《電感式傳感器》

概述

電感式傳感器是一種機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置，特別是在自動控制設(shè)備中廣泛應(yīng)用。電感式傳感器利用電磁感應(yīng)定律將被測非電量（如位移、壓力、流量、振動）轉(zhuǎn)換為電感或互感的變化。按傳感器結(jié)構(gòu)可分為：自感式、互感式、電渦流式。

第4章

電感式傳感器整理ppt4.1自感式式傳感器（變磁阻）

結(jié)構(gòu):由線圈、鐵芯、銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵之間有氣隙，氣隙厚度為δ;傳感器運(yùn)動部分與銜鐵相連，銜鐵移動時δ發(fā)生變化，引起磁路的磁阻Rm變化，使電芯線圈的電感值L變化；只要改變氣隙厚度或氣隙截面積就可以改變電感。

一、工作原理整理ppt總磁阻線圈匝數(shù)兩式聯(lián)立得:δ線圈鐵芯銜鐵Δδ圖4-1變磁阻式傳感器I為線圈中所通交流電的有效值。整理ppt磁路電路磁通

Φ電流

i磁動勢

F電動勢

e磁阻

Rm電阻

R磁壓降

Hl電壓降

u磁導(dǎo)

Λm電導(dǎo)

G歐姆定律

Φ=F/Rm歐姆定律

i=u/R基氏第一定律

ΣΦ=0基氏第一定律

Σi=0基氏第二定律

ΣF=ΣHl=ΣΦRm基氏第二定律

Σe=Σu=ΣiR整理ppt空氣導(dǎo)磁率磁導(dǎo)率導(dǎo)磁率H/m而其中如果A保持不變，則L為δ的單值函數(shù)，構(gòu)成變氣隙式自感傳感器若保持δ不變，使A隨被測量（如位移）變化，則構(gòu)成變截面式自感傳感器，整理pptδ，ALL=f(A)L=f(δ)圖4-3電感傳感器特性整理ppt銜鐵下移二、變氣隙式自感傳感器的輸出特性δ線圈鐵芯銜鐵Δδ整理ppt忽略高次項(xiàng)：整理ppt銜鐵上移忽略高次項(xiàng)：整理ppt整理ppt三、差動式自感傳感器

在實(shí)際使用中，常采用兩個相同的傳感線圈共用一個銜鐵，構(gòu)成差動式自感傳感器，兩個線圈的電氣參數(shù)和幾何尺寸要求完全相同。這種結(jié)構(gòu)除了可以改善線性、提高靈敏度外，對溫度變化、電源頻率變化等的影響也可以進(jìn)行補(bǔ)償，從而減少了外界影響造成的誤差。整理ppt圖4-4是變氣隙型、變面積型及螺管型三種類型的差動式自感傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。當(dāng)銜鐵3移動時，一個線圈的電感量增加，另一個線圈的電感量減少，形成差動形式。圖4-4差動式自感傳感器1-線圈2-鐵芯3-銜鐵4-導(dǎo)桿（a）變氣隙型432131412344（b）變面積型（c）螺管型整理ppt變氣隙型差動式自感傳感器銜鐵下移：δ銜鐵R1R2L2L1整理ppt忽略高次項(xiàng)：提高一倍上式中不存在偶次項(xiàng)，顯然差動式自感傳感器的非線性誤差在±Δδ工作范圍內(nèi)要比單個自感傳感器的小得多。整理ppt差動式與單線圈電感式傳感器相比，具有下列優(yōu)點(diǎn)：①線性好；②靈敏度提高一倍，即銜鐵位移相同時，輸出信號大一倍；③溫度變化、電源波動、外界干擾等對傳感器精度的影響，由于能互相抵消而減小；④電磁吸力對測力變化的影響也由于能相互抵消而減小。整理ppt四、自感式傳感器的等效電路實(shí)際傳感器中，線圈不可能是純電感，它包括線圈的銅損電阻RC

