的一種裝置可用來(lái)測(cè)位移壓力振動(dòng)等多種非電量既.ppt

1、電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，它是把被測(cè)量轉(zhuǎn)化為電感量（自感或互感）的一種裝置。 可用來(lái)測(cè)位移、壓力、振動(dòng)等多種非電量，既可用于靜態(tài)測(cè)量，又可用于動(dòng)態(tài)測(cè)量,第三章 電感式傳感器,第三章 電感式傳感器,第三章 電感式傳感器,3-1 自感式傳感器,a) 氣隙型 b) 截面型 c) 螺管型,原理,結(jié)構(gòu)形式,變間隙式、變面積式和螺管式,第三章 電感式傳感器,歸結(jié)于三種類型,一、自感式傳感器的工作原理,第三章 電感式傳感器,螺管式電感傳感器建立在磁路磁阻隨著銜鐵插入深度 不同而變化的基礎(chǔ)上,第三章 電感式傳感器,鐵心的結(jié)構(gòu)和材料確定后，自感是氣隙厚度和氣隙截面積的函數(shù),第三章 電感式傳感器,1. 變氣

2、隙式自感傳感器,氣隙的磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻,L與之間是非線性關(guān)系,磁路總的磁阻為,線圈的電感為,第三章 電感式傳感器,變間隙式電感傳感器L-特性,第三章 電感式傳感器,第三章 電感式傳感器,1）當(dāng)銜鐵上移時(shí), 傳感器氣隙減小, 即=0, 則此時(shí)輸出電感為L(zhǎng) = L0+L,當(dāng)/ 1時(shí), 可將上式用泰勒級(jí)數(shù)展開,第三章 電感式傳感器,2）當(dāng)銜鐵下移時(shí), 傳感器氣隙增大, 即=0, 則此時(shí)輸出電感為L(zhǎng) = L0L,第三章 電感式傳感器,差動(dòng)變隙式電感傳感器,1-鐵芯； 2-線圈； 3-銜鐵,當(dāng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí)，兩個(gè)線圈的電感變化量L1、L2,第三章 電感式傳感器,第三章 電感式傳感器,第三章 電

3、感式傳感器,2. 變面積式自感傳感器,靈敏度,第三章 電感式傳感器,第三章 電感式傳感器,3. 螺線管式自感傳感器,1-螺線管線圈； 2-螺線管線圈； 3-骨架； 4-活動(dòng)鐵芯,L10，L20分別為線圈、的初始電感值,圖 差動(dòng)螺線管式電感傳感器結(jié)構(gòu)原理圖,第三章 電感式傳感器,第三章 電感式傳感器,當(dāng)鐵芯右移后，使右邊電感值增加，左邊電感值減小,每只線圈的靈敏度為,兩只線圈的靈敏度大小相等，符號(hào)相反，具有差動(dòng)特征,第三章 電感式傳感器,第三章 電感式傳感器,二、自感線圈的等效電路,自感線圈不是一個(gè)純電感，除了電感量L之外，還存在線圈的銅耗、鐵心的渦流及磁滯損耗,Re 銅損電阻； Rc 鐵心渦流

4、損耗； Rh 鐵心的磁滯損耗； C 分布等效電容（線圈 繞組間,第三章 電感式傳感器,1、銅損電阻,第三章 電感式傳感器,2、渦流損耗電阻Re,由于交變磁場(chǎng)的存在將使鐵心中產(chǎn)生渦流，并造成渦流損耗。渦流損耗的平均功率為,f 交變磁化頻率； Bm 磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值； V 鐵心體積； K 與鐵心形狀有關(guān)的系數(shù)； m 鐵磁材料電阻率；a 單片厚度或直徑,因Re為一個(gè)與電感L 并聯(lián)的電阻，因此,第三章 電感式傳感器,I 流過(guò)電感 電流有效值,鐵心磁導(dǎo)率,由鐵心渦流損耗引起的損耗因數(shù),Ke 與鐵心材料、形狀有關(guān),渦流損耗引起的損耗因數(shù)與頻率 f 成正比,3、磁滯損耗電阻Rh,鐵心磁滯損耗功率,近似經(jīng)驗(yàn)公式

