機械工程測試技術——第七章

1、第七章：第七章：電感式傳感器電感式傳感器石河子大學機械電氣工程學院電氣工程系石河子大學機械電氣工程學院電氣工程系石河子大學機械電氣工程學院干燥技術與裝備實驗室石河子大學機械電氣工程學院干燥技術與裝備實驗室機械工程測試技術機械工程測試技術TM第七章第七章 電感式傳感器電感式傳感器內(nèi)容提示：內(nèi)容提示：7.1 7.1 自感傳感器自感傳感器7.2 7.2 差動變壓器傳感器差動變壓器傳感器7.3 7.3 電感傳感器的應用電感傳感器的應用7.4 7.4 電渦流傳感器電渦流傳感器TM第七章第七章 電感式傳感器電感式傳感器電感傳感器是利用線圈自感或互感量系數(shù)的變電感傳感器是利用線圈自感或互感量系數(shù)的變化來實現(xiàn)

2、非電量測量的一種裝置。電感傳感器化來實現(xiàn)非電量測量的一種裝置。電感傳感器的分辨力高，但響應速度慢。的分辨力高，但響應速度慢。電感傳感器種類很多，可分為自感式和互感式電感傳感器種類很多，可分為自感式和互感式兩大類。兩大類。人們習慣上講的電感傳感器通常是指自感式傳人們習慣上講的電感傳感器通常是指自感式傳感器，而互感式傳感器是利用變壓器原理，又感器，而互感式傳感器是利用變壓器原理，又往往做成差動式，故常被稱為差動變壓器式傳往往做成差動式，故常被稱為差動變壓器式傳感器。感器。TM7.1 7.1 自感傳感器自感傳感器 將一只將一只380V380V交流接觸器線圈與交流毫交流接觸器線圈與交流毫安表串聯(lián)后，接

3、到機床用控制變壓器的安表串聯(lián)后，接到機床用控制變壓器的36V36V交流電壓源上。這時毫安表的示值約交流電壓源上。這時毫安表的示值約為幾十毫安。用手慢慢將接觸器的活動鐵為幾十毫安。用手慢慢將接觸器的活動鐵心（稱為銜鐵）往下按，我們會發(fā)現(xiàn)毫安心（稱為銜鐵）往下按，我們會發(fā)現(xiàn)毫安表的讀數(shù)逐漸減小。當銜鐵與固定鐵心之表的讀數(shù)逐漸減小。當銜鐵與固定鐵心之間的氣隙等于零時，毫安表的讀數(shù)只剩下間的氣隙等于零時，毫安表的讀數(shù)只剩下十幾毫安。十幾毫安。TM7.1 7.1 自感傳感器自感傳感器F220V準備工作準備工作TM7.1 7.1 自感傳感器自感傳感器氣隙變氣隙變小，電感變大，電流變小小，電感變大，電流變小

4、TM7.1 7.1 自感傳感器自感傳感器 當鐵心的氣隙較大時，磁路的磁阻當鐵心的氣隙較大時，磁路的磁阻Rm也較大，線圈的電感量也較大，線圈的電感量L和感抗和感抗XL較小，較小，所以電流所以電流I較大。當鐵心閉合時，磁阻變較大。當鐵心閉合時，磁阻變小、電感變大，電流減小。小、電感變大，電流減小。 2LUUUIZXfLTM7.1 7.1 自感傳感器自感傳感器7.1.1 電感傳感器的基本工作原理電感傳感器的基本工作原理銜鐵線圈鐵芯 I A l1 S1 l2 S2 Usr .M2RNL RM磁阻，它包括鐵芯磁阻，它包括鐵芯磁阻和氣隙的磁阻，即磁阻和氣隙的磁阻，即RSlRiiiMTM7.1.1 電感傳感

