《電感式傳感器》PPT課件

1、,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(dòng)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(cè) 非電量（如位移、壓力、流量、振動(dòng)） 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。,4.1自感式式傳感器（變磁阻）,結(jié)構(gòu):由線(xiàn)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 ; 傳感器運(yùn)動(dòng)部分與銜鐵相連，銜鐵移動(dòng)時(shí)發(fā) 生變化，引起磁路的磁阻Rm變化，使電芯線(xiàn)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,總磁阻,線(xiàn)圈匝數(shù),兩式聯(lián)立得:,圖4-1 變磁阻式傳感器,I 為線(xiàn)圈中所通交流電的有效值。,空氣導(dǎo)磁率,而

2、,其中,如果A保持不變，則L為的單值函數(shù)，構(gòu)成變氣隙式自感傳感器,若保持不變，使A隨被測(cè)量（如位移）變化，則構(gòu)成變截面式自感傳感器，,，A,L,L= f (A),L= f (),圖4-3 電感傳感器特性,銜鐵下移,二、變氣隙式自感傳感器的輸出特性,忽略高次項(xiàng)：,銜鐵上移,忽略高次項(xiàng)：,三、差動(dòng)式自感傳感器,在實(shí)際使用中，常采用兩個(gè)相同的傳感線(xiàn)圈共用一個(gè)銜鐵，構(gòu)成差動(dòng)式自感傳感器，兩個(gè)線(xiàn)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(xiàn)性、提高靈敏度外，對(duì)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。,圖4-4是變氣隙型、變面積型及螺管型三種類(lèi)型的差動(dòng)式自感

3、傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。當(dāng)銜鐵3移動(dòng)時(shí)，一個(gè)線(xiàn)圈的電感量增加，另一個(gè)線(xiàn)圈的電感量減少，形成差動(dòng)形式。,圖4-4 差動(dòng)式自感傳感器 1-線(xiàn)圈 2-鐵芯 3-銜鐵 4-導(dǎo)桿,（a） 變氣隙型,（b） 變面積型,（c） 螺管型,變氣隙型差動(dòng)式自感傳感器,銜鐵下移：,忽略高次項(xiàng)：,提高一倍,上式中不存在偶次項(xiàng)，顯然差動(dòng)式自感傳感器的非線(xiàn)性誤差在工作范圍內(nèi)要比單個(gè)自感傳感器的小得多。,差動(dòng)式與單線(xiàn)圈電感式傳感器相比，具有下列優(yōu)點(diǎn)： 線(xiàn)性好； 靈敏度提高一倍，即銜鐵位移相同時(shí)，輸出信號(hào)大一倍； 溫度變化、電源波動(dòng)、外界干擾等對(duì)傳感器精度的影響，由于能互相抵消而減??； 電磁吸力對(duì)測(cè)力變化的影響也由于能相互抵消而

4、減小。,四、自感式傳感器的等效電路,實(shí)際傳感器中，線(xiàn)圈不可能是純電感，它包括線(xiàn)圈的銅損電阻RC ；鐵芯的渦流損耗電阻Re ；由于線(xiàn)圈和測(cè)量設(shè)備電纜的接入，存在線(xiàn)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,五、 自感式傳感器的測(cè)量電路,1. 電阻平衡臂交流電橋,圖4-7 交流電橋,差動(dòng)的兩個(gè)傳感器線(xiàn)圈接成電橋的兩個(gè)工作臂（Z1、Z2為兩個(gè)差動(dòng)傳感器線(xiàn)圈的復(fù)阻抗），另兩個(gè)橋臂用平衡電阻R1、R2代替。,設(shè)初始時(shí) Z1= Z2= Z = RS+jL；R1 = R2 = R ； L1= L2= L0 。 工作時(shí) Z1=RS+jwL1;Z2=RS+jwL2,R1,R2,Z2,Z1

