電感式傳感器28895課件

1、第四章 電感式傳感器 本章的主要內(nèi)容有：1.自感式電感傳感器的結構原理；2.互感式電感傳感器的結構原理；3. 電感傳感器的典型測量電路；4. 電感傳感器的主要應用； 電感式傳感器是利用被測量的變化引起線圈自感或互感系數(shù)的變化，導致線圈電感量改變來實現(xiàn)測量的。分類:電感式傳感器自感型互感型變面積型電傳感器螺線管型電傳感器變間隙型電傳感器4.1 自感式電感傳感器 自感式電感傳感器常見的形式:變隙式 變截面式 螺線管式4.1 自感式電感傳感器 先看一個實驗： 將一只380V交流接觸器線圈與交流毫安表串聯(lián)后，接到機床用控制變壓器的36V交流電壓源上，如圖4-1所示。這時毫安表的示值約為幾十毫安。用手慢

2、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)只剩下十幾毫安。電感傳感器的基本工作原理演示F220V準備工作電感傳感器的基本工作原理演示氣隙變小，電感變大，電流變小F4.1 自感式電感傳感器 自感式電感傳感器有變間隙型、變面積型和螺管型三種。 4.1.1 原理分析 4.1.1.1 變間隙型電感傳感器 它的結構示意圖如右圖所示。工作時銜鐵與被測物體連接，被測物體的位移將引起空氣隙的變化，導致了線圈電感量的變化。線圈的電感可用下式表示：線圈的電感值可近似地表示為 因此，其靈敏度隨氣隙的增大而減小。忽略磁路鐵損，則磁路總磁阻為

3、 因此： 鐵心與銜鐵之間相對覆蓋面積隨被測量的變化面改變，導致線圈的電感量發(fā)生變化，這種形式稱之為變面積型電感傳感器，見圖4.1.2。L與是非線性的，但與A成正比，特性曲線參見圖4.1.3。可變導磁面積型4.1.1.2 變面積型電感傳感器下圖為其結構原理圖，銜鐵隨被測物移動，引起磁阻發(fā)生變化，導致電感量改變。線圈電感量與銜鐵進入線圈的長度可表示為 4.1.1.3 螺管型電感式傳感器通過以上分析可得結論: 變間隙型靈敏度較高,但非線性誤差較大； 變面積型靈敏度較小,但線性較好,量程較大； 螺管型靈敏度較低,但量程大且結構簡單。 用兩個相同的傳感線圈共用一個銜鐵,構成差動式電感傳感器,這樣可以提高

4、傳感器的靈敏度,減小測量誤差。下圖是變間隙型、變面積型及螺管型三種類型的差動結構。 4.1.1.4 差動式電感傳感器4.1.2 測量電路 差動式結構可以提高靈敏度，改善線性，所以交流電橋大多采用雙臂工作形式。下圖是交流電橋的幾種常用形式。 當LR時，上式可近似為： 可見:交流電橋的輸出電壓與傳感器線圈電感的相對變化量成正比。 電阻平衡臂電橋如上圖a所示，工作時，Z1=Z+Z和Z2=Z-Z，當ZL時，電橋的輸出電壓為: 4.1.2.1 電阻平衡臂電橋由于Z1=Z-Z，Z2=Z+Z，故： 同理，當銜鐵上移時，則有：變壓器式電橋如前圖b，當負載阻抗無窮大時輸出電壓為：4.1.2.2 變壓器式電橋可見

5、:輸出電壓反映了傳感器線圈阻抗的變化，還需辯向。 該電橋如前圖c所示。它以差動電感傳感器的兩個線圈作電橋工作臂，而緊耦合的兩個電感作為固定臂組成電橋電路。采用這種測量電路可以消除與電感臂并聯(lián)的分布電容對輸出信號的影響，使電橋平衡穩(wěn)定，另外簡化了接地和屏蔽的問題。 4.1.2.3 緊耦合電感臂電橋4.2 差動變壓器 1.工作原理:互感現(xiàn)象EwEoutWW1W2Esx-x差動變壓器式傳感器構成 該類型的傳感器主要包括有銜鐵、一次繞組和二次繞組等。 一、二次繞組間的耦合能隨銜鐵的移動而變化，即繞組間的互感隨被測位移改變而變化。由于在使用時采用兩個二次繞組反向串接，以差動方式輸出，所以把這種傳感器稱為

