傳感檢測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用

1、傳感檢測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用2022/8/311第1頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)50分，星期日第五章 電感式傳感器及應(yīng)用了解電感式傳感器的工作原理；了解自感式傳感器、互感式感傳感器和電渦流式傳感器的特點(diǎn)；了解自感式傳感器、互感式感傳感器和電渦流式傳感器的應(yīng)用2022/8/312第2頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)50分，星期日電感式傳感器概念和類型 電感式傳感器是以電和磁為媒介，利用磁場(chǎng)的變化引起線圈的電感量或互感量的變化，把非電量轉(zhuǎn)化為電量的裝置（基于電磁感應(yīng)原理）。 按照轉(zhuǎn)換方式的不同可分為自感式（包括可變磁阻式與渦流式）和互感式（差動(dòng)變壓器式）兩種。2022/8/31

2、3第3頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)50分，星期日5-1自感式傳感器 自感式傳感器是利用線圈自身電感的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)非電量與電量的轉(zhuǎn)換。主要有變氣隙型、變面積型、螺管插鐵型。一、變磁路氣隙式電感傳感器組成：線圈、鐵芯和銜鐵組成。在鐵芯與銜鐵之間存在氣隙。2022/8/314第4頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)50分，星期日根據(jù)磁路理論，磁通為：原理分析：根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)線圈中通以電流I時(shí)，產(chǎn)生磁通，其大小與電流成正比，線圈的自感量L為2022/8/315第5頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)50分，星期日線圈自感可用下式計(jì)算：磁路的磁阻主要是氣隙產(chǎn)生的氣隙磁

3、阻，聯(lián)立式（51）、（52）、（54），線圈的電感量為2022/8/316第6頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)50分，星期日線圈電感變化量（氣隙減小） 非線性誤差靈敏度和線性度之間存在矛盾；一般變氣隙式電感傳感器只能在較小的氣隙范圍內(nèi)變化微小的位移。 因此只適用于微小位移量的檢測(cè)，一般約為0.0011 mm。上式說(shuō)明：當(dāng)活動(dòng)銜鐵的位移很小時(shí)，線圈的電感變化量與位移量成線性關(guān)系。 其靈敏度為2022/8/317第7頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)50分，星期日 原理1.靈敏度是一常數(shù)；2.在一定范圍內(nèi)不存在非線性；3.當(dāng)正反方向變化相同的x時(shí)，其電感變化量具有對(duì)稱性。但當(dāng)

4、xa時(shí)就不再存在直線關(guān)系，其線性范圍是有限的。結(jié)論二、變磁路截面積式自感傳感器傳感器的靈敏度2022/8/318第8頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)50分，星期日三、螺管插鐵型電感傳感器式中：L單個(gè)線圈的電感量； L0空心螺管線圈的電感量， W單個(gè)線圈的匝數(shù)； r線圈的平均半徑； rc柱形銜鐵的半徑； l 單個(gè)螺管線圈長(zhǎng)度； lc柱形銜鐵插入到單個(gè)螺管內(nèi)的長(zhǎng)度； 鐵芯的有效磁導(dǎo)率。原理：?jiǎn)蝹€(gè)線圈電感量與銜鐵插入長(zhǎng)度關(guān)系為2022/8/319第9頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)50分，星期日傳感器的靈敏度：螺管線圈電感變化量總結(jié)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易制造，靈敏度低，適于較大位移（

5、數(shù)毫米）測(cè)量。2022/8/3110第10頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)50分，星期日四、差動(dòng)電感傳感器 自感式傳感器是單線圈工作，存在的問題：沒有信號(hào)輸入時(shí)，仍有輸出；外界干擾時(shí)輸出產(chǎn)生誤差；靈敏度低等。 差動(dòng)自感式傳感器可以克服這些缺點(diǎn)。由兩個(gè)結(jié)構(gòu)、材料和電氣參數(shù)相同自感傳感器構(gòu)成。2022/8/3111第11頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)50分，星期日 對(duì)差動(dòng)式傳感器，當(dāng)共用銜鐵位移時(shí)，兩線圈的間隙按0、0+變化，即一個(gè)線圈自感增加，另一個(gè)減小。當(dāng)/1時(shí)：1. 工作原理2022/8/3112第12頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)50分，星期日靈敏度

6、，為原來(lái)的兩倍。非線性誤差降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)。 2022/8/3113第13頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)50分，星期日2.交流電橋 初始條件電橋處于平衡狀態(tài)，輸出USC=0。當(dāng)銜鐵偏移時(shí)，則2022/8/3114第14頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)50分，星期日所以上式為，將代入后上式表明輸出電壓與銜鐵的位移成正比，其相位與運(yùn)動(dòng)方向有關(guān)，如圖所示，其優(yōu)點(diǎn)為：從理論上消除了零位輸出誤差；靈敏度提高一倍；線性度得到改善；差動(dòng)形式可以提高外界的干擾。2022/8/3115第15頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)50分，星期日3.變壓器交流電橋電橋的工作臂是Z1、