5、器的基本工作原理電感傳感器的基本工作原理iiiSl 鐵磁材料各段的磁阻之和，鐵磁材料各段的磁阻之和，當鐵芯一定時，其值為一定。當鐵芯一定時，其值為一定。li 各段鐵芯長度；各段鐵芯長度；i各段鐵芯的磁導率各段鐵芯的磁導率；Si各段鐵芯的截面積各段鐵芯的截面積；R 空氣隙的磁阻空氣隙的磁阻，R 2 2 / / 0 0STM7.1.1 電感傳感器的基本工作原理電感傳感器的基本工作原理即可得電感為即可得電感為SSlNLiii022 因為鐵磁材料其磁阻與空氣隙磁阻相比較小，因為鐵磁材料其磁阻與空氣隙磁阻相比較小，計算時可忽略不計，這時有計算時可忽略不計，這時有202SNL TM7.1.1 電感傳感器的

6、基本工作原理電感傳感器的基本工作原理 由上式可知，當線圈及鐵芯一定時，匝數(shù)由上式可知，當線圈及鐵芯一定時，匝數(shù)N為常數(shù)，若改變?yōu)槌?shù)，若改變（氣隙厚度）或（氣隙厚度）或S（氣隙面（氣隙面積），積），L值就會引起相應的變化。電感傳感器就值就會引起相應的變化。電感傳感器就是利用這一原理制成的。是利用這一原理制成的。 根據(jù)以上原理，自感傳感器常被制成以下三根據(jù)以上原理，自感傳感器常被制成以下三種形式：變隙式、變面積（變截面）式和螺線管種形式：變隙式、變面積（變截面）式和螺線管式。式。TM7.1.2 變隙式電感傳感器變隙式電感傳感器 輸入輸出是非線性關系，氣隙越小靈敏度越高，為輸入輸出是非線性關系，氣

7、隙越小靈敏度越高，為了保證一定的線性度，變隙式電感傳感器只能工作在一了保證一定的線性度，變隙式電感傳感器只能工作在一段很小的區(qū)域，因而只能用于測量微小位移。段很小的區(qū)域，因而只能用于測量微小位移。TM7.1.3 變面積式電感傳感器變面積式電感傳感器 理論上電感量理論上電感量L與氣隙截面積與氣隙截面積A成正比，輸入輸出成正比，輸入輸出呈線性關系，靈敏度為常數(shù)。但由于漏感等原因，即使呈線性關系，靈敏度為常數(shù)。但由于漏感等原因，即使在在A=0時，仍有較大的電感，所以其線性區(qū)較小，靈敏時，仍有較大的電感，所以其線性區(qū)較小，靈敏度較低。度較低。TM7.1.4 螺線管式電感傳感器螺線管式電感傳感器螺管式自

8、感傳感器的特點：螺管式自感傳感器的特點： 結構簡單，制造裝配容易；結構簡單，制造裝配容易； 由于由于空氣間隙大空氣間隙大，磁路的，磁路的磁阻高，因此磁阻高，因此靈敏度低靈敏度低，但測，但測量范圍廣；量范圍廣； 由于磁路大部分為空氣，由于磁路大部分為空氣，易受外部磁場干擾；易受外部磁場干擾； 因螺管可以做的較長，故因螺管可以做的較長，故宜于測量較大位移；宜于測量較大位移； 要求線圈框架尺寸和形狀要求線圈框架尺寸和形狀必須穩(wěn)定，否則影響其線性和必須穩(wěn)定，否則影響其線性和穩(wěn)定性穩(wěn)定性TM7.1.5 差動電感傳感器差動電感傳感器 以上三種電感傳感器由于線圈中通有交流以上三種電感傳感器由于線圈中通有交流

