電感式傳感器課件

1、第3章 電感式傳感器 物理基礎(chǔ)：電磁感應原理 將被測量轉(zhuǎn)換成線圈的自感或互感 電感電壓、電流、振蕩頻率10/14/2022 11:15 AM1第3章 電感式傳感器 物理基礎(chǔ)：電磁感應原理10/11/20第3章 電感式傳感器特點：高靈敏度、高分辨率(0.1um);高精度 (0.1%0.5%)；高穩(wěn)定性、高重復性、長壽命；低頻測量(除電渦流傳感器外)應用： 位移、速度、加速度； 壓力、流量； 接近覺10/14/20222第3章 電感式傳感器特點：10/11/20222第3章 電感式傳感器3.1 自感式傳感器3.2 互感式式傳感器3.3 電感式傳感器的轉(zhuǎn)換電路3.4 電渦流式傳感器3.5 壓磁式傳感

2、器3.6 感應同步器10/14/20223第3章 電感式傳感器3.1 自感式傳感器10/11/20磁導率3.1 自感式傳感器(變磁阻式)3.1.1 氣隙型電感式傳感器結(jié)構(gòu)：線圈鐵心銜鐵氣隙，位移工作原理：線圈自感系數(shù)：N：線圈匝數(shù)，Rm：磁路總磁阻Rm包括各段鐵芯、銜鐵以及空氣隙總磁阻線圈鐵芯銜鐵s1s2s10/14/20224磁導率3.1 自感式傳感器(變磁阻式)3.1.1 氣隙型電3.1.1 氣隙型電感式傳感器工作原理：鐵芯與銜鐵為導磁材料 磁阻與空氣相比可忽略 改變其一,可得到不同的傳感器:氣隙型、截面型、磁導率型線圈鐵芯銜鐵s1s2s10/14/202253.1.1 氣隙型電感式傳感器

3、工作原理：線圈鐵芯銜鐵s3.1.1 氣隙型電感式傳感器工作原理：氣隙減小時，電感相對變化量靈敏度：單位位移引起的自感相對變化量：線圈鐵芯銜鐵s1s2s改善非線性的措施(略)非線性10/14/202263.1.1 氣隙型電感式傳感器工作原理：線圈鐵芯銜鐵s3.1.1 氣隙型電感式傳感器線性化處理：當 時靈敏度：單位位移引起的電感變化量非線性誤差：L/L與成非線性關(guān)系減小可提高靈敏度減小非線性增加10/14/202273.1.1 氣隙型電感式傳感器線性化處理：當 輸出特性曲線：非線性，當 近似線性選擇合適的工作點 L03.1.1 氣隙型電感式傳感器差動結(jié)構(gòu)，改善性能12344要求：上下傳感器結(jié)構(gòu)、

4、性能、材料完全對稱10/14/20228輸出特性曲線：3.1.1 氣隙型電感式傳感器差動結(jié)構(gòu)，改善性差動氣隙型電感傳感器銜鐵上移時，上傳感器氣隙-下傳感器氣隙+銜鐵R1R2L2L110/14/20229差動氣隙型電感傳感器銜鐵上移時，銜鐵R1R2L2L11銜鐵R1R2L2L1差動氣隙型電感傳感器當 時靈敏度：非線性誤差：靈敏度提高1倍 非線性誤差大大下降在同等非線性下，測量范圍顯著增加差動型010/14/202210銜鐵R1R2L2L1差動氣隙型電感傳感器當 3.1.2 其它自感式電感傳感器截面型線性特性低靈敏度多用于角位移測量S力F磁導率型壓磁效應主要用于力測量10/14/2022113.1

5、.2 其它自感式電感傳感器截面型S力F磁導率型103.1.2 其它自感式電感傳感器單螺線管型鐵芯移動改變磁路氣隙漏磁通變化磁阻變化自感L變化 特點結(jié)構(gòu)簡單、易于制造；非線性嚴重；靈敏度低，用于大位移測量導桿鐵芯線圈10/14/2022123.1.2 其它自感式電感傳感器單螺線管型導桿鐵芯線圈10/3.1.2 其它自感式電感傳感器差動螺線管型鐵芯線圈導桿線圈線圈0.80.60.40.20.20.40.60.8-0.80.80.41.2-1.2-0.4H差動螺旋管式傳感器磁場分布曲線x鐵芯長0.6線圈長時磁感應強度有線性段；測量范圍550mm非線性誤差1MHz低頻時，渦流穿透金屬板 1-2kHz渦