6、差動變壓器式電感傳感器，通常簡稱差動變壓器。4.2 差動變壓器 EwEout2. 等效電路 L21E2L22E22E21U1R22R21R1M1M24.2 差動變壓器 L1 （3） 當銜鐵向二次繞組L22一邊移動時輸出也不為零，但由于移動方向改變，所以輸出電動勢反相。因此通過差動變壓器輸出電動勢的大小和相位可以知道銜鐵位移量的大小和方向。 （1）當銜鐵處于中間位置時，兩個二次繞組互感相同，所以差動輸出電動勢為零。（2）當銜鐵移向二次繞組L21一邊時，輸出不為零，在量程內(nèi)移動量越大，輸出量就越大。2. 等效電路 4.2 差動變壓器 差動變壓器的輸出特性曲線 如左圖所示，其中E2的實線表示理想的輸

7、出特性，而虛線部分表示實際的輸出特性。E0為零點殘余電動勢。 零點殘余使得傳感器的輸出特性在零點附近不靈敏，給測量帶來誤差，它的大小是衡量差動變壓器性能好壞的重要指標。4.2 差動變壓器 減小零點殘余的方法： 盡可能保證傳感器幾何尺寸、線圈電氣參數(shù)及磁路的對稱。磁性材料要經(jīng)過處理，消除內(nèi)部的殘余應力，使其性能均勻穩(wěn)定。 選用合適的測量電路，如采用相敏整流電路。既可判別銜鐵移動方向又可改善輸出特性，減小零點殘余電動勢。 采用補償線路減小零點殘余電動勢在差動變壓器二次側串、并聯(lián)適當數(shù)值的電阻電容元件，當調(diào)整這些元件時，可使零點殘余電動勢減小。 4.2 差動變壓器 3 常用測量電路 測量轉換電路的作

8、用是將電感量的變化轉換成電壓或電流的變化，以便用儀表指示出來。但若僅采用電橋電路和普通的檢波電路，則只能判別位移的大小，卻無法判別輸出的相位和位移的方向。 如果在輸出電壓送到指示儀前，經(jīng)過一個能判別相位的檢波電路，則不但可以反映位移的大?。ǚ担?，還可以反映位移的方向（相位）。這種檢波電路稱為相敏檢波電路。4.2 差動變壓器 差動相敏檢波電路3 常用測量電路 4.2 差動變壓器 圖3-7 相敏檢波輸出特性曲線a）非相敏檢波 b）相敏檢波1理想特性曲線 2實際特性曲線 差動相敏檢波電路 相敏檢波電路要求比較電壓與差動變壓器二次側輸出電壓的頻率相同，相位相同或相反。另外還要求比較電壓的幅值盡可能大

9、，一般情況下，其幅值應為信號電壓的35倍。3 常用測量電路 4.2 差動變壓器 差動整流電路 電路是以兩個橋路整流后的直流電壓之差作為輸出的，所以稱為差動整流電路。它不但可以反映位移的大?。妷旱姆担?，還可以反映位移的方向。 3 常用測量電路 4.2 差動變壓器 差動整流電路 圖中的RP是用來微調(diào)電路平衡的， VD1VD4、VD5VD8組成普通橋式整流電路， 3、4、3、4組成低通濾波電路，1及21、22、f、23組成差動減法放大器，用于克服a、b兩點的對地共模電壓。 3 常用測量電路 4.2 差動變壓器 軸向式電感測微器的外形 :航空插頭紅寶石測頭4 差動變壓器式傳感器的應用其他電感測微頭