5、,第三章 電感式傳感器,第三章 電感式傳感器,鐵心材料的相對(duì)磁導(dǎo)率,磁滯損耗因數(shù),磁滯損耗因數(shù)是一個(gè)與頻率無(wú)關(guān)的常數(shù)，一般很小,第三章 電感式傳感器,4、總損耗因數(shù)及品質(zhì)因數(shù),電感線圈總的損耗因數(shù)為,可見(jiàn)，fm是對(duì)應(yīng)于最小的總損耗因數(shù)時(shí)的最佳頻率，且Dc=De,第三章 電感式傳感器,鐵心線圈電感的品質(zhì)因數(shù)為總損耗因數(shù)的倒數(shù),在 fm處，品質(zhì)因數(shù)的極大值為,第三章 電感式傳感器,5、并聯(lián)電容C的影響,一般在高頻時(shí)考慮，可以忽略,第三章 電感式傳感器,三、自感傳感器特點(diǎn)總結(jié),1、閉磁路電感傳感器特點(diǎn) （1）靈敏度高。目前可測(cè)0.1m的直線位移，輸出信號(hào)比 較大，信噪比較好。 （2）全量程范圍小，只

6、適于測(cè)量較小位移。 （3）存在非線性。 （4）消耗功率大（有較大的電磁吸力的緣故）。 （5）工藝要求不高，加工容易,2、開磁路電感傳感器特點(diǎn) （螺線管中間插入可動(dòng)鐵心） （1）靈敏度比閉磁路電感傳感器低，易受干擾。 （2）全量程范圍較大，達(dá)200300mm。 （3）線性差，低于1%，必須做成差動(dòng)形式,第三章 電感式傳感器,第三章 電感式傳感器,四、自感傳感器配用電路,轉(zhuǎn)換電路類型： *調(diào)幅式：xA 調(diào)頻式： xf（） 調(diào)相式： x,1) 變壓器電路,輸出空載電壓,銜鐵偏離中間零點(diǎn)時(shí),初始平衡狀態(tài)，Z1=Z2=Z, u0=0,圖 變壓器電橋,1、調(diào)幅電路,第三章 電感式傳感器,傳感器銜鐵移動(dòng)方向

7、相反時(shí),空載輸出電壓,只能確定銜鐵位移的大小，不能判斷位移的方向。 為了判斷位移的方向，要在后續(xù)電路中配置相敏檢波器,第三章 電感式傳感器,2) 相敏檢波電路,電路作用：辨別銜鐵位移方向。 U0的大小反映位移的大小，U0的極性反映位移的方向。 消除零點(diǎn)殘余電壓。使x=0時(shí)，U0=0,第三章 電感式傳感器,3）諧振式調(diào)幅電路,電路的靈敏度很高，但是線性差，適用于線性要求不高的場(chǎng)合,圖 諧振式調(diào)幅電路,第三章 電感式傳感器,諧振點(diǎn)的自感值,傳感器自感變化將引起輸出電壓頻率的變化,G,C,L,f,圖 調(diào)頻電路,2. 調(diào)頻電路,第三章 電感式傳感器,f 較大時(shí)有較高的精度,傳感電感變化將引起輸出電壓相

8、位變化,3.調(diào)相電路,圖 調(diào)相電路,第三章 電感式傳感器,第三章 電感式傳感器,第三章 電感式傳感器,自感傳感器的靈敏度：（傳感器測(cè)頭+轉(zhuǎn)換電路）總靈敏度,傳感器結(jié)構(gòu)（測(cè)頭）靈敏度,轉(zhuǎn)換電路靈敏度,總靈敏度,傳感器靈敏度單位：mV/（m V,五、傳感器的靈敏度,在調(diào)幅式電路中，當(dāng)u0=0時(shí)，應(yīng)有Z1=Z2=Z，而Z包含兩部分R和L，只有兩部分分別相等時(shí)（即R1=R2，L1=L2），才能保證u0=0。但在實(shí)際中很難達(dá)到，實(shí)際的u0 x曲線如圖，x=0時(shí)， u0=e0，稱為零點(diǎn)殘余電壓,零殘電壓過(guò)大帶來(lái)的影響： 靈敏度下降、非線性誤差增大 測(cè)量有用的信號(hào)被淹沒(méi)，不再反映被測(cè)量變化造成放大電路后級(jí)飽

