第三章電感式傳感器

1、第三章電感式傳感器2022-2-152保持氣隙l不變傳感器線圈電感量：氣隙較小，認(rèn)為氣隙磁場(chǎng)均勻，忽略磁路鐵損： rllSWL/200-真空磁導(dǎo)率，0 =410-7(H/m)W-線圈匝數(shù)； S -磁通截面積；l -磁路長(zhǎng)度； l-氣隙總長(zhǎng)；r-鐵心和銜鐵的相對(duì)磁導(dǎo)率；對(duì)同一傳感器線圈：W、0、S、l、r均為常數(shù)，常數(shù) K =0W2S 線圈電感：rllKL/1電感的變化只與氣隙長(zhǎng)度有關(guān)，非線性輸出靈敏度： rllLdldLK/1氣隙：增大靈敏度 - 減小氣隙 - 受到工藝和結(jié)構(gòu)的限制。 常取氣隙尺寸（即測(cè)量范圍）為 =l/2 = 0.10.5mm。靈敏度：負(fù)號(hào)表示靈敏度隨著氣隙的增加而減小2、變

2、面積型自感傳感器銜鐵沿水平方向移動(dòng)磁通截面積S變化電感變化2022-2-153傳感器線圈的電感：忽略氣隙磁通邊緣效應(yīng) 線性 SKSllWLr/20輸出靈敏度： rllLdldLK/1氣隙：增大靈敏度 - 減小氣隙 - 受到工藝和結(jié)構(gòu)的限制、邊緣效應(yīng) 常取氣隙尺寸為 =l/2 = 0.10.5mm（與變氣隙型相同）負(fù)號(hào)表示靈敏度隨著氣隙的增加而減小3、螺管型自感傳感器傳感器線圈的電感： 2323lglWLag-比磁導(dǎo) 傳感器的輸出靈敏度： aaaHlLlglWdldLK/3/222特點(diǎn)：由于氣隙大，磁路磁阻大，故靈敏度較前兩者低。 提高銜鐵與套筒的直徑比與長(zhǎng)度比（結(jié)構(gòu)與非線性限制） 增加砸數(shù)（受

3、到穩(wěn)定性限制） 若主磁通不變以及線圈繞阻排列均勻，可得到較大的線性范圍銜鐵深度 線圈漏磁磁阻 線圈電感nrDg2ln202022-2-1544、差動(dòng)式自感傳感器、差動(dòng)式自感傳感器單一式自感傳感器：由于線圈電流的存在，使銜鐵受到單向電磁力的作用， 輸出信號(hào)易受電源電壓和頻率波動(dòng)、溫度變化等干擾 傳感器輸出的非線性限制了使用（變面積型傳感器） 不適于精密測(cè)量。 差動(dòng)式：由兩個(gè)單一形式的結(jié)構(gòu)對(duì)稱組合，改善其性能， 變氣隙型差動(dòng)傳感器 ：輸出靈敏度 rllLddLdLddLK/1221靈敏度提高了一倍。對(duì)電源電壓與頻率的波動(dòng)以及溫度變化等外界干擾也有補(bǔ)償作用，從而提高了傳感器的穩(wěn)定性。2022-2-1

4、555、自感傳感器的測(cè)量電路、自感傳感器的測(cè)量電路（1）測(cè)量電路組成：）測(cè)量電路組成： （2）測(cè)量電橋：）測(cè)量電橋： 傳感器線圈：Z1=r1+jL1，Z2=r2+jL2 Z1=Z+Z，Z2=Z-Z 初始狀態(tài)：r10=r20=r0，L10=L20=L0 外接電阻： R1=R2=R輸出電壓： 傳感器測(cè)量電橋放大器相敏檢波濾波器振蕩器輸出0000002222LLELjrLjELjrLjrEZZEU近似線性E-振蕩器穩(wěn)幅極性：方向相敏檢波 2022-2-156若銜鐵上移：Z1變大，Z2減小， U正半周：D1、D4導(dǎo)通，D2、D3截止，UCUD，輸出負(fù)電壓 U負(fù)半周：D1、D4截止，D2、D3導(dǎo)通，UC