10、:4.2 差動變壓器 模擬式及數(shù)字式電感測微儀:4 差動變壓器式傳感器的應用4.2 差動變壓器 1引線電纜 2固定磁筒 3銜鐵 4線圈 5測力彈簧 6防轉銷 7鋼球?qū)к墸ㄖ本€軸承） 8測桿 9密封套 10測端 11被測工件 12基準面 軸向式電感測微器的內(nèi)部結構:4 差動變壓器式傳感器的應用4.2 差動變壓器 (11.11) 電感式滾柱直徑分選裝置 圖3-14 滾柱直徑分選裝置 1氣缸 2活塞 3推桿 4被測滾柱 5落料管 6電感測微器 7鎢鋼測頭 8限位擋板 9電磁翻板 10容器（料斗） 4 差動變壓器式傳感器的應用4.2 差動變壓器 電感式滾柱直徑分選裝置 測微儀圓柱滾子4 差動變壓器式傳

11、感器的應用4.2 差動變壓器 電感式滾柱直徑分選裝置（外形） 滑道分選倉位軸承滾子外形（參考中原量儀股份有限公司資料）4 差動變壓器式傳感器的應用4.2 差動變壓器 電感式滾柱直徑分選裝置外形落料振動臺滑道11個分選倉位（參考無錫市通達滾子有限公司資料）廢料倉4 差動變壓器式傳感器的應用4.2 差動變壓器 電感式滾柱直徑分選裝置外形汽缸控制鍵盤直徑測微裝置長度測微裝置滑道電感式滾柱直徑分選裝置（機械結構放大）4 差動變壓器式傳感器的應用4.2 差動變壓器 機械及氣動元件電感測微器汽缸 氣水分離器（供氣三聯(lián)件）儲氣罐導氣管 氣壓表（0.4MPa左右）4 差動變壓器式傳感器的應用4.2 差動變壓器

12、 電感傳感器在仿形機床中的應用 1標準靠模樣板 2測端（靠模輪） 3電感測微器 4銑刀龍門框架 5立柱 6伺服電動機 7銑刀 8毛坯 4 差動變壓器式傳感器的應用4.2 差動變壓器 電感傳感器在仿形機床中的應用 仿形銑床外形 仿形機床采用閉環(huán)工作方式仿形頭主軸4 差動變壓器式傳感器的應用4.2 差動變壓器 電感傳感器在仿形機床中的應用 仿形車床原理4 差動變壓器式傳感器的應用4.2 差動變壓器 電感式不圓度計原理 該圓度計采用旁向式電感測微頭4 差動變壓器式傳感器的應用4.2 差動變壓器 電感式不圓度計原理 電感式不圓度測試系統(tǒng)旁向式電感測微頭4 差動變壓器式傳感器的應用4.2 差動變壓器 電

13、感式不圓度計原理 電感式不圓度測量系統(tǒng)外形（參考洛陽匯智測控技術有限公司資料）旋轉盤測量頭4 差動變壓器式傳感器的應用4.2 差動變壓器 不圓度測量打印 電感式不圓度計原理 4 差動變壓器式傳感器的應用4.2 差動變壓器 壓力測量 1壓力輸入接頭 2波紋膜盒 3電纜 4印制線路板 5差動線圈 6銜鐵 7電源變壓器 8罩殼 9指示燈 10密封隔板 11安裝底座4 差動變壓器式傳感器的應用4.2 差動變壓器 壓力測量 壓力測量用的膜盒 膜盒由兩片波紋膜片焊接而成。所謂波紋膜片是一種壓有同心波紋的圓形薄膜。當膜片四周固定，兩側面存在壓差時，膜片將彎向壓力低的一側，因此能夠?qū)毫ψ儞Q為直線位移。4 差

