第5章 電感式傳感器教材

第5章電感式傳感器本章學(xué)習(xí)要求：1.掌握自感式傳感器的原理、調(diào)理電路及應(yīng)用；2.掌握差動(dòng)變壓器的原理、調(diào)理電路及應(yīng)用；3.掌握電渦流傳感器的原理、調(diào)理電路及應(yīng)用；4.掌握感應(yīng)同步器的原理、調(diào)理電路及應(yīng)用。

新型傳感器原理及應(yīng)用第5章電感式傳感器

工作原理：基于電磁感應(yīng)原理，將被測(cè)量變化轉(zhuǎn)換為電感量(自感和互感)變化。常用來測(cè)量位移、振動(dòng)、壓力、流量、重量、力矩、應(yīng)變等。

電感式傳感器自感型變磁阻式電渦流式互感型感應(yīng)同步器差動(dòng)變壓器5.1自感式傳感器(變磁阻式)

5.1.1工作原理：第5章電感式傳感器電磁感應(yīng)的自感現(xiàn)象

當(dāng)鐵芯的結(jié)構(gòu)和材料確定后，自感L與氣隙磁通截面積A成正比，與氣隙長(zhǎng)度

成反比。

初始自感量：靈敏度：非線性誤差：

5.1自感式傳感器5.1.2結(jié)構(gòu)類型

1.變氣隙式變氣隙式的差動(dòng)結(jié)構(gòu)：靈敏度：非線性誤差：2.變面積式：5.1.2結(jié)構(gòu)類型3.螺管式

單螺管線圈差動(dòng)螺管線圈長(zhǎng)徑比越大，線性范圍越大，故做成細(xì)長(zhǎng)型。5.1.2結(jié)構(gòu)類型5.1.3信號(hào)調(diào)理電路

1.調(diào)幅電路1）變壓器電橋(不反映極性，且存在零點(diǎn)殘余電壓)空載輸出：——兩種情況輸出大小相等、相位差

5.1自感式傳感器2）相敏整流電橋(反映極性，且消除零點(diǎn)殘余電壓)

（1）當(dāng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí)，，。若u上正、下負(fù)，VD1和VD4通，VD2和VD3斷，R2上的壓降大于R1上的壓降；若u下正、上負(fù)，VD1和VD4斷，VD2和VD3通，R1上的壓降大于R2上的壓降。故uo下端為正、上端為負(fù)。

（2）當(dāng)銜鐵向下移動(dòng)時(shí)，，。uo下端為負(fù)、上端為正。兩種情況輸出大小相等、極性相反。

5.1.3信號(hào)調(diào)理電路2.調(diào)頻電路

振蕩頻率：

頻率變化量：

5.1.3信號(hào)調(diào)理電路頻率變?yōu)椋?.1.4自感式傳感器的應(yīng)用

1.自感式壓力傳感器

當(dāng)被測(cè)壓力進(jìn)入C型彈簧管時(shí)，彈簧管發(fā)生變形，其自由端產(chǎn)生位移，帶動(dòng)與自由端剛性連接的銜鐵發(fā)生移動(dòng)，使傳感器線圈中的自感量一個(gè)增加另一個(gè)減小。5.1自感式傳感器2.螺管式位移傳感器

測(cè)桿可在滾動(dòng)導(dǎo)軌上作軸向移動(dòng)，測(cè)桿上固定著銜鐵。當(dāng)測(cè)桿移動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)銜鐵在電感線圈中移動(dòng)，線圈放在圓筒形鐵芯中，線圈配置成差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，當(dāng)銜鐵由中間位置向左右移動(dòng)時(shí)，自感量一個(gè)增加另一個(gè)減少。兩個(gè)線圈分別用導(dǎo)線引出，接入測(cè)量電路。5.1.4自感式傳感器的應(yīng)用3.自感式接近傳感器5.1.4自感式傳感器的應(yīng)用5.2差動(dòng)變壓器式傳感器5.2.1工作原理：電磁感應(yīng)互感現(xiàn)象WW1W2u2x-xu1u2=e21e22e21-e22當(dāng)x=0時(shí)，M1=M2，e21=e22，u2=0；當(dāng)x>0時(shí)，M1>M2，e21>e22

，u2>0；當(dāng)x<0時(shí)，M1<M2，e21<e22

，u2<0。第5章電感式傳感器u1u2uruo5.2.2信號(hào)調(diào)理電路差動(dòng)變壓器輸出為交流調(diào)幅波，為了從調(diào)幅波中恢復(fù)銜鐵位移量的大小，辨別銜鐵移動(dòng)方向，并消除零點(diǎn)殘余電壓，在實(shí)際測(cè)量中常采用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路。5.2差動(dòng)變壓器式傳感器1.差動(dòng)整流電路5.2.2信號(hào)調(diào)理電路當(dāng)激勵(lì)電壓u1為正半周時(shí)，上線圈a端為正，b端為負(fù)，電流路徑為a→1→2→4→3→b，流過電容的電流由2到4，電容上的電壓為u24