5、UD，輸出正電壓 U負(fù)半周：D1、D4截止，D2、D3導(dǎo)通，UCUD，輸出正電壓 初始狀態(tài)：Z1=Z2，輸出U0=0 2022-2-157理論上-當(dāng)銜鐵處于中間位置時(shí)，輸出為零實(shí)際上-零位不平衡，輸出零為電壓-電氣參數(shù)不對(duì)稱、幾何尺寸偏差（6）零殘電壓補(bǔ)償： （5）濾波電路 ：濾除交流信號(hào)-直流電壓 危害：使提前放大器飽和；控制產(chǎn)生誤動(dòng)作；伺服電機(jī)發(fā)熱 - 補(bǔ)償Ra：使線圈電阻相等， 消除基波分量Rb：對(duì)某線圈分流， 改變工作點(diǎn) 減小二三級(jí)諧波C： 補(bǔ)償次級(jí)線圈不 對(duì)稱2022-2-158二、互感式傳感器（差動(dòng)變壓器）1、互感傳感器工作原理變 壓 器：閉合磁路 初級(jí)、次級(jí)互感為常數(shù) 一個(gè)次級(jí)互

6、感傳感器： 開磁路 初級(jí)、次級(jí)互感隨銜鐵移動(dòng)變化 兩個(gè)次級(jí)（差動(dòng)）U、I-初級(jí)線圈激勵(lì)電壓、電流，頻率L1, R1-初級(jí)線圈電感、電阻；L21, R21, L22, R22 -兩個(gè)次級(jí)線圈電感、電阻；M1, M2-初級(jí)線圈與次級(jí)線圈1、2的互感；當(dāng)銜鐵處在中間位置時(shí)： M1=M2，輸出為零當(dāng)銜鐵偏離中間位置時(shí)： M1M2，輸出與M1-M2成比，與銜鐵位移成正比傳感器開路輸出：IMMjEEU)(21222100012WWUUW1、W2：初級(jí)、次級(jí)線圈匝數(shù)0：初始?xì)庀?：銜鐵位移2022-2-1592、互感傳感器結(jié)構(gòu)變氣隙型：a, b, c 變面積型：d, e 螺管型： f2022-2-15103

7、、互感傳感器測(cè)量電路（1）測(cè)量電路組成： （2）辨向解調(diào)電路： 傳感器辨向解調(diào)放大器濾波器振蕩器輸出差動(dòng)相敏檢波電路： 差動(dòng)整流電路：2022-2-1511三、電感傳感器的應(yīng)用1、電感式位移傳感器測(cè)量范圍：零點(diǎn)幾幾百毫米線性度：0.5%，0.1%，0.05%，0.02%分辨力：0.1m 0.01 m ，1nm(1) 電感式位移傳感器： 測(cè)端10：寶石球頭（瑪瑙） 測(cè)桿8：上下軸向移動(dòng) 導(dǎo)軌7：滾動(dòng)式-多排鋼珠，過(guò)盈，摩擦小， 誤差小，精度高，壽命長(zhǎng) 滑動(dòng)式-間隙（測(cè)桿-導(dǎo)套），易磨損， 精度低，壽命低，大行程 片簧式-無(wú)間隙，無(wú)摩擦，精度高， 測(cè)力變化大，行程小，體積大 磁芯3：螺管型 線圈4