9、勵磁電流，因而銜鐵始終承受電磁吸力，會引勵磁電流，因而銜鐵始終承受電磁吸力，會引起振動及附加誤差，而且非線性誤差較大；另起振動及附加誤差，而且非線性誤差較大；另外，外界的干擾如電源電壓頻率的變化，溫度外，外界的干擾如電源電壓頻率的變化，溫度的變化都使輸出產(chǎn)生誤差。的變化都使輸出產(chǎn)生誤差。TM7.1.5 差動電感傳感器差動電感傳感器TM7.1.5 差動電感傳感器差動電感傳感器從結構圖可以看出，差動式電感傳感器對從結構圖可以看出，差動式電感傳感器對外界影響，如溫度的變化、電源頻率的變外界影響，如溫度的變化、電源頻率的變化等基本上可以互相抵消，銜鐵承受的電化等基本上可以互相抵消，銜鐵承受的電磁吸力也

10、較小，從而減小了測量誤差。磁吸力也較小，從而減小了測量誤差。從曲線圖可以看出，差動式電感傳感器的從曲線圖可以看出，差動式電感傳感器的線性較好，且輸出曲線較陡，靈敏度約為線性較好，且輸出曲線較陡，靈敏度約為非差動式電感傳感器的兩倍。非差動式電感傳感器的兩倍。 TM7.2 7.2 差動變壓器傳感器差動變壓器傳感器7.2.1 7.2.1 差動變壓器的工作原理差動變壓器的工作原理TM7.2.1 7.2.1 差動變壓器的主要特性差動變壓器的主要特性 差動變壓器的靈敏度一般可達差動變壓器的靈敏度一般可達0.55V/mm，行程越小，靈敏度越高。為了提高靈敏度，勵行程越小，靈敏度越高。為了提高靈敏度，勵磁電壓

11、在磁電壓在10V左右為宜。電源頻率以左右為宜。電源頻率以110kHz為為易易。 差動變壓器線性范圍約為線圈骨架長度的差動變壓器線性范圍約為線圈骨架長度的1/101/10左右。由于差動變壓器中間部分磁場是均左右。由于差動變壓器中間部分磁場是均勻的且較強，所以只有中間部分線性較好。通勻的且較強，所以只有中間部分線性較好。通常會采用特殊的繞制方式（兩頭圈數(shù)多，中間常會采用特殊的繞制方式（兩頭圈數(shù)多，中間圈數(shù)少）來提高線性范圍。圈數(shù)少）來提高線性范圍。 TM7.3 7.3 電感傳感器的應用電感傳感器的應用7.3.1 7.3.1 位移測量位移測量TM7.3.1 7.3.1 位移測量位移測量各檔量程為各檔

12、量程為3m、 10m、 30m 100m分辨力可達分辨力可達0.1 mTM7.3.1 7.3.1 位移測量位移測量TM7.3.1 7.3.1 位移測量位移測量TM7.3.1 7.3.1 位移測量位移測量TMTM7.3.2 7.3.2 電感式圓度儀電感式圓度儀TM7.3.2 7.3.2 電感式圓度儀電感式圓度儀TM7.3.3 7.3.3 壓力測量壓力測量TM7.4 7.4 電渦流傳感器電渦流傳感器7.4.1 電渦流傳感器的工作原理（電渦流效應）電渦流傳感器的工作原理（電渦流效應） 當電渦流線圈與當電渦流線圈與金屬板的距離金屬板的距離x 減小減小時，電渦流線圈的等時，電渦流線圈的等效電感效電感L

13、減小，等效減小，等效電阻電阻R 增大。感抗增大。感抗XL 的變化比的變化比 R 的變化的變化大得多，流過電渦流大得多，流過電渦流線圈的電流線圈的電流 i1 增大。增大。TM7.4.1 電渦流傳感器的工作原理電渦流傳感器的工作原理電渦流效應電渦流效應 金屬導體置于變化的磁場中時，導體表面金屬導體置于變化的磁場中時，導體表面就會有感應電流產(chǎn)生。電流的流線在金屬體內(nèi)就會有感應電流產(chǎn)生。電流的流線在金屬體內(nèi)自行閉合，這種由電磁感應原理產(chǎn)生的旋渦狀自行閉合，這種由電磁感應原理產(chǎn)生的旋渦狀感應電流稱為電渦流，這種現(xiàn)象稱為電渦流效感應電流稱為電渦流，這種現(xiàn)象稱為電渦流效應。應。 形成電渦流必須具備的兩個條件