14、動變壓器式傳感器的應用4.2 差動變壓器 某一壓力變送器的測量電路 壓力測量 4 差動變壓器式傳感器的應用4.2 差動變壓器 它能實現(xiàn)非接觸測量，如位移、振動、厚度、轉速、應力、硬度等參數(shù)。這種傳感器還可用于無損探傷。原理如下圖示。 這是一種建立在渦流效應原理上的傳感器。4.3 電渦流式傳感器 如下圖，當通過金屬體的磁通變化時，就會在導體中產(chǎn)生感生電流，這種電流在導體中是自行閉合的，這就是所謂電渦流。電渦流的產(chǎn)生必然要消耗一部分能量，從而使產(chǎn)生磁場的線圈阻抗發(fā)生變化，這一物理現(xiàn)象稱為渦流效應。 線圈的阻抗變化與導體的電導率、磁導率、幾何形狀，線圈的幾何參數(shù)，激勵電流頻率以及線圈到被測導體間的距

15、離等因素有關。4.3.1 結構原理與特性 MR1R2L2L1U1I1I2 當電渦流線圈與金屬板的距離x 減小時，電渦流線圈的等效電感L減小，等效電阻R 增大。感抗XL 的變化比R的變化大得多，流過電渦流線圈的電流 i1 增大。 4.3.1 結構原理與特性 MR1R2L2L1U1I1I2 線圈與金屬導體系統(tǒng)的阻抗、電感都是該系統(tǒng)互感平方的函數(shù)。而互感是隨線圈與金屬導體間距離的變化而改變的。 當電渦流線圈與金屬板的距離x 減小時，電渦流線圈的等效電感L減小，等效電阻R 增大。感抗XL 的變化比R的變化大得多，流過電渦流線圈的電流 i1 增大。 4.3.1 結構原理與特性 高頻反射式電渦流傳傳感器

16、1、結構：由一個固定在框架上的扁平線圈組成。4.3.1 結構原理與特性 (10.15) 集膚效應與激勵源頻率f、工件的電導率、磁導率等有關。頻率f越高，電渦流的滲透的深度就越淺，集膚效應越嚴重。 1. 結構 傳感器包括發(fā)射和接收線圈，并分別位于被測材料上、下方。 低頻透射式電渦流傳感器 這種傳感器采用低頻激勵，因而有較大的貫穿深度，適合于測量金屬材料的厚度。2. 原理 由振蕩器產(chǎn)生的e1加到發(fā)射線圈L1兩端。若兩線圈間無金屬導體，則L2的磁力能較多穿過L2，在L2上產(chǎn)生的感應電壓e2最大。 4.3.1 結構原理與特性 如果在兩個線圈之間設置一金屬板，由于在金屬板內(nèi)產(chǎn)生電渦流，該電渦流消耗了部分

17、能量，使到達線圈L2的磁力線減小，從而引起e2的下降。 線圈L2的感應電壓與被測厚度的增大按負冪指數(shù)的規(guī)律減小， 為了較好地進行厚度測量，激勵頻率應選得較低。頻率太高，貫穿深度小于被測厚度，不利進行厚度測量，通常選1kHz左右。 低頻透射式電渦流傳感器4.3.1 結構原理與特性 2. 原理 (續(xù))4.3.2 測量電路 4.3.2.1 電橋電路 在進行測量時，由于傳感器線圈的阻抗發(fā)生變化，使電橋失去平衡，將電橋不平衡造成的輸出信號進行放大并檢波，就可得到與被測量成正比的輸出。4.3.2.2 諧振法。 諧振法主要有調(diào)幅式電路和調(diào)頻式電路兩種基本形式。調(diào)幅式由于采用了石英晶體振蕩器，因此穩(wěn)定性較高，

