效电路

在图4.19当中

表达的是电涡流式传感器

与被测物体的等效电路的示意图

在这个图当中

金属导体

被抽象为一个短路线圈

它与传感器线圈磁性耦合

两者之间

定义它的互感系数为M

表示耦合的程度

那么它随着距离δ的增大而减小

那么这就是

图4.19所表达的具体的含义

那么电涡流传感器分成两类

一类是高频的反射式

一类是低频的透射式

它的用途

我们可以看到首先

它是可以测量位移的

另外还可以测量振动等

相关的物理量

那么接下来我们看看

低频透射式涡流传感器

这种传感器通常

是用于测量材料的厚度

在图4.20这个表达当中

我们可以看到

低频透射式涡流传感器的

工作的情况

那么在被测材料G的上下方

分别放置了

有发射线圈W1和接收线圈W2

两个线圈

在发射线圈W1端呢

加了一个低频电压e1

它会产生交变的磁场

在材料G当中呢

这个感应产生了一个涡流i

由于这个涡流i的产生

就消耗了磁场的能量

穿过接收线圈W2的磁通就会减小

那么因此呢就使W2

产生的感应电动势减小

那么e2的大小和材料

G的材质和厚度都是有关系的

那么e2会随材料的厚度H的增加

按指数规律来去减小

那么我们从图4.20（b）当中

也可以看到

因此说利用e2的变化

也就是说

可以确定材料的厚度

那么涡流式传感器

它的测量电路一般是由

阻抗分压式调幅电路

和调频电路两种

那么图4.21的涡流测振仪

它就是一种分压的调幅电路

在这个当中有这么几个部分

一部分是被测件金属板

那么上面是感应线圈

它和金属板之间是有一个距离

这个距离我们把它称之为δ

那么后面的电路

是由LC电路组成

通过振荡器在LC中产生振荡电路

那么通过把测量的信号

进行放大减波和滤波

最后得到它的输出的值的大小

也就是电感式传感器输出的大小

那么另外一种电路呢是调频电路

它的工作原理

在图4.23当中我们可以看到

那么该方法同样是把

传感器的线圈

接成一个LC的振荡回路

与调幅电路不同的是

将回路的谐振频率

作为它的输出量

那么随着间隙δ的变化

线圈电感L也将发生变化

因此呢

就会使振荡器的振荡频率f发生变化

采用鉴频器

对输出频率作频率电压的转换

也就是可以得到

与δ成正比的输出电压信号

那么下面我们可以看到

这就是实际的

电涡流传感器的图片

那么涡流式电感传感器

由于它的结构是比较简单的

使用也比较方便

这样它就可以在很多的领域

都可以有一个很好的应用

比方说在测量位移

振动、材料的无损探伤

等等这些领域都可以进行应用

那么它测量的范围和精度

取决于传感器的结构和尺寸

以及线圈匝数

以及激磁的频率等等这些因素

那么通常

电涡流式传感器

它测量的距离可以达到0mm～30mm之间

它的测量的频率范围

是0Hz～10的4次方Hz

同时它的线性误差呢

大概在1%～3%

分辨率呢最高可以达到0.05μm

那么下面

是几个涡流式传感器应用的实例

那么我们可以看到

在a图当中是测量轴的

摆动的情况

那么在b图当中

测量是回转的轴心

c图呢是测量转速

那么在d图当中呢

是测量材料的厚度

在e图当中是测量物件的计数

那么在f图当中是测量

这个表面的探伤

那么从这些图当中我们可以看到

涡流式传感器

它的应用的范围是非常广泛的