9、和，儀器不能正常工作,產(chǎn)生的原因： 兩電感線圈的等效參數(shù)（電感、電阻）不對(duì)稱； 鐵芯的B-H特性的非線性，產(chǎn)生高次諧波不同，不能互相抵消,第三章 電感式傳感器,七、零點(diǎn)殘余電壓,減小的措施： 設(shè)計(jì)上：使上、下磁路對(duì)稱，盡量減小銅損電阻Rc，增大鐵心的渦流損Re及磁滯損Rh以提高線圈的品質(zhì)因數(shù)； 制造上：使上、下磁性材料一致。零部件配套挑選，線圈排列均勻、一致。 調(diào)整方法：串（并）接電阻、并聯(lián)電容方法。 電路上：利用相敏檢波可以減小零殘,第三章 電感式傳感器,電感的等效電路,第三章 電感式傳感器,第三章 電感式傳感器,3-2 變壓器式傳感器,一、工作原理,變壓器式傳感器是將非電量轉(zhuǎn)換為線圈間互感

10、M的磁電機(jī)構(gòu)，很象變壓器的工作原理，稱為變壓器式傳感器，多采用差動(dòng)結(jié)構(gòu),第三章 電感式傳感器,A、B為兩個(gè)山字形固定鐵心，在其窗中各繞有兩個(gè)線圈，W1a及W1b為1次繞組，W2a及W2b為2次繞組，C為銜鐵,當(dāng)沒(méi)有非電量輸入時(shí)， ，繞組W1a和W2a間的互感Ma與繞組W1b和W2b間的互感Mb相等,當(dāng)銜鐵位置改變 時(shí) ，則 ，此互感的差值即可反映被測(cè)量的大小,第三章 電感式傳感器,為反映差值互感，將兩個(gè)一次繞組的同名端順向串聯(lián)，并施加交流電壓Ua，而兩個(gè)二次繞組的同名端反向串聯(lián)，同時(shí)測(cè)量串聯(lián)后的合成電勢(shì)E2,E2值的大小決定于被測(cè)位移的大小，E2的方向決定于位移的方向,二次繞組W2a的互感電勢(shì)

11、； 二次繞組W2b的互感電勢(shì),二、結(jié)論,1、供電電源必須是穩(wěn)幅和穩(wěn)頻的； 2、N1/N2比值越大，靈敏度越高； 3、0初始空氣隙不宜過(guò)大，否則靈敏度會(huì)下降； 4、電源幅值應(yīng)適當(dāng)提高，但應(yīng)以鐵心不飽和為限,第三章 電感式傳感器,第三章 電感式傳感器,電感式傳感器一般用于接觸測(cè)量，它主要用于位移測(cè)量，也可以用于振動(dòng)、壓力、流量、液位等參數(shù)測(cè)量,3-3 電感式傳感器的應(yīng)用,厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,壓縮,垂直度; 壓力,流量,液位;張力,重力,負(fù)荷量;扭矩, 應(yīng)力,動(dòng)力;氣壓,溫度;振動(dòng),速度,加速度;等,可測(cè)量的物理量包括,第三章 電感式傳感器,板的厚度測(cè)量,張力測(cè)量,第三章 電感式傳感器,旁

12、向式差動(dòng)電感式傳感器,總行程： 1.5mm 測(cè)量力：0.40.7N 示值變動(dòng)性：0.2m,軸向式差動(dòng)電感式傳感器,總行程： 3mm 測(cè)量力：0.450.65N 示值變動(dòng)性：0.03m,總行程：1.5mm 測(cè)量力：0.120.18N 示值變動(dòng)性：0.05m,第三章 電感式傳感器,軸向式差動(dòng)變壓器式傳感器,總行程： 100mm 線性度：0.15,總行程： 2 7mm 測(cè)量力：0.91.2N 示值變動(dòng)性：0.5m,第三章 電感式傳感器,電子卡規(guī)、塞規(guī),特點(diǎn)：不僅可以測(cè)量微米級(jí)直徑，而且通過(guò)其在孔內(nèi)旋轉(zhuǎn)和平移可以測(cè)量其橢圓度和圓柱度 被測(cè)孔內(nèi)徑范圍:25120mm 測(cè)量力：1.30.3N 示值變動(dòng)性：