14、：形成電渦流必須具備的兩個條件：存在交變磁場存在交變磁場導電體處于交變磁場中導電體處于交變磁場中TM7.4.1 電渦流傳感器的工作原理電渦流傳感器的工作原理集膚效應集膚效應 導體中產(chǎn)生的電渦流導體中產(chǎn)生的電渦流i2在金屬導體的縱深在金屬導體的縱深方向并不是均勻分布的，而只集中在金屬導體方向并不是均勻分布的，而只集中在金屬導體的表面，這稱為集膚效應（也稱趨膚效應）。的表面，這稱為集膚效應（也稱趨膚效應）。 集膚效應與激勵源頻率集膚效應與激勵源頻率f、工件的電導率、工件的電導率 、磁導率磁導率 等有關。頻率等有關。頻率f越高，電渦流的滲透的越高，電渦流的滲透的深度就越淺，集膚效應越嚴重。深度就越淺

15、，集膚效應越嚴重。TM7.4.1 電渦流傳感器的工作原理電渦流傳感器的工作原理等效阻抗分析等效阻抗分析 電渦流線圈受電渦流影響時的等效阻抗電渦流線圈受電渦流影響時的等效阻抗Z Z的的函數(shù)表達式為：函數(shù)表達式為： Z=R+jL=f（i1、f、 、 、r、x）TM7.4.1 電渦流傳感器的工作原理電渦流傳感器的工作原理檢測深度的控制：由于存在集膚效應，電渦流只能檢測深度的控制：由于存在集膚效應，電渦流只能檢測導體表面的各種物理參數(shù)。改變檢測導體表面的各種物理參數(shù)。改變f，可控制檢測可控制檢測深度。激勵源頻率一般設定在深度。激勵源頻率一般設定在100kHz1MHz。頻率頻率越低，檢測深度越深。越低，

16、檢測深度越深。間距間距x的測量：如果控制上式中的的測量：如果控制上式中的i1、f、 、 、r不不變，電渦流線圈的阻抗變，電渦流線圈的阻抗Z就成為間距就成為間距x的單值函數(shù)，的單值函數(shù)，這樣就成為非接觸地測量位移的傳感器。這樣就成為非接觸地測量位移的傳感器。多種用途：如果控制多種用途：如果控制x、i1、f不變，就可以用來檢測不變，就可以用來檢測與表面電導率與表面電導率 有關的表面溫度、表面裂紋等參數(shù)，有關的表面溫度、表面裂紋等參數(shù)，或者用來檢測與材料磁導率或者用來檢測與材料磁導率 有關的材料型號、表有關的材料型號、表面硬度等參數(shù)。面硬度等參數(shù)。TM7.4.1 電渦流傳感器的工作原理電渦流傳感器的

17、工作原理TM7.4.1 電渦流傳感器的工作原理電渦流傳感器的工作原理要求鍋體具有較好的導磁性要求鍋體具有較好的導磁性TM7.4.2 7.4.2 電渦流傳感器的結構與特性電渦流傳感器的結構與特性TM7.4.2 7.4.2 電渦流傳感器的結構與特性電渦流傳感器的結構與特性1 1電渦流線圈電渦流線圈 2 2探頭殼體探頭殼體 3 3殼體上的調節(jié)螺紋殼體上的調節(jié)螺紋 4 4印制線路板印制線路板 5 5夾持螺母夾持螺母 6 6電源指示燈電源指示燈7 7閾值指示燈閾值指示燈 8 8輸出屏蔽電纜線輸出屏蔽電纜線 9 9電纜插頭電纜插頭 TM7.4.2 7.4.2 電渦流傳感器的結構與特性電渦流傳感器的結構與特