5、,對(duì)差動(dòng)變氣隙式自感傳感器：,可見(jiàn)，電橋輸出電壓與有關(guān)，相位與銜鐵移動(dòng)方向有關(guān)。由于是交流信號(hào)，還要經(jīng)過(guò)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。,4,3,2,1,-,1、2為兩線(xiàn)圈的電感特性，,3為兩線(xiàn)圈差接時(shí)的電感特性，,圖線(xiàn)4為差接后電橋輸出電壓與位移間的特性曲線(xiàn)。,說(shuō)明：電橋輸出電壓的大小與銜鐵的位移量有關(guān)，相位與銜鐵的移動(dòng)方向有關(guān)。,若設(shè)銜鐵向上移動(dòng)為負(fù)，則U0為負(fù)；銜鐵向下移動(dòng)為正，則U0為正，相位差180。,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(xiàn)圈阻抗,初始位置,銜鐵下移,銜鐵上移,若線(xiàn)圈的Q值很高，損耗電阻可忽略

6、，則,由上式可知，當(dāng)銜鐵向上、向下移動(dòng)相同的距離時(shí)，產(chǎn)生的輸出電壓大小相等，但極性相反。由于是交流信號(hào)，要判斷銜鐵位移的大小及方向同樣需要經(jīng)過(guò)相敏檢波電路的處理。,4.2 差動(dòng)變壓器式傳感器（互感式） 4.2.1 工作原理,把被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換成為 線(xiàn)圈互感量的變化的傳感器稱(chēng)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(jí)線(xiàn)圈繞組用 差動(dòng)形式連接。 差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)形式較多， 應(yīng)用最多的是螺線(xiàn)管式差動(dòng)變壓 器。它可測(cè)量1100mm范圍內(nèi)的 機(jī)械位移。,等效電路： 兩個(gè)次級(jí)線(xiàn)圈必須反相串聯(lián)接，保證差動(dòng)形式。 如果線(xiàn)圈完全對(duì)稱(chēng)并且銜鐵處于中間位置時(shí)兩線(xiàn)圈 互感系數(shù)相等 電動(dòng)勢(shì)相等

7、,差動(dòng)輸出電壓為零：,一、 工作原理,可見(jiàn): 輸出電壓大小和符號(hào)反映了 鐵心位移的大小和方向。,當(dāng)銜鐵上下移動(dòng)時(shí)，輸出電壓隨銜鐵位移變化。,若銜鐵上移,若銜鐵下移,二、基本特性,由此得到輸出電壓有效值為 ：,可見(jiàn)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(jí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)分別為,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(xiàn)圈 互感即銜鐵在線(xiàn)圈中移動(dòng)的 距離X。Uo與Ui的相位由銜 鐵的移動(dòng)方向決定。,差動(dòng)變壓器輸出電壓和位移的關(guān)系,差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)形式,三、 零點(diǎn)殘余電壓,由于兩個(gè)次級(jí)線(xiàn)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

8、很難保證完全相同。實(shí)際的特性曲線(xiàn)，在零點(diǎn)上總有一個(gè)最小的輸出電壓，這個(gè)鐵芯處于中間位置時(shí)最小不為零的電壓稱(chēng)為零點(diǎn)殘余電壓。,四、差動(dòng)變壓器式傳感器及測(cè)量電路,差動(dòng)變壓器輸出交流信號(hào)。為正確反映銜鐵位移 大小和方向，常采用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路。 （1）差動(dòng)整流電路 ，輸入一交流信號(hào)時(shí),（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(shí)等效電路；(c) us、u2為負(fù)半周時(shí)等效電路,上一頁(yè),返 回,下一頁(yè),相敏檢波電路波形,(a）被測(cè)位移變化波形圖； (b)差動(dòng)變壓器激勵(lì)電壓波形； (c) 差動(dòng)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