8、：差動(dòng) 彈簧5：蝶簧，產(chǎn)生測(cè)力 密封圈9：防塵，防水，防污2022-2-1512(2) 橫向電感式位移傳感器：橫向電感式位移傳感器：測(cè)桿1：杠桿 片簧鉸鏈14：支點(diǎn)，轉(zhuǎn)軸磁芯6：螺管型 線圈5：差動(dòng)彈簧11：產(chǎn)生測(cè)量力 2022-2-1513(3) 電感式測(cè)厚儀電感式測(cè)厚儀:(4) 差動(dòng)變壓器式位移傳感器：差動(dòng)變壓器式位移傳感器：輥輪1/3：測(cè)量，感受厚度變化測(cè)微螺桿4：傳遞位移杠桿7：傳遞位移，放大刻度盤5：初始距離（大數(shù)） 測(cè)頭1： 測(cè)桿5： 導(dǎo)軌：片簧4 彈簧9：產(chǎn)生測(cè)力 磁芯7： 線圈8：2022-2-1514 壓力 - 彈性敏感元件（膜盒、膜片、波紋管） - 位移 - 電感2、電感式

9、壓力傳感器接頭1：前端 膜盒2：彈性元件，感受壓力變化磁芯6： 線圈5：電路板4：無(wú)需放大，解調(diào)，濾波測(cè)量范圍：（-4 +6 ）*104Pa2022-2-1515 力 - 彈性敏感元件（膜盒、膜片、波紋管） - 變形 - 位移 - 電感3、電感式力傳感器 加速度 - 質(zhì)量塊2（磁芯、銜鐵） - 位移 - 電感4、電感式加速度傳感器1-線圈：2-磁芯： 3-彈性體： 3-片簧：導(dǎo)軌，彈性元件，彈簧剛度大，銜鐵質(zhì)量小-測(cè)量加速度彈簧剛度小，銜鐵質(zhì)量大-測(cè)量振幅2022-2-1516四、電渦流傳感器1、電渦流傳感器工作原理 發(fā)起：20世紀(jì)70年代 工作原理：電渦流效應(yīng)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，頻響寬

10、，不受油污等介質(zhì)的影響應(yīng)用：測(cè)量-距離、位移、振動(dòng)、厚度、溫度、轉(zhuǎn)速、硬度等參數(shù)變化：被測(cè)導(dǎo)體-幾何形狀、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率 線圈-幾何參數(shù)、電流大小和頻率、 其他-線圈與導(dǎo)體距離保持其他參數(shù)不變，只改變一個(gè)參數(shù) - 測(cè)量，非線性：修正交變電流傳感器線圈被測(cè)導(dǎo)體交變磁場(chǎng)H1電渦流交變磁場(chǎng)H2電感、阻抗、品質(zhì)因數(shù)等變化2022-2-15172、電渦流傳感器結(jié)構(gòu) （1）反射式電渦流傳感器：結(jié)構(gòu)：1-傳感器線圈：扁平，粘接 銅、銀、合金 2-框架：固定線圈，要求損耗小、 電性能好、熱脹系數(shù)小 高頻陶瓷、聚酰亞胺、 環(huán)氧玻璃纖維、聚四氟乙烯 3-襯套；4-支座；5-電纜；6-插頭：線圈外徑： 外徑大：分布

11、曲線平直-線性范圍大， 分布曲線平坦-靈敏度低， 外徑?。悍植记€彎曲-線性范圍小， 分布曲線陡峭-靈敏度高， 線性范圍：一般為線圈外徑的1/31/5線圈內(nèi)徑和厚度： 影響較小，近距離時(shí)靈敏度略有變化線圈軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度分布提高靈敏度： 增加磁芯：減少匝數(shù)，提高Q值，擴(kuò)大測(cè)量范圍2022-2-1518被測(cè)導(dǎo)體：-傳感器的一部分 - 參數(shù)影響被測(cè)導(dǎo)體直徑的影響電渦流密度徑向分布電導(dǎo)率：電導(dǎo)率越高，靈敏度越高 磁導(dǎo)率：磁導(dǎo)率越高，靈敏度越低，剩磁影響測(cè)量結(jié)果-消磁 均勻性：鍍層，雜質(zhì)，厚度不均，干擾信號(hào) 形 狀：平面 - 曲面 - 曲率半徑 D3.5d：不影響測(cè)量結(jié)果； D=d：下降為70%電渦流分

