电涡流传感器课件.ppt
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- 涡流 传感器 课件
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1、第第3章章 变磁阻式传感器变磁阻式传感器第第3章章 变磁阻式传感器变磁阻式传感器电涡流式传感器是利用电涡流效应进行工作的。由于结构简单、灵敏度高、频响范围宽、不受油污等介质的影响,并能进行非接触测量,适用范围广,它一问世就受到各国的重视。目前,这种传感器已广泛用来测量位移、振动、厚度、转速、温度、硬度等参数,以及用于无损探伤领域。第五节第五节 电涡流式传感器电涡流式传感器第第3章章 变磁阻式传感器变磁阻式传感器一一. .工作原理工作原理图3.25 电涡流式传感器的基本原理第第3章章 变磁阻式传感器变磁阻式传感器如图3.25所示,有一通以交变电流的传感器线圈。由于电流的存在,线圈周围就产生一个交
2、变磁场H1。若被测导体置于该磁场范围内,导体内便产生电涡流,也将产生一个新磁场H2,H2与H1方向相反,力图削弱原磁场H1,从而导致线圈的电感、阻抗和品质因数发生变化。这些参数变化与导体的几何形状、电导率、磁导率、线圈的几何参数、电流的频率以及线圈到被测导体间的距离有关。如果控制上述参数中一个参数改变,余者皆不变,就能构成测量该参数的传感器。第第3章章 变磁阻式传感器变磁阻式传感器图3.26 等效电路 为分析方便,我们将被测导体上形成的电涡流等效为一个短路环中的电流。这样,线圈与被测导体便等效为相互耦合的两个线圈,如图3.26所示。设线圈的电阻为R1,电感为L1,阻抗为Z1=R1+jL1;短路
3、环的电阻为R2,电感为L2;线圈与短路环之间的互感系数为M。 第第3章章 变磁阻式传感器变磁阻式传感器M随它们之间的距离x减小而增大。加在线圈两端的激励电压为。根据基尔霍夫定律,可列出电压平衡方程组022221121111ILjIRIMjUIMjILjIR解之得2222121222212222222212222222111)()()()(LRIMRjILMLRIMjILLRMLjRLRMRUI第第3章章 变磁阻式传感器变磁阻式传感器由此可求得线圈受金属导体涡流影响后的等效阻抗为2222222122222221)()(LRMLLjLRMRRZ(3-39)线圈的等效电感为22222221)( LR
4、MLLL(3-40)第第3章章 变磁阻式传感器变磁阻式传感器由式(3-39)可见,由于涡流的影响,线圈阻抗的实数部分增大,虚数部分减小,因此线圈的品质因数Q下降。阻抗由Z1变为Z,常称其变化部分为“反射阻抗”。由式(3-39)可得22221222221201/1ZMRRZMLLQQ(3-41)式中 无涡流影响时线圈的Q值; 短路环的阻抗。110/RLQ222222LRZ第第3章章 变磁阻式传感器变磁阻式传感器Q值的下降是由于涡流损耗所引起,并与金属材料的导电性和距离x直接有关。当金属导体是磁性材料时,影响Q值的还有磁滞损耗与磁性材料对等效电感的作用。在这种情况下,线圈与磁性材料所构成磁路的等效
5、磁导率e的变化将影响L。当距离x减小时,由于e增大而使式(3-40)中之L1变大。第第3章章 变磁阻式传感器变磁阻式传感器由式(3-39)(3-41)可知,线圈-金属导体系统的阻抗、电感和品质因数都是该系统互感系数平方的函数。而互感系数又是距离x的非线性函数,因此当构成电涡流式位移传感器时,Z=f1(x)、L=f2(x)、Q=f3(x)都是非线性函数。但在一定范围内,可以将这些函数近似地用一线性函数来表示,于是在该范围内通过测量Z、L或Q的变化就可以线性地获得位移的变化。第第3章章 变磁阻式传感器变磁阻式传感器二二. .测量电路测量电路根据电涡流式传感器的工作原理,其测量电路有三种:谐振电路、
6、电桥电路与Q值测试电路。这里主要介绍谐振电路。目前电涡流式传感器所用的谐振电路有三种类型:定频调幅式、变频调幅式与调频式。1.定频调幅电路定频调幅电路图3.27为这种电路的原理框图。第第3章章 变磁阻式传感器变磁阻式传感器图中L为传感器线圈电感,与电容C组成并联谐振回路,晶体振荡器提供高频激励信号。在无被测导体时,LC并联谐振回路调谐在与晶体振荡器频率一致的谐振状态,这时回路阻抗最大,回路压降最大(图3.28中之U0)。图3.27 定频调幅电路框图第第3章章 变磁阻式传感器变磁阻式传感器当传感器接近被测导体时,损耗功率增大,回路失谐,输出电压相应变小。这样,在一定范围内,输出电压幅值与间隙(位
7、移)成近似线性关系。由于输出电压的频率f0始终恒定,因此称定频调幅式。图3.28 定频调幅谐振曲线第第3章章 变磁阻式传感器变磁阻式传感器LC回路谐振频率的偏移如图3.28所示。当被测导体为软磁材料时,由于L增大而使谐振频率下降(向左偏移)。当被测导体为非软磁材料时则反之(向右偏移)。这种电路采用石英晶体振荡器,旨在获得高稳定度频率的高频激励信号,以保证稳定的输出。因为振荡频率若变化1%,一般将引起输出电压10%的漂移。 图3.27中R为耦合电阻,用来减小传感器对振荡器的影响,并作为恒流源的内阻。R的大小直接影响灵敏度:R大灵敏度低,R小则灵敏度高;但R过小时,由于对振荡器起旁路作用,也会使灵
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