6、流傳感器分類：高頻反射式低頻透射式JoJzz0J0 /eh軸向分布0 1 2Jr/Jor/ro1徑向分布r0J0r10/14/2022313.4 渦電流式傳感器渦電流分布渦流傳感器分類：JoJzz03.4.1 渦流傳感器結(jié)構(gòu)用途：位移、厚度、無損探傷高精度、動態(tài)非接觸測量123456結(jié)構(gòu)：1 線圈 2 框架 3 襯套4 支架 5 電纜 6 插頭傳感器系統(tǒng)：傳感器+金屬板金屬板半徑2r010/14/2022323.4.1 渦流傳感器結(jié)構(gòu)用途：123456結(jié)構(gòu)：傳感器系統(tǒng)3.4.2 高頻反射式渦流傳感器 激勵頻率 1MHz工作原理渦電流處于金屬表面層內(nèi), 不能穿透金屬板；當其它參數(shù)確定、金屬板半徑

7、遠遠大于線圈半徑時,渦流的大小只取決于線圈到金屬板的距離。線圈等效阻抗為：10/14/2022333.4.2 高頻反射式渦流傳感器 等效電路線圈等效為電阻R1、電感L以及分布電容C的串聯(lián)；渦電流環(huán)等效成是一匝線圈電阻為R2,電感為L2測量系統(tǒng)等效為兩個相互耦合的線圈線圈與導體間的互感M，M 隨間距x的減小而增大。3.4.2 高頻反射式渦流傳感器MR1L2L1R2C10/14/202234等效電路3.4.2 高頻反射式渦流傳感器MR1L2L1R2C3.4.2 高頻反射式渦流傳感器求線圈等效阻抗線圈回路渦流回路MR1L2L1R2C10/14/2022353.4.2 高頻反射式渦流傳感器求線圈等效阻

8、抗線圈回路渦流回3.4.2 高頻反射式渦流傳感器線圈等效阻抗：高頻激勵時金屬板與線圈耦合程度很弱,M很小,當電源頻率很高時金屬板的電阻率對線圈的等效阻抗影響可以忽略線圈等效電阻、等效電感MR1L2L1R2C10/14/2022363.4.2 高頻反射式渦流傳感器線圈等效阻抗：高頻激勵時金屬 測量電路電渦流傳感器將被測量轉(zhuǎn)換為Z、L或Q轉(zhuǎn)換電路將Z、L或Q 轉(zhuǎn)換為電壓或電流測阻抗Z 的轉(zhuǎn)換電路交流電橋測電感L 的轉(zhuǎn)換電路諧振電路調(diào)幅法調(diào)頻法正反饋法 10/14/202237 測量電路電渦流傳感器將被測量轉(zhuǎn)換為Z、L或Q10/11/2(1) 交流電橋L1或L2為渦流線圈平衡電容C1、C2;橋臂阻抗

9、:不平衡輸出反映線圈阻抗的變化.配用相敏檢波電路U0L1振蕩器R1R2C2C1L2檢波放大用于差動電感傳感器10/14/202238(1) 交流電橋L1或L2為渦流線圈U0L1振蕩器R1R2C(2) 諧振式調(diào)幅電路渦流線圈與電容組成LC并聯(lián)諧振回路，由恒流源石英晶體振蕩器供電電源振蕩頻率=LC回路諧振頻率沒有被測物體時，并聯(lián)諧振回路的諧振頻率等于振蕩器的頻率f0，LC回路阻抗最大U0 = I0Z 。有被測物時L發(fā)生變化，振蕩電路失調(diào)，輸出減小。晶體振蕩器LC輸出放大檢波濾波RU0()U1x1x10/14/202239(2) 諧振式調(diào)幅電路渦流線圈與電容組成LC并聯(lián)諧振回路，由(3) 諧振式調(diào)頻

