电感式传感器2课件

电感式传感器电感式传感器 2024/7/91电感器能够把电能转化为磁能而存储起来的元件。电感器具有一定的电感，它只阻碍电流的变化。电感式传感器工作基础：电磁感应即利用线圈电感或互感的改变来实现非电量测量2024/7/92自感：当线圈中有电流通过时候，线圈的周围就会产生磁场。当线圈中电流发生变化时，其周围的磁场也产生相应的变化，此变化的磁场可使线圈自身产生感应电动势（感生电动势）（电动势用以表示有源元件理想电源的端电压），这就是自感。用导线绕制而成,具有一定匝数,能产生一定自感量或互感量的电子元件,常称为电感线圈。互感：两个电感线圈相互靠近时，一个电感线圈的磁场变化将影响另一个电感线圈，这种影响就是互感。互感的大小取决于电感线圈的自感与两个电感线圈耦合的程度，利用此原理制成的元件叫做互感器。2024/7/93分为自感式、互感式、电涡流式特点：工作可靠、寿命长 灵敏度高，分辨力高 精度高、线性好 性能稳定、重复性好2024/7/942024/7/95 一自感式传感器一自感式传感器 自感系数常用L表示，简称自感或电感。线圈的自感与线圈的直径、长短、匝数等因素有关。线圈面积越大，线圈越长，单位长度匝数越密，它的自感就越大。有铁芯的线圈的自感比没有铁芯时大很多。自感的单位是亨利，简称亨，符号是H。常用的较小的单位有毫亨（mH）和微亨（H）。自感传感器的单位多为mH数量级。先看一个实验：先看一个实验：2024/7/96 将一只将一只380V交流接触器线圈与交流交流接触器线圈与交流毫安表串联后，接到机床用控制变压器毫安表串联后，接到机床用控制变压器的的36V交流电压源上。这时毫安表的示交流电压源上。这时毫安表的示值约为几十毫安。用手慢慢将接触器的值约为几十毫安。用手慢慢将接触器的活动铁心（称为衔铁）往下按，我们会活动铁心（称为衔铁）往下按，我们会发现毫安表的读数逐渐减小。当衔铁与发现毫安表的读数逐渐减小。当衔铁与固定铁心之间的气隙等于零时，毫安表固定铁心之间的气隙等于零时，毫安表的读数只剩下十几毫安。的读数只剩下十几毫安。电感传感器的基本工作电感传感器的基本工作原理演示原理演示F F2024/7/97220V准备工作准备工作电感传感器的基本工作电感传感器的基本工作原理演示原理演示气隙变小，电感变大，电流变小气隙变小，电感变大，电流变小2024/7/98F F电感传感器的基本工作电感传感器的基本工作原理原理 当铁心的气隙较大时，磁路的磁阻当铁心的气隙较大时，磁路的磁阻Rm也也较大，线圈的电感量较大，线圈的电感量L和感抗和感抗XL 较小，所以较小，所以电流电流I 较大。当铁心闭合时，磁阻变小、电较大。当铁心闭合时，磁阻变小、电感变大，电流减小。感变大，电流减小。2024/7/9Rm：磁路中的总磁阻；l：铁心的导磁长度；0,：分别为空气磁导率和铁心相对磁导率；A和和A0：分别为气隙截面积和铁心导磁截面积：气隙长度2024/7/910工作原理：电感量计算公式电感量计算公式：2024/7/911N：线线圈圈匝匝数数；A：气气隙隙的的有有效效截截面面积积；0：真空磁导率；：真空磁导率；：气隙厚度。气隙厚度。A2024/7/912变气隙式：若固定变气隙式：若固定A0，改变，改变灵敏度与气隙距离的平方成反比，愈小，灵敏度愈高。为了减少非线性误差，这种传感器适用于较小位移的测量，测量范围约在0.001-1mm左右。由于自由行程小，而且衔铁在运行方向上受铁心限制，制造装配困难。由于这些原因，近年来这种类型的传感器使用逐渐减少。2024/7/913变面积式：若固定变面积式：若固定，改变，改变A0这种类型的传感器的灵敏度比变气隙型的低，但其灵敏度为一常数，线性度好，量程范围大，自由行程可按需要安排，制造装配也较方便。