12、布-厚度：高頻激勵(lì)-表面薄層， 徑向：有限范圍 - 渦流區(qū), 渦流密度不等： D=d時(shí)：渦流密度最大 D=1.8d：下降為5% D1.8d）厚 度：t0.2mm 不影響 （銅鋁：t0.07mm）2022-2-1519激勵(lì)頻率： 激勵(lì)頻率高：貫穿深度小，曲線陡峭，線性范圍小，靈敏度高, -測(cè)薄板； 激勵(lì)頻率低：貫穿深度大，曲線平坦，線性范圍大，靈敏度低-測(cè)厚板。（2）透射式電渦流傳感器：原理：低頻激勵(lì)-貫穿深度大，適于測(cè)量金屬厚度h貫穿深度：材料特性： 不同材料-電阻率不同-激勵(lì)頻率不同 溫度變化-影響電阻率變化-影響測(cè)量結(jié)果- 使導(dǎo)體溫度恒定ft/結(jié)構(gòu)：發(fā)射線圈L1-激勵(lì)電壓U1； 接收線圈L

13、2-感應(yīng)電壓U2 金屬板-厚度越大，渦流損耗越大，感應(yīng)電壓 越小， ：導(dǎo)體材料電阻率f：激勵(lì)頻率2022-2-15203、電渦流傳感器的應(yīng)用 （1）電渦流測(cè)距傳感器： 1-渦流板：被測(cè)導(dǎo)體 2-傳感器：固定線圈 3-浮子；傳遞液位 測(cè)量金屬導(dǎo)體絕對(duì)距離，大量程：幾百毫米，分辨率0.1% 小量程：十幾微米，分辨力幾十納米（2）電渦流厚度測(cè)距傳感器： 應(yīng)用：測(cè)量金屬厚度，測(cè)量金屬導(dǎo)體鍍層厚度)(21xxDt特點(diǎn)：非接觸，范圍寬，反應(yīng)快，適于在線檢測(cè)透射式：發(fā)射線圈 - 接收線圈反射式：兩個(gè)高頻反射式電渦流傳感器， 對(duì)稱布局，板厚度變化 - 距離變化2022-2-1521（3）電渦流溫度傳感器：在較

14、小的溫度范圍內(nèi)，金屬導(dǎo)體的電阻率與溫度的關(guān)系結(jié)構(gòu)： 1-補(bǔ)償線圈：補(bǔ)償環(huán)境溫度 2-管架：基體，支撐固定 3-測(cè)溫線圈：感受電阻率變化 4-隔熱襯墊：隔熱， 5-溫度敏感元件：電阻溫度系數(shù)大（磁性材料）特點(diǎn)：不受介質(zhì)影響（涂料、油、水）； 可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)問(wèn)：輻射測(cè)溫（熱輻射） 反應(yīng)快：熱慣性?。?ms）)(1 00tt 保持傳感器的機(jī)、電、磁各參數(shù)不變，輸出只受電阻率影響-溫度測(cè)量t、t0：溫度；：電阻溫度系數(shù)（4）電渦流硬度傳感器： 導(dǎo)體表面硬度 - 磁導(dǎo)率 - 電渦流強(qiáng)度用于：測(cè)量液體、氣體、水汽等溫度2022-2-1522五、感應(yīng)同步器1、感應(yīng)同步器工作原理 特點(diǎn)：脈沖輸出-數(shù)字量，計(jì)數(shù)器 抗干擾-穩(wěn)定，可靠 無(wú)摩擦-繞組間隙，壽命長(zhǎng) 工藝好-平面繞組，易于接長(zhǎng) 安裝簡(jiǎn)單，維護(hù)方便平面繞組：定尺繞組-固定，連續(xù)繞組， 節(jié)距：W2=2(a2+b2) 滑尺繞組-移動(dòng)，斷續(xù)繞組， 節(jié)距：W1=2(a1+b1) 相差：W2/4 - 90 正弦繞組，余弦繞組應(yīng)用：測(cè)量位移、激勵(lì)：滑尺繞組，正弦