10、電路渦流線圈與電容組成LC并聯(lián)諧振回路，控制振蕩器的頻率，經(jīng)鑒頻器將頻率變化轉(zhuǎn)換為電壓變化。C與L安裝在一起,減小導線分布電容對頻率的影響.幾皮法的分布電容會引起幾千Hz的頻率變化.LC輸出鑒頻器高頻振蕩器10/14/202240(3) 諧振式調(diào)頻電路渦流線圈與電容組成LC并聯(lián)諧振回路，控(4) 正反饋轉(zhuǎn)換電路石英振蕩器提供穩(wěn)頻、穩(wěn)幅振蕩電流;傳感器作為放大器正反饋回路,改變放大器放大倍數(shù);使輸出電壓發(fā)生變化.特點:測量范圍比電橋法大23倍.10/14/202241(4) 正反饋轉(zhuǎn)換電路石英振蕩器提供穩(wěn)頻、穩(wěn)幅振蕩電流;103.4.3 低頻透射式渦流傳感器激勵電源頻率較低時，渦流穿透薄金屬板發(fā)

11、射線圈與接收線圈分別位于金屬板兩側(cè)上線圈磁力線被下線圈接收，產(chǎn)生感應電動勢金屬板渦流抵消激勵磁場下線圈電動勢減小影響感應電動勢的因素：金屬板厚度(厚度測量)金屬板電阻率(材質(zhì)鑒別)金屬板磁導率率(應力硬度)無損探傷測量范圍：1100mm分辨率：0.1m線性度： 1%JoJzz0J0 /eh軸向分布10/14/2022423.4.3 低頻透射式渦流傳感器激勵電源頻率較低時，渦流穿透3.4.4 渦流傳感器的應用內(nèi)部裂紋無損探傷10/14/2022433.4.4 渦流傳感器的應用內(nèi)部裂紋無損探傷10/11/203.4.4 渦流傳感器的應用主軸回轉(zhuǎn)精度測量主軸ZxZz標準球連接件Zy10/14/202

12、2443.4.4 渦流傳感器的應用主軸回轉(zhuǎn)精度測量主軸ZxZz標準3.5 壓磁式傳感器(磁彈性傳感器)壓磁效應:壓力鐵磁材料力方向磁導率 垂直于力的方向磁導率力取消后，磁導率復原.(可逆效應)力磁導率的變化.壓磁效應與外磁場有關(guān),磁場應保持恒定.傳感器結(jié)構(gòu)10/14/2022453.5 壓磁式傳感器(磁彈性傳感器)壓磁效應:10/11/23.5 壓磁式傳感器壓磁元件1+彈性支架2+傳力鋼球3壓磁元件硅鋼片疊層粘合;孔1234;孔12穿入激勵繞組N12;孔34穿入輸出繞組N34;無壓力時,4個區(qū)域磁導率相同, N12的磁場N34線圈平面, N34中無感應電動勢輸出;10/14/2022463.5

13、 壓磁式傳感器壓磁元件1+彈性支架2+傳力鋼球310/3.5 壓磁式傳感器有壓力時,4個區(qū)域磁導率相同,A、B區(qū)域磁導率下降，C、D區(qū)域磁導率基本不變;4個區(qū)域磁場重新分布；合成磁場方向不再與N34平行；一部分磁場穿過輸出繞組N34；產(chǎn)生感應電動勢。 應用：輸出功率大、抗干擾能量強用于冶金、礦山、運輸?shù)刃袠I(yè)的自動秤重10/14/2022473.5 壓磁式傳感器有壓力時,4個區(qū)域磁導率相同,10/113.6 感應同步器結(jié)構(gòu):定尺+轉(zhuǎn)尺定子+轉(zhuǎn)子分類:長感應同步器(測位移)圓感應同步器(測角度)原理：兩平面繞組的電磁感應隨其相對位置變化. UeUe:載波電源Us:調(diào)制輸出轉(zhuǎn)尺相距1/4節(jié)距UsUc10/14/2022483.6 感應同步器結(jié)構(gòu): 3.6 感應同步器轉(zhuǎn)尺在定尺上水平滑移:定尺通入交流電源ue時;轉(zhuǎn)尺s中產(chǎn)生感應電壓:定、轉(zhuǎn)兩尺對準時,電壓=+max;偏移1/4節(jié)距時,電壓=0;偏移1/2節(jié)距時,電壓=-max中間位置電壓轉(zhuǎn)尺c中產(chǎn)生感應電壓與轉(zhuǎn)尺s電壓相差90 ueusuc10/14/2022493.6 感應同步器轉(zhuǎn)尺在定尺上水平滑移: 3.6 感應同步器設(shè)則：us相移90， 與uc相加得輸出信號：在一個節(jié)距內(nèi)感應電壓是轉(zhuǎn)尺與定尺的相對