18、性CZF-1CZF-1系列傳感器的性能系列傳感器的性能 探頭的直徑越大，測量范圍越大，但分辨探頭的直徑越大，測量范圍越大，但分辨力就越差，靈敏度降低力就越差，靈敏度降低TM7.4.2 7.4.2 電渦流傳感器的結構與特性電渦流傳感器的結構與特性被測物體材料、形狀和大小對靈敏度的影響被測物體材料、形狀和大小對靈敏度的影響對于非磁性材料，被測體的電導率越高，靈敏度越對于非磁性材料，被測體的電導率越高，靈敏度越高高對于磁性材料，其靈敏度要視被測金屬的具體情況對于磁性材料，其靈敏度要視被測金屬的具體情況而定而定當被測體為圓盤狀物體的平面時，物體的直徑應大當被測體為圓盤狀物體的平面時，物體的直徑應大于線

19、圈直徑的于線圈直徑的2 2倍以上，否則靈敏度將降低倍以上，否則靈敏度將降低當被測體為圓柱體的圓弧面時，其直徑應為線圈直當被測體為圓柱體的圓弧面時，其直徑應為線圈直徑的徑的4 4倍以上倍以上應保證被測體的厚度在應保證被測體的厚度在0.2mm以上以上此外，在測量時，傳感器線圈周圍除被測到體外，此外，在測量時，傳感器線圈周圍除被測到體外，應盡量避開其他導體，以免干擾磁場，引起線圈的應盡量避開其他導體，以免干擾磁場，引起線圈的附加損失附加損失TM7.4.2 7.4.2 電渦流傳感器的結構與特性電渦流傳感器的結構與特性大直徑電渦流探雷器大直徑電渦流探雷器 TM7.4.37.4.3電渦流傳感器的測量轉換電

20、路電渦流傳感器的測量轉換電路調頻調頻（FM）式電路式電路(100kHz1MHz） 當電渦流線圈與被測體的距離當電渦流線圈與被測體的距離x 改變時，電渦流改變時，電渦流線圈的等效電感量線圈的等效電感量L 也隨之改變，引起也隨之改變，引起LC 振蕩器的振蕩器的輸出頻率變化，此頻率可直接用計算機測量。如果要輸出頻率變化，此頻率可直接用計算機測量。如果要用模擬儀表進行顯示或記錄時，必須使用鑒頻器，將用模擬儀表進行顯示或記錄時，必須使用鑒頻器，將 f轉換為電壓轉換為電壓 UO 。TM7.4.37.4.3電渦流傳感器的測量轉換電路電渦流傳感器的測量轉換電路021LCfTM7.4.4 7.4.4 電渦流傳感

21、器的應用電渦流傳感器的應用位移測量位移測量 電渦流位移傳感器是一種輸出為模擬電壓電渦流位移傳感器是一種輸出為模擬電壓的電子器件。接通電源后，在電渦流探頭的有的電子器件。接通電源后，在電渦流探頭的有效面（感應工作面）將產(chǎn)生一個交變磁場。當效面（感應工作面）將產(chǎn)生一個交變磁場。當金屬物體金屬物體接近接近此感應面時，金屬表面將吸取電此感應面時，金屬表面將吸取電渦流探頭中的高頻振蕩能量，使振蕩器的輸出渦流探頭中的高頻振蕩能量，使振蕩器的輸出幅度線性地幅度線性地衰減衰減，根據(jù)衰減量的變化，可地計，根據(jù)衰減量的變化，可地計算出與被檢物體的距離、振動等參數(shù)。算出與被檢物體的距離、振動等參數(shù)。 這種位移傳感器