。下線圈c端為正，d端為負(fù)，電流路徑為：c→5→6→8→7→d，流過電容的電流由

6到8，電壓為u68。

當(dāng)激勵(lì)電壓u1為負(fù)半周時(shí)，上線圈a端為負(fù)，b端為正，電流路徑為b→3→2→4→1→a，流過電容的電流仍由2到4，電容電壓為u24

。下線圈c端為負(fù)，d端為正，電流路徑為：d→7→6→8→5→c，流過電容的電流仍由

6到8，電壓為u68。

5.2.2信號(hào)調(diào)理電路無論u1為正半周還是負(fù)半周，通過電容的電流方向始終不變，總輸出電壓始終為：u2=u24-u68

。當(dāng)銜鐵在零位時(shí)，u24=u68，u2=0；當(dāng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí)，u24>u68，u2>0

；當(dāng)銜鐵向下移動(dòng)時(shí)，u24<u68，u2<0。

5.2.2信號(hào)調(diào)理電路uruo2.相敏檢波電路：5.2.2信號(hào)調(diào)理電路作用：（1）反映極性（2）消除零點(diǎn)殘壓（3）調(diào)幅波的解調(diào)

當(dāng)ur>0時(shí)，V1截止，V2導(dǎo)通，運(yùn)算放大器A2的反相輸入端接地，差動(dòng)變壓器輸出的調(diào)幅波u2從A2同相輸入端輸入。相敏檢波器輸出：5.2.2信號(hào)調(diào)理電路

當(dāng)ur<0時(shí)，V1導(dǎo)通，V2截止，運(yùn)算放大器A2的同相輸入端接地，差動(dòng)變壓器輸出的調(diào)幅波u2從A2反相輸入端輸入。相敏檢波器輸出：5.2.2信號(hào)調(diào)理電路當(dāng)x>0時(shí)，調(diào)幅波u2與載波ur同頻同相，相敏檢波器輸出uo為正。當(dāng)x<0時(shí)，調(diào)幅波u2與載波ur同頻反相，相敏檢波器輸出uo為負(fù)。波形分析：5.2.2信號(hào)調(diào)理電路5.2.3零點(diǎn)殘余電壓當(dāng)銜鐵處于中間位置時(shí)，輸出電壓并不為零，且有一個(gè)很小的電壓值，這個(gè)電壓值稱為零點(diǎn)殘余電壓。u2x-x1.零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生原因主要由兩次級(jí)線圈的電氣參數(shù)和幾何尺寸不對(duì)稱、導(dǎo)磁材料磁化曲線的非線性、激勵(lì)電壓的高次諧波及外界電磁干擾等引起。2.零點(diǎn)殘余電壓的消除從設(shè)計(jì)工藝、信號(hào)調(diào)理電路和線路補(bǔ)償?shù)确矫嫦泓c(diǎn)殘壓。5.2差動(dòng)變壓器式傳感器5.2.4差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用1.差動(dòng)變壓器式壓力傳感器當(dāng)被測(cè)壓力經(jīng)過接頭傳入膜盒時(shí)，使膜盒產(chǎn)生一定的位移，并帶動(dòng)銜鐵在線圈中移動(dòng)，線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)經(jīng)相敏檢波等電路處理后，反映被測(cè)壓力的數(shù)值。5.2差動(dòng)變壓器式傳感器2.差動(dòng)變壓器式加速度傳感器將懸臂梁底座及差動(dòng)變壓器的線圈、骨架固定，銜鐵的A端與被測(cè)振動(dòng)體相連，作為加速度測(cè)量中的慣性元件，其位移與被測(cè)加速度成正比。5.2.4差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用3.差動(dòng)變壓器式位移傳感器測(cè)頭通過軸套與測(cè)桿連接，活動(dòng)銜鐵固定在測(cè)桿上。線圈架上繞有初級(jí)線圈和次級(jí)線圈，線圈通過導(dǎo)線與信號(hào)調(diào)理電路連接。線圈外面的屏蔽筒用來防止外磁場(chǎng)的干擾。彈簧用來獲得恢復(fù)力，圓片彈簧為測(cè)桿導(dǎo)向，防塵罩防止灰塵侵入測(cè)桿。5.2.4差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用差動(dòng)變壓器位移傳感器產(chǎn)品：5.2.4差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用案例：板材的厚度測(cè)量5.2.4差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用

~案例：張力測(cè)量5.2.4差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用5.3電渦流式傳感器5.3.1工作原理:

渦流效應(yīng)第5章電感式傳感器線圈的等效阻抗：5.3.1電渦流效應(yīng)穿透深度：——穿透金屬板的能力x高頻反射式傳感器低頻透射式傳感器5.3.2信號(hào)調(diào)理電路1.電橋電路：把渦流線圈作為電橋的一個(gè)橋臂或差動(dòng)結(jié)構(gòu)2.諧振電路：把渦流線圈作為L(zhǎng)C調(diào)諧回路的一個(gè)調(diào)諧參數(shù)當(dāng)被測(cè)金屬導(dǎo)體接近傳感器線圈時(shí)，使電感量變小，回路失諧，檢波電壓變小。