2024/7/914螺管式：在一个螺管圈内插入一螺管式：在一个螺管圈内插入一个活动的柱型衔铁。个活动的柱型衔铁。当衔铁在线圈中运动时，磁阻发生变化，导致自感L的变化。灵敏度最低，线性度好，测量范围大。自感式电感传感器常见的形式自感式电感传感器常见的形式 变隙式变隙式 变截面式变截面式 螺线管式螺线管式 2024/7/915差动电感传感器的特点差动电感传感器的特点 在在变隙式差隙式差动电感感传感感器中，当器中，当衔铁随被随被测量移量移动而偏离中而偏离中间位置位置时，两个，两个线圈的圈的电感量一个增加，一个感量一个增加，一个减小，形成差减小，形成差动形式。形式。2024/7/916 请分析：灵敏度、请分析：灵敏度、线性度线性度有何变化有何变化曲线曲线1、2为为L1、L2 的特性，的特性，3为差动特性为差动特性1-1-差动线圈差动线圈 2-2-铁心铁心 3-3-衔铁衔铁 4-4-测杆测杆 5-5-工件工件 差动式电感传感器的特性差动式电感传感器的特性 从曲线图可以看出，差动式电感传感器从曲线图可以看出，差动式电感传感器的线性较好，且输出曲线较陡，的线性较好，且输出曲线较陡，灵敏度约灵敏度约为非差动式电感传感器的两倍。为非差动式电感传感器的两倍。2024/7/917 从结构图可以看出，差动式电感传感器从结构图可以看出，差动式电感传感器对外界影响，如温度的变化、电源频率的变对外界影响，如温度的变化、电源频率的变化等基本上可以互相抵消，衔铁承受的电磁化等基本上可以互相抵消，衔铁承受的电磁吸力也较小，从而减小了测量误差。吸力也较小，从而减小了测量误差。测量转换电路测量转换电路 测量转换电路的作用是将电感量的变化测量转换电路的作用是将电感量的变化转换成电压或电流的变化转换成电压或电流的变化交流电桥。交流电桥。2024/7/918交流电桥平衡的条件：相对两臂阻抗之模的乘积相等，相对两臂阻抗角的和相等。2024/7/9192024/7/920二二 互感型传感器（差动变压器式传感器）互感型传感器（差动变压器式传感器）把被测量的变化转换成把被测量的变化转换成互感系数互感系数的变化。的变化。电源中用到的电源中用到的“单相变压器单相变压器”有一个一次线圈有一个一次线圈（又称为初级线圈），有若干个二次线圈（又称次级（又称为初级线圈），有若干个二次线圈（又称次级线圈）。当一次线圈加上交流激磁电流线圈）。当一次线圈加上交流激磁电流i后，将在二次后，将在二次线圈中产生感应电动势线圈中产生感应电动势e e，其大小与电流，其大小与电流i i的变化率成的变化率成正比，即。正比，即。2024/7/921M为互感系数，反映了两线圈的耦合程度，与衔铁位置、线圈结构等因素有关。在实际应用中，基本上采用两个二次线圈组成差动形式，在实际应用中，基本上采用两个二次线圈组成差动形式，称为差动变压器。称为差动变压器。两个二次线圈反向串联，组成差动输出形式。两个二次线圈反向串联，组成差动输出形式。2024/7/922差动变压器式传感器的工作原理差动变压器式传感器的工作原理 差动变压器式传感器是把被测位移量转换差动变压器式传感器是把被测位移量转换为一次线圈与二次线圈间的互感量为一次线圈与二次线圈间的互感量M的变化的的变化的装置。当一次线圈接入激励电源之后，二次线装置。当一次线圈接入激励电源之后，二次线圈就将产生感应电动势，当两者间的互感量变圈就将产生感应电动势，当两者间的互感量变化时，感应电动势也相应变化。由于两个二次化时，感应电动势也相应变化。由于两个二次线圈采用差动接法，故称为差动变压器。目前线圈采用差动接法，故称为差动变压器。目前应用最广泛的结构型式是螺线管式差动变压器。