18、而調(diào)頻式結構簡單，便于遙測和數(shù)字顯示。4.3.2 測量電路 4.3.2.2 諧振法(續(xù)) 調(diào)幅(AM)式電路 石英振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)頻、穩(wěn)幅高頻振蕩電壓(100kHz1MHz）用于激勵電渦流線圈。金屬材料在高頻磁場中產(chǎn)生電渦流，引起電渦流線圈端電壓的衰減，再經(jīng)高放、檢波、低放電路，最終輸出的直流電壓Uo反映了金屬體對電渦流線圈的影響（例如兩者之間的距離等參數(shù)）。 用電渦流探頭、調(diào)幅法測量簡諧振動時，探頭的輸出波形。 人的手、泥土或裝滿水的玻璃杯能對振蕩器的振幅產(chǎn)生明顯的衰減嗎？為什么？部分常用材料對振蕩器振幅的衰減系數(shù)4.3.2 測量電路 4.3.2.2 諧振法(續(xù)) 調(diào)幅(AM)式電路4.3.2

19、測量電路 4.3.2.2 諧振法(續(xù)) 調(diào)頻（FM）式電路(100kHz1MHz） 當電渦流線圈與被測體的距離x 改變時，電渦流線圈的電感量L 也隨之改變，引起LC 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Uo 。 振幅 可用于測量壓力、力、壓差、加速度、振動、應變、流量、厚度、液位等物理量。 4.4.1 位移測量 4.4 電感式傳感器的典型應用 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，在電渦流探頭的有效面（感應工作面）將產(chǎn)生一個交變磁場。 當金屬物體接近此感應面時，金屬表面將吸取電渦流探頭中的高頻振蕩

20、能量，使振蕩器的輸出幅度線性地衰減，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)。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，可在各種惡劣條件下使用。 可用于測量壓力、力、壓差、加速度、振動、應變、流量、厚度、液位等物理量。 4.4.1 位移測量 4.4 電感式傳感器的典型應用 位移測量儀位移測量包含： 偏心、間隙、位置、傾斜、彎曲、變形、移動、圓度、沖擊、偏心率、沖程、寬度等等。來自不同應用領域的許多量都可歸結為位移或間隙變化。420mA電渦流位移傳感器外形（參考德國圖爾克公司資料）齊平式電渦流位移傳感器外形（參考德國圖爾克公司資料）齊平式傳感器安裝

21、時可以不高出安裝面，不易被損害。V系列電渦流位移傳感器外形（參考浙江洞頭開關廠資料）齊平式V系列電渦流位移傳感器性能一覽表（摘自洞頭開關廠資料） 某V系列電渦流位移傳感器的機械圖四線制電渦流位移傳感器的接線說明 該位移傳感器同時具備兩種動作輸出狀態(tài)，用戶可選擇從高電壓向低電壓轉變、和從低電壓向高電壓轉變兩種方式，分別稱為NPN和PNP輸出模式。電渦流位移傳感器的應用 電渦流探頭線圈的阻抗受諸多因素影響，例如金屬材料的厚度、尺寸、形狀、電導率、磁導率、表面因素、距離等。只要固定其他因素就可以用電渦流傳感器來測量剩下的一個因素。因此電渦流傳感器的應用領域十分廣泛。但也同時帶來許多不確定因素，一個或

22、幾個因素的微小變化就足以影響測量結果。所以電渦流傳感器多用于定性測量。 即使要用作 定 量 測量，也必須采用逐點標定、計算機線性糾正、溫度補補償?shù)却胧?位移傳感器的分類偏心和振動檢測通過測量間隙來測量徑向跳動測量彎曲、波動、變形 對橋梁、絲桿等機械結構的振動測量，須使用多個傳感器。測量金屬薄膜、板材厚度電渦流測厚儀 測量冷軋板厚度測量尺寸、公差及零件識別 通過測量間隙來測定熱膨脹引起的上下平移位移的標定方法 使用千分尺，逐一對照測量電路的輸出電壓及數(shù)顯表讀數(shù)，列出對照表，存入計算機，從而達到線性化的目的。電渦流位移傳感器的距離與輸出電壓特性曲線1量程為10mm 2量程為16mm 3量程為20mm振動測量 汽輪機葉片測試 測量懸臂梁的振幅及頻率三、轉速測量 若轉軸上開z 個槽(或齒)，頻率計的讀