；鐵芯的渦流損耗電阻Re

；由于線圈和測量設(shè)備電纜的接入，存在線圈固有電容和電纜的分布電容，用集中參數(shù)C表示。圖4-6等效電路ZCLRcRe整理ppt五、自感式傳感器的測量電路1.電阻平衡臂交流電橋圖4-7交流電橋差動的兩個傳感器線圈接成電橋的兩個工作臂（Z1、Z2為兩個差動傳感器線圈的復(fù)阻抗），另兩個橋臂用平衡電阻R1、R2代替。設(shè)初始時Z1=Z2=Z=RS+jωL；R1=R2=R；L1=L2=L0。工作時Z1=RS+jwL1;Z2=RS+jwL2R1R2Z2Z1整理ppt對差動變氣隙式自感傳感器：可見，電橋輸出電壓與Δδ有關(guān)，相位與銜鐵移動方向有關(guān)。由于是交流信號，還要經(jīng)過適當(dāng)電路（如相敏檢波電路）處理才能判別銜鐵位移的大小及方向。整理ppt432175502505075100L/mHδ/mm100251234-ΔδΔδ1、2為兩線圈的電感特性，3為兩線圈差接時的電感特性，圖線4為差接后電橋輸出電壓與位移間的特性曲線。說明：電橋輸出電壓的大小與銜鐵的位移量Δδ有關(guān)，相位與銜鐵的移動方向有關(guān)。若設(shè)銜鐵向上移動Δδ為負(fù)，則U0為負(fù)；銜鐵向下移動Δδ為正，則U0為正，相位差180°。整理ppt圖4-8變壓器交流電橋電橋A點(diǎn)的電位為：B點(diǎn)電位為電橋兩臂Z1、Z2為傳感器線圈阻抗Z1Z2IABCD~整理ppt初始位置銜鐵下移整理ppt銜鐵上移若線圈的Q值很高，損耗電阻可忽略，則由上式可知，當(dāng)銜鐵向上、向下移動相同的距離時，產(chǎn)生的輸出電壓大小相等，但極性相反。由于是交流信號，要判斷銜鐵位移的大小及方向同樣需要經(jīng)過相敏檢波電路的處理。整理ppt4.2差動變壓器式傳感器（互感式）4.2.1工作原理把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換成為線圈互感量的變化的傳感器稱為互感式傳感器。這種傳感器根據(jù)變壓器的基本原理制成，并將次級線圈繞組用差動形式連接。差動變壓器的結(jié)構(gòu)形式較多，應(yīng)用最多的是螺線管式差動變壓器。它可測量1—100mm范圍內(nèi)的機(jī)械位移。次級次級骨架初級銜鐵次級次級初級整理ppt等效電路：兩個次級線圈必須反相串聯(lián)接，保證差動形式。如果線圈完全對稱并且銜鐵處于中間位置時兩線圈互感系數(shù)相等電動勢相等

差動輸出電壓為零：整理ppt一、工作原理可見:

輸出電壓大小和符號反映了鐵心位移的大小和方向。當(dāng)銜鐵上下移動時，輸出電壓隨銜鐵位移變化。

若銜鐵上移

若銜鐵下移

整理ppt二、基本特性由此得到輸出電壓有效值為：可見輸出電壓與互感的差值有關(guān)根據(jù)電磁感應(yīng)定律，次級感應(yīng)電動勢分別為整理ppt鐵芯向右移，輸出與E2a同極性；鐵芯向左移，輸出與E2b同極性；輸出電壓的幅值取決于線圈互感即銜鐵在線圈中移動的距離X。Uo與Ui的相位由銜鐵的移動方向決定。整理ppt差動變壓器輸出電壓和位移的關(guān)系

整理ppt差動變壓器結(jié)構(gòu)形式

整理ppt三、零點(diǎn)殘余電壓

由于兩個次級線圈繞組電氣系數(shù)（M互感L電感R內(nèi)阻）不同，幾何尺寸工藝上很難保證完全相同。實(shí)際的特性曲線，在零點(diǎn)上總有一個最小的輸出電壓，這個鐵芯處于中間位置時最小不為零的電壓稱為零點(diǎn)殘余電壓。

整理ppt四、差動變壓器式傳感器及測量電路

差動變壓器輸出交流信號。為正確反映銜鐵位移大小和方向，常采用差動整流電路和相敏檢波電路。（1）差動整流電路，輸入一交流信號時整理ppt整理ppt整理ppt（2）相敏檢波電路（a）相敏檢波電路原理圖；（b）us、u2為正半周時等效電路；(c)us、u2為負(fù)半周時等效電路上一頁返回下一頁整理ppt整理ppt相敏檢波電路波形

(a）被測位移變化波形圖；(b)差動變壓器激勵電壓波形；(c)差動變壓器輸出電壓波形；(d)相敏檢波解調(diào)電壓波形；(e)相敏檢波輸出電壓波形上一頁返回下一頁整理ppt4.3電感式傳感器的應(yīng)用

一、位移測量

軸向式電感測微器的外形

航空插頭紅寶石測頭整理ppt其他電感測微頭整理ppt模擬式及數(shù)字式電感測微儀整理ppt軸向式電感測微器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1—引線電纜2—固定磁筒3—銜鐵4—線圈5—測力彈簧6—防轉(zhuǎn)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(zhǔn)面整理ppt二、電感式滾柱直徑分選裝置圖3-14滾柱直徑分選裝置1—?dú)飧?—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）

整理ppt二、電感式滾柱直徑分選裝置測微儀圓柱滾子整理ppt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）整理ppt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(dá)滾子有限公司資料）廢料倉整理ppt三、電感傳感器在仿形機(jī)床中的應(yīng)用

1—標(biāo)準(zhǔn)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(jī)7—銑刀8—毛坯整理ppt仿形銑床外形仿形機(jī)床采用閉環(huán)工作方式仿形頭主軸整理ppt仿形車床原理整理ppt四、電感式不圓度計原理該圓度計采用旁向式電感測微頭整理ppt電感式不圓度測量系統(tǒng)外形