7、Z2，另外兩個(gè)臂是變壓器的次級(jí)線圈，輸出取自A、B兩點(diǎn)，B點(diǎn)為線圈的中心，并接地。初始時(shí)，當(dāng)銜鐵偏離 時(shí)，2022/8/3116第16頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)50分，星期日同理，當(dāng)銜鐵偏移時(shí)，可推導(dǎo)出綜合上兩式有結(jié)論：a）以上交流電橋，變壓器電橋其輸出正比于L/L0。b）輸出為交流信號(hào)，其方向、大小需通過(guò)整流、濾波后才能獲得相應(yīng)直流信號(hào)。4、相敏整流2022/8/3117第17頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)50分，星期日5-2 互感式傳感器 互感式傳感器又稱變壓器式傳感器，是把非電量的變化轉(zhuǎn)換成線圈相互的互感量的變化，然后再經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)輸出。 結(jié)

8、構(gòu)形式主要有三種：螺管型差動(dòng)變壓器、 型差動(dòng)變壓器及旋轉(zhuǎn)變壓器。但目前常用的是螺管型差動(dòng)變壓器。一、螺管型差動(dòng)變壓器 螺管型差動(dòng)變壓器按繞組排列形式可分為二段式、三段式、四段式、五段式等。 1.原理2022/8/3118第18頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)50分，星期日 如上圖左是三段繞組螺管型差動(dòng)變壓器，上圖右是其等效電路。由等效電路可得 主要由線圈繞組（初級(jí)繞組和次級(jí)繞組）、可移動(dòng)銜鐵、導(dǎo)磁外殼三大部分組成。 2022/8/3119第19頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)50分，星期日所以有當(dāng)銜鐵處于中間位置時(shí)M1=M2，E2=0當(dāng)銜鐵偏離中間位置時(shí)，設(shè)M1M+M1

9、，M2MM 2，M1 M 2 M，有 位移量與M有近似線性關(guān)系。2022/8/3120第20頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)50分，星期日2.主要特性（1）輸出特性 差動(dòng)變壓器輸出電壓可用下式計(jì)算：E2為差動(dòng)變壓器輸出電壓有效值；x銜鐵的位移量；k1與變壓器結(jié)構(gòu)尺寸和電參數(shù)有關(guān)的系數(shù)；k2與變壓器結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)。（2）線性度 在輸出特性公式中，通常k2x2lMHz)激勵(lì)電流，產(chǎn)生的高頻磁場(chǎng)作用于金屬板的表面，由于集膚效應(yīng)，在金屬板表面將形成渦電流。與此同時(shí)，該渦流產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)又反作用于線圈，引起線圈自感L或阻抗ZL的變化，其變化與距離該金屬板的電阻率、磁導(dǎo)率、激勵(lì)電流i，及角頻率

10、等有關(guān)，若只改變距離而保持其他系數(shù)不變，則可將位移的變化轉(zhuǎn)換為線圈自感的變化，通過(guò)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電壓輸出。高頻反射式渦流傳感器多用于位移測(cè)量。 渦流式傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式。 二、渦流傳感器類型1.高頻反射式2022/8/3131第31頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)50分，星期日 低頻透射式渦流傳感器的工作原理如圖所示，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。2、低頻透射式 由于低頻磁場(chǎng)集膚效應(yīng)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)

11、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。2022/8/3132第32頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)50分，星期日三、特性分析（1）輸出特性：一定距離范圍內(nèi)呈線性（2）靈敏度 靈敏度正比于線圈直徑，反比于線圈厚度；被測(cè)測(cè)物體半徑大于線圈外徑1.8倍，要有一定厚度；正比于電導(dǎo)率，反比于磁導(dǎo)率；正比于工作頻率。四、測(cè)量電路1.調(diào)幅式測(cè)量電路2022/8/3133第33頁(yè)，共45頁(yè)，2022

12、年，5月20日，16點(diǎn)50分，星期日2.調(diào)頻式測(cè)量電路2022/8/3134第34頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)50分，星期日2022/8/3135第35頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)50分，星期日3.電橋測(cè)量電路2022/8/3136第36頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)50分，星期日5-4 電感式傳感器應(yīng)用一、電感式傳感器應(yīng)用1.電感式位移式傳感器2.差動(dòng)變壓器測(cè)速3.差動(dòng)變壓器測(cè)慣性加速度4.磨加工連續(xù)表面主動(dòng)測(cè)量?jī)x5.三維電感測(cè)頭二、電渦流傳感器應(yīng)用1.渦流式傳感器測(cè)位移2022/8/3137第37頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)50

13、分，星期日2022/8/3138第38頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)50分，星期日2022/8/3139第39頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)50分，星期日2022/8/3140第40頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)50分，星期日2022/8/3141第41頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)50分，星期日2.渦流膜厚檢測(cè)3.電渦流式轉(zhuǎn)速表4.電渦流式接近開關(guān)2022/8/3142第42頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)50分，星期日2022/8/3143第43頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，16點(diǎn)50分，星期日思考題1.查資料，了解螺管式差動(dòng)變壓器傳感器的結(jié)構(gòu)，為什么要采