當(dāng)被測(cè)物體接近傳感器線圈時(shí)，使電感量變小，從而使振蕩器的頻率改變。

5.3電渦流式傳感器5.3.3電渦流式傳感器的應(yīng)用1.電渦流式位移傳感器圖(a)為汽輪機(jī)主軸的軸向位移測(cè)量，圖(b)為先導(dǎo)閥的位移測(cè)量，圖(c)為金屬試件的熱膨脹系數(shù)測(cè)量。(a)(b)(c)

5.3電渦流式傳感器2.電渦流式振幅傳感器圖(a)為汽輪機(jī)和空氣壓縮機(jī)的主軸徑向振動(dòng)測(cè)量，圖(b)為發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的振幅測(cè)量，圖(c)為軸的振動(dòng)形狀測(cè)量。在軸振動(dòng)時(shí)，可以獲得軸在各傳感器探頭位置上的瞬時(shí)振幅，并畫出軸的振形圖。(a)(b)(c)

5.3.3電渦流式傳感器的應(yīng)用3.電渦流式厚度傳感器

由于在工作過程中金屬板上下波動(dòng)，影響測(cè)量精度，所以常采用比較法測(cè)量。金屬板厚度h=D-(x1+x2)，兩個(gè)傳感器探頭測(cè)得x1和x2，通過信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換成電壓后相加，相加所得的電壓值與傳感器探頭之間距離對(duì)應(yīng)的設(shè)定電壓值相減，就得到與金屬板厚對(duì)應(yīng)的電壓值。

5.3.3電渦流式傳感器的應(yīng)用4.電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器在旋轉(zhuǎn)體旁邊安裝一個(gè)傳感器探頭，當(dāng)旋轉(zhuǎn)體(金屬材料)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，傳感器探頭將輸出周期性變化的電壓，此電壓經(jīng)放大整形后用頻率計(jì)指示出頻率值。由此可得被測(cè)轉(zhuǎn)速為5.3.3電渦流式傳感器的應(yīng)用5.電渦流計(jì)數(shù)傳感器5.3.3電渦流式傳感器的應(yīng)用6.電渦流探傷傳感器產(chǎn)品：5.3.3電渦流式傳感器的應(yīng)用案例：連續(xù)油管的橢圓度測(cè)量CoiledTube盤繞油管EddySensor渦流傳感器

ReferenceCircle

參考圓5.3.3電渦流式傳感器的應(yīng)用案例：無損探傷原理裂紋檢測(cè)，缺陷造成渦流變化?；疖囕啓z測(cè)油管檢測(cè)5.3.3電渦流式傳感器的應(yīng)用5.4感應(yīng)同步器5.4.1結(jié)構(gòu)類型與工作原理第5章

電感式傳感器1.結(jié)構(gòu)：由定尺(定子)和滑尺(轉(zhuǎn)子)組成。2.工作原理感應(yīng)電勢(shì)隨滑尺相對(duì)定尺的移動(dòng)而周期性變化。通過測(cè)量感應(yīng)電勢(shì)實(shí)現(xiàn)位移的測(cè)量。

5.4.1結(jié)構(gòu)類型與工作原理5.4.2信號(hào)調(diào)理電路1.鑒幅型電路感應(yīng)電勢(shì)的幅值隨x的規(guī)律變化，當(dāng)x變化一個(gè)節(jié)距

W，感應(yīng)電勢(shì)的幅值變化一個(gè)周期。

5.4感應(yīng)同步器2.鑒相型電路感應(yīng)電勢(shì)的相位隨x的規(guī)律變化，當(dāng)x變化一個(gè)節(jié)距

W，感應(yīng)電勢(shì)的相位變化一個(gè)周期。

5.4.2信號(hào)調(diào)理電路5.4.3感應(yīng)同步器的應(yīng)用1.點(diǎn)位控制系統(tǒng)

控制刀具或工作臺(tái)從某一加工點(diǎn)到另一加工點(diǎn)之間的準(zhǔn)確定位，提高定位精度。5.4感應(yīng)同步器2.位置隨動(dòng)系統(tǒng)位置隨動(dòng)系統(tǒng)不僅要求在加工過程中實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)的準(zhǔn)確定位，而且要保證運(yùn)動(dòng)過程中逐點(diǎn)的定位精度，即對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡上的各點(diǎn)都要求精確地跟蹤指令。5.4.3感應(yīng)同步器的應(yīng)用5.5壓磁式傳感器(自感型)工作原理：壓磁效應(yīng)。外力作用時(shí)，沿受力方向磁導(dǎo)率下降，磁阻增大，部分磁場(chǎng)通過了測(cè)量線圈。第5章

電感式