（參考洛陽匯智測控技術(shù)有限公司資料）旋轉(zhuǎn)盤測量頭整理ppt五、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—安裝底座整理ppt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(dāng)膜片四周固定，兩側(cè)面存在壓差時，膜片將彎向壓力低的一側(cè)，因此能夠?qū)毫ψ儞Q為直線位移。整理ppt七、一次儀表與4~20mA二線制輸出方式圖3-17所示的壓力變送器已經(jīng)將傳感器與信號處理電路組合在一個殼體中，這在工業(yè)中被稱為一次儀表。一次儀表的輸出信號可以是電壓，也可以是電流。由于電流信號不易受干擾，且便于遠(yuǎn)距離傳輸（可以不考慮線路壓降），所以在一次儀表中多采用電流輸出型。整理ppt4~20mA二線制輸出方式新的國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定電流輸出為4~20mA；電壓輸出為1~5V(舊國標(biāo)為0~10mA或0~2V)。4mA對應(yīng)于零輸入，20mA對應(yīng)于滿度輸入。不讓信號占有0~4mA這一范圍的原因，一方面是有利于判斷線路故障（開路）或儀表故障；另一方面，這類一次儀表內(nèi)部均采用微電流集成電路，總的耗電還不到4mA，因此還能利用0~4mA這一部分“本底”電流為一次儀表的內(nèi)部電路提供工作電流，使一次儀表成為兩線制儀表。整理ppt4~20mA二線制輸出方式所謂二線制儀表是指儀表與外界的聯(lián)系只需兩根導(dǎo)線。多數(shù)情況下，其中一根（紅色）為+24V電源線，另一根（黑色）既作為電源負(fù)極引線，又作為信號傳輸線。在信號傳輸線的末端通過一只標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電阻（也稱取樣電阻）接地（也就是電源負(fù)極），將電流信號轉(zhuǎn)變成電壓信號。

整理ppt4~20mA二線制儀表接線方法4~20mA整理ppt4~20mA二線制數(shù)顯表外形及計算

在上一張圖中，若取樣電阻RL=500.0，則對應(yīng)于4~20mA的輸出電流，輸出電壓Uo為2~10V。

整理ppt一、電渦流傳感器工作原理電渦流效應(yīng)演示

當(dāng)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。4.4電渦流式傳感器

整理ppt集膚效應(yīng)集膚效應(yīng)與激勵源頻率f、工件的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率等有關(guān)。頻率f越高，電渦流的滲透的深度就越淺，集膚效應(yīng)越嚴(yán)重。

圖4-1是電渦流傳感器工作原理示意圖。當(dāng)高頻（100kHz左右）信號源產(chǎn)生的高頻電壓施加到一個靠近金屬導(dǎo)體附近的電感線圈L1時，將產(chǎn)生高頻磁場H1。如被測導(dǎo)體置于該交變磁場范圍之內(nèi)時，被測導(dǎo)體就產(chǎn)生電渦流i2。i2在金屬導(dǎo)體的縱深方向并不是均勻分布的，而只集中在金屬導(dǎo)體的表面，這稱為集膚效應(yīng)（也稱趨膚效應(yīng)）。

整理ppt二、等效阻抗分析

檢測深度與激勵源頻率有何關(guān)系？

電渦流線圈受電渦流影響時的等效阻抗Z的函數(shù)表達(dá)式為：

Z=R+jωL=f（i1、f、、、r、x）

（4-1）

如果控制上式中的i1、f、、、r不變，電渦流線圈的阻抗Z就成為哪個非電量的單值函數(shù)？屬于接觸式測量還是非接觸式測量？

整理ppt等效阻抗與非電量的測量

檢測深度的控制：由于存在集膚效應(yīng)，電渦流只能檢測導(dǎo)體表面的各種物理參數(shù)。改變f，可控制檢測深度。激勵源頻率一般設(shè)定在100kHz~1MHz。頻率越低，檢測深度越深。

間距x的測量：如果控制上式中的i1、f、、、r不變，電渦流線圈的阻抗Z就成為間距x的單值函數(shù)，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x、i1、f不變，就可以用來檢測與表面電導(dǎo)率有關(guān)的表面溫度、表面裂紋等參數(shù)，或者用來檢測與材料磁導(dǎo)率有關(guān)的材料型號、表面硬度等參數(shù)。

整理ppt電渦流的應(yīng)用

——在我們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)?？梢杂龅礁蓛?、高效的電磁爐整理ppt電磁爐內(nèi)部的勵磁線圈整理ppt電磁爐的工作原理高頻電流通過勵磁線圈，產(chǎn)生交變磁場，在鐵質(zhì)鍋底會產(chǎn)生無數(shù)的電渦流，使鍋底發(fā)熱，燒開鍋內(nèi)食物。整理ppt

二、位移測量

電渦流位移傳感器是一種輸出為模擬量的電子器件。當(dāng)金屬物體接近此感應(yīng)面時，金屬表面將吸取電渦流探頭中的高頻振蕩能量，使振蕩器的輸出幅度線性地衰減，根據(jù)衰減量的變化或振蕩頻率的變化，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，工作時不受灰塵等因素的影響，可在各種惡劣條件下使用。整理ppt位移測量儀