应用最广泛的结构型式是螺线管式差动变压器。2024/7/923灵敏度与线性度灵敏度与线性度 差动变压器的灵敏度一般可达差动变压器的灵敏度一般可达0.55V/mm，行程越小，灵敏度越高。，行程越小，灵敏度越高。为了提高灵敏度，励磁电压在为了提高灵敏度，励磁电压在10V左左右为宜。电源频率以右为宜。电源频率以110kHz为好。为好。差动变压器线性范围约为线圈骨架差动变压器线性范围约为线圈骨架长度的长度的1/10左右。左右。2024/7/924三三 电感式传感器的应用电感式传感器的应用 位移测量位移测量 2024/7/925轴向式电感轴向式电感 测微器的外形测微器的外形 航空插头航空插头红宝石测头红宝石测头电感式不圆度计电感式不圆度计 该圆度计采用该圆度计采用旁向式电感测微头旁向式电感测微头2024/7/926电感式不圆度测试系统电感式不圆度测试系统旁向式电感测微头旁向式电感测微头2024/7/927 四四 电涡流传感器（非接触式测量）电涡流传感器（非接触式测量）2024/7/928 将金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产将金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应电流，这种电流的流线在导体内自行闭合，生感应电流，这种电流的流线在导体内自行闭合，像水中的漩涡一样，称为电涡流或涡流。像水中的漩涡一样，称为电涡流或涡流。电涡流式传感器在金属体中产生的涡流，其电涡流式传感器在金属体中产生的涡流，其渗透深度与传感器线圈的励磁电流的频率有关。渗透深度与传感器线圈的励磁电流的频率有关。根据电涡流在导体的贯穿情况，通常把电涡流传根据电涡流在导体的贯穿情况，通常把电涡流传感器按励磁频率的高低分为高频反射式和低频透感器按励磁频率的高低分为高频反射式和低频透射式两大类。射式两大类。四四 电涡流传感器（非接触式测量）电涡流传感器（非接触式测量）电涡流效应演示电涡流效应演示 2024/7/929 四四 电涡流传感器（非接触式测量）电涡流传感器（非接触式测量）2024/7/930将一个线圈置于金属板附近，距离为将一个线圈置于金属板附近，距离为，当线圈中通以交变，当线圈中通以交变电流电流i时，便在线圈周围产生交变磁通时，便在线圈周围产生交变磁通。此交变磁通通过。此交变磁通通过金属板时，金属板上便产生电涡流金属板时，金属板上便产生电涡流i1。该电涡流也将产生交。该电涡流也将产生交变磁通变磁通1，根据楞次定律，电涡流的交变磁场与线圈的磁，根据楞次定律，电涡流的交变磁场与线圈的磁场变化相反，场变化相反，1总是抵抗总是抵抗的变化。由于电涡流磁场的作的变化。由于电涡流磁场的作用，使原线圈的等效阻抗用，使原线圈的等效阻抗Z发生变化。发生变化。线圈阻抗发生变化的因素与金属体的电阻率、磁导率、金属线圈阻抗发生变化的因素与金属体的电阻率、磁导率、金属板的厚度以及产生交变磁场的线圈与金属导体的距离、线圈板的厚度以及产生交变磁场的线圈与金属导体的距离、线圈的励磁电流频率等参数有关。若固定某些参数恒定不变，而的励磁电流频率等参数有关。若固定某些参数恒定不变，而只改变其中的一个参数，这样阻抗就能成为这个参数的单值只改变其中的一个参数，这样阻抗就能成为这个参数的单值函数，如只变化距离，可做位移、振动的测量；如变化电阻函数，如只变化距离，可做位移、振动的测量；如变化电阻率和磁导率，可做材质鉴别或探伤。率和磁导率，可做材质鉴别或探伤。