13、1m,特點(diǎn)：不僅可以測(cè)量微米級(jí)直徑，還可以測(cè)量軸的橢圓度和圓柱度 被測(cè)軸直徑范圍:25120mm 測(cè)量力：41.5N 示值變動(dòng)性：1m,第三章 電感式傳感器,特點(diǎn)： 可單傳感器測(cè)量，也可兩個(gè)傳感器進(jìn)行和差演算測(cè)量,指標(biāo),電感測(cè)微儀,電感測(cè)微儀是一種能夠測(cè)量微小尺寸變化的精密測(cè)量?jī)x器，它由主體和測(cè)頭兩部分組成，配上相應(yīng)的測(cè)量裝置（例如測(cè)量臺(tái)架等），能夠完成各種精密測(cè)量。例如，檢查工件的厚度、內(nèi)徑、外徑、橢圓度、平行度、直線度、徑向跳動(dòng)等，被廣泛應(yīng)用于精密機(jī)械制造業(yè)、晶體管和集成電路制造業(yè)以及國(guó)防、科研、計(jì)量部門的精密長(zhǎng)度測(cè)量。目前，國(guó)內(nèi)常用的電感測(cè)微儀有指針式和數(shù)字式兩種,第三章 電感式傳感器,

14、輪廓儀,輪廓儀：測(cè)量工件表面輪廓狀況的儀器,按起伏節(jié)距的大小分為：微觀不平度、波度、宏觀幾何形狀誤差,微觀不平度：表面粗糙度，其粗高與粗距都很小。 波 度：是一種周期性的起伏，其波距比波高大得多。 宏觀形狀誤差： 如直線度、平面度、圓度誤差 等，它的波距很大，在一個(gè)表面上只有幾個(gè)起伏，甚至不呈周期性變化,第三章 電感式傳感器,第三章 電感式傳感器,典型電動(dòng)輪廓儀組成框圖,第三章 電感式傳感器,第三章 電感式傳感器,3-4 電渦流式傳感器,電渦流傳感器可以測(cè)量位移、厚度、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、硬度等參數(shù)，還可以進(jìn)行無(wú)損探傷，是一種應(yīng)用廣泛且有發(fā)展前途的傳感器。 電渦流傳感器是利用電渦流效應(yīng)原理，將位移等非

15、電量轉(zhuǎn)換為阻抗的變化（或電感的變化，或Q值的變化），從而進(jìn)行非電量電測(cè)的,下圖所示為高頻反射式渦流傳感器工作原理。金屬板置于一只線圈的附近，它們之間相互的間距為為，當(dāng)線圈輸入一交變電流i時(shí)，便產(chǎn)生交變磁通量金屬板在此交變磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流i1，這種電流在金屬體內(nèi)是閉合的，所以稱之為渦電流或渦流。渦流的大小與金屬板的電阻率、磁導(dǎo)率、厚度h，金屬板與線圈的距離，激勵(lì)電流角頻率等參數(shù)有關(guān)。若改變其中某二參數(shù)，而固定其他參數(shù)不變，就可根據(jù)渦流的變化測(cè)量該參數(shù),第三章 電感式傳感器,低頻透射式渦流傳感器的工作原理如右圖所示，發(fā)射線圈1和接收線圈2分別置于被測(cè)金屬板材料G的上、下方。由于低頻磁場(chǎng)集膚效應(yīng)