22、屬于非接觸測量，工作時這種位移傳感器屬于非接觸測量，工作時不受灰塵等非金屬因素的影響，壽命較長，可不受灰塵等非金屬因素的影響，壽命較長，可在各種惡劣條件下使用。在各種惡劣條件下使用。TM7.4.4 7.4.4 電渦流傳感器的應用電渦流傳感器的應用420mA電渦流位移傳感器外形電渦流位移傳感器外形TM7.4.4 7.4.4 電渦流傳感器的應用電渦流傳感器的應用齊平式電渦流位移傳感器外形齊平式電渦流位移傳感器外形齊平式傳感器安裝時可以不高出安裝面，不易被損害。齊平式傳感器安裝時可以不高出安裝面，不易被損害。TM7.4.4 7.4.4 電渦流傳感器的應用電渦流傳感器的應用零件的識別零件的識別TM7.

23、4.4 7.4.4 電渦流傳感器的應用電渦流傳感器的應用轉速的測量轉速的測量 若轉軸上開若轉軸上開z z 個槽個槽(或齒或齒)，頻率計的讀數(shù)，頻率計的讀數(shù)為為f（單位為（單位為Hz），則轉軸的轉速），則轉軸的轉速n（r/min）的的計算公式為計算公式為zfn60TM7.4.4 7.4.4 電渦流傳感器的應用電渦流傳感器的應用鍍層厚度測量鍍層厚度測量 由于存在集膚效應，鍍層或箔層越薄，由于存在集膚效應，鍍層或箔層越薄，電渦流越小。測量前，可先用電渦流測厚電渦流越小。測量前，可先用電渦流測厚儀對標準厚度的鍍層和銅箔作出儀對標準厚度的鍍層和銅箔作出“厚度厚度- -輸出輸出”電壓的標定曲線，以便測量時

24、對照。電壓的標定曲線，以便測量時對照。 TM7.4.4 7.4.4 電渦流傳感器的應用電渦流傳感器的應用電渦流式通道安全檢查門電渦流式通道安全檢查門 安檢門的內(nèi)部設置有發(fā)射線圈和接收線圈。安檢門的內(nèi)部設置有發(fā)射線圈和接收線圈。當有金屬物體通過時，交變磁場就會在該金屬當有金屬物體通過時，交變磁場就會在該金屬導體表面產(chǎn)生電渦流，會在接收線圈中感應出導體表面產(chǎn)生電渦流，會在接收線圈中感應出電壓，計算機根據(jù)感應電壓的大小、相位來判電壓，計算機根據(jù)感應電壓的大小、相位來判定金屬物體的大小。在安檢門的側面還安裝一定金屬物體的大小。在安檢門的側面還安裝一臺臺“軟軟x x光光”掃描儀，它對人體、膠卷無害，用掃

25、描儀，它對人體、膠卷無害，用軟件處理的方法，可合成完整的光學圖像。軟件處理的方法，可合成完整的光學圖像。 TM7.4.5 7.4.5 接近開關接近開關 接近開關又稱無觸點行程開關。它能在一接近開關又稱無觸點行程開關。它能在一定的距離（幾毫米至幾十毫米）內(nèi)檢測有無物定的距離（幾毫米至幾十毫米）內(nèi)檢測有無物體靠近。當物體與其接近到設定距離時，就可體靠近。當物體與其接近到設定距離時，就可以發(fā)出以發(fā)出“動作動作”信號。信號。 TM7.4.5 7.4.5 接近開關接近開關接近開關的外形接近開關的外形TM7.4.5 7.4.5 接近開關接近開關 常用的接近開關有電渦流式（俗稱電常用的接近開關有電渦流式（俗稱電感接近開關）、電容式、磁性干簧開關、感接近開關）、電容式、磁性干簧開關、霍爾式、光電式、微波式霍爾式、光電式、微波式 、超聲波式等。、超聲波式等。TM7.4.5 7.4.5 接近開關接近開關 電渦流式接近開關俗稱電感接近開關，電渦流式接近開關俗稱電感接近開關，屬于一種開關量輸出