9、波形,上一頁(yè),返 回,下一頁(yè),4.3 電感式傳感器的應(yīng)用,一、位移測(cè)量,軸向式電感 測(cè)微器的外形,航空插頭,紅寶石測(cè)頭,其他電感測(cè)微頭,模擬式及數(shù)字式電感測(cè)微儀,軸向式電感測(cè)微器的內(nèi)部結(jié)構(gòu),1引線(xiàn)電纜 2固定磁筒 3銜鐵 4線(xiàn)圈 5測(cè)力彈簧 6防轉(zhuǎn)銷(xiāo) 7鋼球?qū)к墸ㄖ本€(xiàn)軸承） 8測(cè)桿 9密封套 10測(cè)端 11被測(cè)工件 12基準(zhǔn)面,二、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(cè)滾柱 5落料管 6電感測(cè)微器 7鎢鋼測(cè)頭 8限位擋板 9電磁翻板 10容器（料斗）,二、電感式滾柱直徑分選裝置,測(cè)微儀,圓柱滾子,電感式滾柱直徑分選裝置（外形）,滑道,分選倉(cāng)位,軸承

10、滾子外形,（參考中原量?jī)x股份有限公司資料）,電感式滾柱直徑分選裝置外形,落料振動(dòng)臺(tái),滑道,11個(gè)分選倉(cāng)位,（參考無(wú)錫市通達(dá)滾子有限公司資料）,廢料倉(cāng),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(cè)端（靠模輪） 3電感測(cè)微器 4銑刀龍門(mén)框架 5立柱 6伺服電動(dòng)機(jī) 7銑刀 8毛坯,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,仿形車(chē)床原理,四、電感式不圓度計(jì)原理,該圓度計(jì)采用旁向式電感測(cè)微頭,電感式不圓度測(cè)量系統(tǒng)外形（參考洛陽(yáng)匯智測(cè)控技術(shù)有限公司資料）,旋轉(zhuǎn)盤(pán),測(cè)量頭,五、壓力測(cè)量,1壓力輸入接頭 2波紋膜盒 3電纜 4印制線(xiàn)路板 5差動(dòng)線(xiàn)圈 6銜鐵 7電源變壓器 8罩殼 9指示

11、燈 10密封隔板 11安裝底座,壓力測(cè)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(shí)，膜片將彎向壓力低的一側(cè)，因此能夠?qū)毫ψ儞Q為直線(xiàn)位移。,七、一次儀表與 420mA二線(xiàn)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(hào)處理電路組合在一個(gè)殼體中，這在工業(yè)中被稱(chēng)為一次儀表。一次儀表的輸出信號(hào)可以是電壓，也可以是電流。由于電流信號(hào)不易受干擾，且便于遠(yuǎn)距離傳輸（可以不考慮線(xiàn)路壓降），所以在一次儀表中多采用電流輸出型。,420mA二線(xiàn)制輸出方式,新的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定電流輸出為420mA；電壓輸出為15V(舊國(guó)標(biāo)為010mA或02V

12、)。4mA對(duì)應(yīng)于零輸入，20mA對(duì)應(yīng)于滿(mǎn)度輸入。不讓信號(hào)占有04mA這一范圍的原因，一方面是有利于判斷線(xiàn)路故障（開(kāi)路）或儀表故障；另一方面，這類(lèi)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04mA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(xiàn)制儀表。,420mA二線(xiàn)制輸出方式,所謂二線(xiàn)制儀表是指儀表與外界的聯(lián)系只需兩根導(dǎo)線(xiàn)。多數(shù)情況下，其中一根（紅色）為+24V電源線(xiàn)，另一根（黑色）既作為電源負(fù)極引線(xiàn)，又作為信號(hào)傳輸線(xiàn)。在信號(hào)傳輸線(xiàn)的末端通過(guò)一只標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電阻（也稱(chēng)取樣電阻）接地（也就是電源負(fù)極），將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)。,420mA二線(xiàn)制儀表

13、接線(xiàn)方法,420mA,420mA二線(xiàn)制數(shù)顯表外形及計(jì)算,在上一張圖中，若取樣電阻RL =500.0，則對(duì)應(yīng)于420mA的輸出電流，輸出電壓Uo為210V。,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(xiàn)圈與金屬板的距離x 減小時(shí)，電渦流線(xiàn)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(guò)電渦流線(xiàn)圈的電流 i1 增大。,4.4 電渦流式傳感器,集膚效應(yīng),集膚效應(yīng)與激勵(lì)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(hào)源產(chǎn)生的高頻電壓施加到一個(gè)