2024/7/931影响线圈阻抗变化的因素影响线圈阻抗变化的因素：线圈与金属板的距离（固定其他参数，可做位移振动测量）金属板的电阻率磁导率线圈激励角频率材质鉴别和探伤2024/7/9322024/7/9332024/7/934电涡流传感器结构及特性电涡流传感器结构及特性 电涡流探头电涡流探头外形外形2024/7/935交变磁场交变磁场电涡流探头电涡流探头内部结构内部结构 1电涡流线圈电涡流线圈 2探头壳体探头壳体 3壳体上的位置调节螺纹壳体上的位置调节螺纹 4印制线路板印制线路板 5夹持螺母夹持螺母 6电源指示灯电源指示灯 7阈值指示灯阈值指示灯 8输出屏蔽电缆线输出屏蔽电缆线 9电缆插头电缆插头 2024/7/936电涡流传感器的应用电涡流传感器的应用 位移测量位移测量 2024/7/937 电涡流位移传感器是一种输出为模拟电压的电子电涡流位移传感器是一种输出为模拟电压的电子器件。接通电源后，在电涡流探头的有效面（感应工器件。接通电源后，在电涡流探头的有效面（感应工作面）将产生一个交变磁场。作面）将产生一个交变磁场。当金属物体接近此感当金属物体接近此感应面时，金属表面将吸取电涡流探头中的高频振荡能应面时，金属表面将吸取电涡流探头中的高频振荡能量，使振荡器的输出幅度线性地衰减，根据衰减量的量，使振荡器的输出幅度线性地衰减，根据衰减量的变化，可地计算出与被检物体的距离、振动等参数。变化，可地计算出与被检物体的距离、振动等参数。这种位移传感器属于非接触测量，工作时不受灰尘等这种位移传感器属于非接触测量，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，寿命较长，可在各种恶劣条件下非金属因素的影响，寿命较长，可在各种恶劣条件下使用。使用。电涡流传感器应用电涡流传感器应用2024/7/938（a a）检测汽轮机主轴的轴向位移量）检测汽轮机主轴的轴向位移量（b b）间接检测金属试件的轴向膨胀量）间接检测金属试件的轴向膨胀量位移测量仪位移测量仪 位移测量包含：位移测量包含：偏心、间偏心、间隙、位置、倾斜、弯隙、位置、倾斜、弯曲、变形、移动、圆曲、变形、移动、圆度、冲击、偏心率、度、冲击、偏心率、冲程、宽度等等。来冲程、宽度等等。来自不同应用领域的许自不同应用领域的许多量都可归结为位移多量都可归结为位移或间隙变化。或间隙变化。2024/7/939数显数显位移测量仪及探头位移测量仪及探头2024/7/940振动测量振动测量偏心和振动检测偏心和振动检测2024/7/941测量弯曲、波动、变形测量弯曲、波动、变形 对桥梁、丝杆等机械结构的振动对桥梁、丝杆等机械结构的振动测量，须使用多个传感器。测量，须使用多个传感器。2024/7/942电涡流表面探伤电涡流表面探伤 2024/7/9432024/7/944转速计转速计 2024/7/945 在一个旋转体上开一条或数条槽，或者加工成齿轮状，旁边在一个旋转体上开一条或数条槽，或者加工成齿轮状，旁边安装一个电涡流传感器，当旋转体转动时，传感器将周期安装一个电涡流传感器，当旋转体转动时，传感器将周期性地改变输出信号，此电压信号经过放大整形后，可用频性地改变输出信号，此电压信号经过放大整形后，可用频率计指示出频率值率计指示出频率值 一次仪表与一次仪表与 420mA二线制输出方式二线制输出方式 在在工工业业应应用用中中，测测量量点点一一般般在在现现场场，而而显显示示设设备备或或者者控控制制设设备备一一般般都都在在控控制制室室或或控控制制柜柜上上。两两者者之之间间距距离离可可能能数数十十至至数数百米。百米。工工业业上上普普遍遍需需要要测测量量各各类类非非电电物物理理量量，例例如如温温度度、压压力力、速速度度、角角度度等等;另另外外电电物物理理量量(简简称称电电量量),例例如如电电流流、电电压压、功功率率、频频率率等等,都都需需要要转转换换成成标标准准模模拟拟量量电电信信号号才才能能传传输输到到几几百百米米外外的的控控制制室室或或显显示示设设备备上上。