16、小，滲透深，當(dāng)?shù)皖l(音頻范圍)電壓e1加到線圈1的兩端后，所產(chǎn)生磁力線的一部分透過(guò)金屬板材料G,使線圈2產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e2。但由于渦流消耗部分磁場(chǎng)能量，使感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e2減少，當(dāng)金屬板材料G越厚時(shí)，損耗的能量越大，輸出電動(dòng)勢(shì)e2越小。因此，e2的大小與G的厚度及材料的性質(zhì)有關(guān)，試驗(yàn)表明，e2隨材料厚度h的增加按負(fù)指數(shù)規(guī)律減少,如圖所示，因此，若金屬板材料的性質(zhì)一定，則利用e2的變化即可測(cè)量其厚度,第三章 電感式傳感器,第三章 電感式傳感器,一、工作原理,一個(gè)通有交變電流 的線圈，由于電流的變化，在線圈周圍就產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)H1，當(dāng)被測(cè)導(dǎo)體置于該磁場(chǎng)范圍之內(nèi)，被測(cè)導(dǎo)體內(nèi)便產(chǎn)生電渦流 ，電渦流也將產(chǎn)

17、生一個(gè)新磁場(chǎng)H2， H2與H1方向相反，因而抵消部分原磁場(chǎng)，從而導(dǎo)致線圈的電感量、阻抗和品質(zhì)因數(shù)發(fā)生改變,線圈等效外半徑,第三章 電感式傳感器,一般地說(shuō)，傳感器線圈的阻抗、電感和品質(zhì)因數(shù)的變化與導(dǎo)體的幾何形狀、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率有關(guān)，也與線圈的幾何參數(shù)、電流的頻率以及線圈到被測(cè)導(dǎo)體間距離有關(guān)。如果控制上述參數(shù)中一個(gè)變化，其余皆不變化，就可以構(gòu)成測(cè)位移、測(cè)溫度、測(cè)硬度等各種傳感器,下面分析一下電渦流對(duì)電路參數(shù)的影響,第三章 電感式傳感器,首先把被測(cè)導(dǎo)體上形成的電渦流等效為一個(gè)短路環(huán)，這樣可使得分析問(wèn)題更簡(jiǎn)便。這個(gè)簡(jiǎn)化模型可用下面的等效電路圖來(lái)表示,假定傳感器線圈原有電阻R1，電感L1，則其復(fù)阻抗 Z

18、1=R1+jL1,當(dāng)有被測(cè)導(dǎo)體靠近傳感器線圈時(shí)，則成為一個(gè)耦合電感，線圈與導(dǎo)體之間存在一個(gè)互感系數(shù)M，互感系數(shù)隨線圈與導(dǎo)體之間距離的減小而增大。短路環(huán)可看作一匝短路線圈，電阻為R2，電感為L(zhǎng)2,第三章 電感式傳感器,解方程組，可知傳感器工作時(shí)復(fù)阻抗為,第三章 電感式傳感器,二、電渦流式傳感器特性,1、電渦流強(qiáng)度與距離的關(guān)系,不考慮電渦流分布的不均勻性，可以得到導(dǎo)體中電渦流強(qiáng)度為,I1 線圈激勵(lì)電流； x 線圈到被測(cè)體的距離； I2 導(dǎo)體中產(chǎn)生的電渦流,I2隨x增加而急劇減小。為能得到較強(qiáng)的渦流效應(yīng)，應(yīng)使 x/ ras 1?？梢?jiàn)線圈外徑ras與被測(cè)位移量 x 有密切關(guān)系,用渦流傳感器測(cè)量位移時(shí)，只在很小的測(cè)量范圍內(nèi)能得到較好的線性和較高的靈敏度,第三章 電感式傳感器,2、被測(cè)導(dǎo)體對(duì)傳感器靈敏度的影響,1）被測(cè)導(dǎo)體的電阻率P和相對(duì)磁導(dǎo)率越小，傳感器的靈敏度愈高。 （2）由于渦流式位移傳感器是高頻反射式渦流傳感器，因此，被測(cè)導(dǎo)體必須達(dá)到一定的厚度，才不會(huì)產(chǎn)生電渦流的透射損耗，使傳感器具有較高的靈敏度。一般要求被測(cè)導(dǎo)體的厚度大于兩倍的渦流穿透深度,3）只有在 D/d 大于3.5時(shí)，傳感器靈敏度才有穩(wěn)態(tài)值,三、電渦流傳感器的測(cè)量電路,根據(jù)傳感器線圈與被測(cè)導(dǎo)體間的距離 x 的變化可以轉(zhuǎn)換為品質(zhì)因數(shù)Q、阻抗Z、線圈電感L三個(gè)參