14、靠近金屬導(dǎo)體附近的電感線(xiàn)圈L1時(shí)，將產(chǎn)生高頻磁場(chǎng)H1。如被測(cè)導(dǎo)體置于該交變磁場(chǎng)范圍之內(nèi)時(shí)，被測(cè)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(chēng)為集膚效應(yīng)（也稱(chēng)趨膚效應(yīng)）。,二、等效阻抗分析,檢測(cè)深度與激勵(lì)源頻率有何關(guān)系？,電渦流線(xiàn)圈受電渦流影響時(shí)的等效阻抗Z的函數(shù)表達(dá)式為： Z=R+jL=f（i1、f、r、x） （4-1）,如果控制上式中的i1、f、r不變，電渦流線(xiàn)圈的阻抗Z就成為哪個(gè)非電量的單值函數(shù)？屬于接觸式測(cè)量還是非接觸式測(cè)量？,等效阻抗與非電量的測(cè)量,檢測(cè)深度的控制：由于存在集膚效應(yīng)，電渦流只能檢測(cè)導(dǎo)體表面的各種物理參數(shù)。改變f，可控制檢測(cè)

15、深度。激勵(lì)源頻率一般設(shè)定在100kHz1MHz。頻率越低，檢測(cè)深度越深。,間距x的測(cè)量：如果控制上式中的i1、f、r不變，電渦流線(xiàn)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(cè)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(lái)檢測(cè)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(lái)檢測(cè)與材料磁導(dǎo)率有關(guān)的材料型號(hào)、表面硬度等參數(shù)。,電渦流的應(yīng)用 在我們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)?？梢杂龅?干凈、高效的 電磁爐,電磁爐內(nèi)部的勵(lì)磁線(xiàn)圈,電磁爐的工作原理,高頻電流通過(guò)勵(lì)磁線(xiàn)圈，產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，在鐵質(zhì)鍋底會(huì)產(chǎn)生無(wú)數(shù)的電渦流，使鍋底發(fā)熱，燒開(kāi)鍋 內(nèi) 食 物。,二、位移測(cè)量,電渦流位移傳感器是一種輸出

16、為模擬量的電子器件。當(dāng)金屬物體接近此感應(yīng)面時(shí)，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(xiàn)性地衰減，根據(jù)衰減量的變化或振蕩頻率的變化，可地計(jì)算出與被檢物體的距離、振動(dòng)等參數(shù)。這種位移傳感器屬于非接觸測(cè)量，工作時(shí)不受灰塵等因素的影響，可在各種惡劣條件下使用。,位移測(cè)量?jī)x,位移測(cè)量包含： 偏心、間隙、位置、傾斜、彎曲、變形、移動(dòng)、圓度、沖擊、偏心率、沖程、寬度等。 來(lái)自不同應(yīng)用領(lǐng)域的許多量都可歸結(jié)為位移或間隙變化。,數(shù)顯位移測(cè)量?jī)x及探頭,420mA電渦流位移傳感器外形（參考德國(guó)圖爾克公司資料）,偏心和振動(dòng)檢測(cè),測(cè)量彎曲、波動(dòng)、變形,對(duì)橋梁、絲桿等機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動(dòng)測(cè)量，須使用多個(gè)傳感器。,測(cè)量金屬薄膜、板材厚度電渦流測(cè)厚儀,測(cè)量冷軋板厚度,導(dǎo)向輥的材料可以用金屬制作嗎？,二、轉(zhuǎn)速測(cè)量,若轉(zhuǎn)軸上開(kāi)z 個(gè)槽(或齒)，頻率計(jì)的讀數(shù)為f（單位為Hz），則轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速n（單位為r/min）的計(jì)算公式為,齒輪轉(zhuǎn)速測(cè)量,例： 下圖中，設(shè)齒數(shù)z =48，測(cè)得頻率 f=120H