这这种种将将物物理理量量转转换换成成电电信信号号的的设设备备称称为为变变送送器器。工工业业上上最最广广泛泛采采用用的的标标准准模模拟拟量量电电信信号号是是用用420mA直流电流来传输模拟量。直流电流来传输模拟量。2024/7/946 一次仪表与一次仪表与 420mA二线制输出方式二线制输出方式 压力力变送送器器已已经将将传感感器器与与信信号号处理理电路路组合合在在一一个个壳壳体体中中，这在在工工业中中被被称称为一一次次仪表表。一一次次仪表表的的输出出信信号号可可以以是是电压，也也可可以以是是电流流。由由于于电流流信信号号不不易易受受干干扰，且且便便于于远距距离离传输（可可以以不不考考虑线路路压降降），所以在一次所以在一次仪表中多采用表中多采用电流流输出型。出型。2024/7/9472024/7/948某一某一压力变送器的测量电路压力变送器的测量电路 420mA二线制输出方式二线制输出方式 新新的的国国家家标标准准规规定定电电流流输输出出为为420mA420mA；电电压压输输出出为为15V15V(旧旧国国标标为为010mA010mA或或02V)02V)。4mA4mA对对应应于于零零输输入入，20mA20mA对对应应于于满满度度输输入入。不不让让信信号号占占有有04mA04mA这这一一范范围围的的原原因因，一一方方面面是是有有利利于于判判断断线线路路故故障障（开开路路）或或仪仪表表故故障障；另另一一方方面面，这类一一次次仪表表内内部部均均采采用用微微电流流集集成成电路路，总的的耗耗电还不不到到4mA4mA，因因此此还还能能利利用用04mA04mA这这一一部部分分“本本底底”电电流流为为一一次次仪仪表表的的内内部部电电路路提提供供工工作作电电流流，使使一一次次仪仪表表成成为为两两线线制制仪仪表表。上上限限取取20mA是是因因为为防防爆爆的的要要求求：20mA的的电电流流通通断断引引起起的的火火花花能能量不足以引燃瓦斯。量不足以引燃瓦斯。2024/7/949420mA二线制输出方式二线制输出方式 电流输出型变送器将物理量转换成电流输出型变送器将物理量转换成420mA电电流输出，必然要有外电源为其供电。流输出，必然要有外电源为其供电。所谓二所谓二线制仪表是指仪表与外界的联系只需两根导线制仪表是指仪表与外界的联系只需两根导线。线。多数情况下，多数情况下，其中一根（红色）为其中一根（红色）为+24V+24V电源线，另一根（黑色）既作为电源负极引电源线，另一根（黑色）既作为电源负极引线，又作为信号传输线。在信号传输线的末线，又作为信号传输线。在信号传输线的末端通过一只标准负载电阻（也称取样电阻）端通过一只标准负载电阻（也称取样电阻）接地（也就是电源负极），将电流信号转变接地（也就是电源负极），将电流信号转变成电压信号。成电压信号。2024/7/950420mA二线制仪表接线方法二线制仪表接线方法2024/7/951420mA2024/7/952有一台两线制压力变送器，量程范围为有一台两线制压力变送器，量程范围为01MPa，对，对应的输出电流为应的输出电流为420mA。请将下图中的各元器件。请将下图中的各元器件及仪表正确地连接起来。及仪表正确地连接起来。2024/7/953例：有一台两线制压力变送器，量程范围为 01MPa，对应的输出电流为 420mA。求：1）压力 p 与输出电流 I 的关系表达式（输入/输出方程）。2）画出压力与输出电流间的输入/输出特性曲线。3）当 p 为 0MPa、1MPa 和 0.5MPa 时变送器的输出电流。4）如果希望在信号传输终端将电流信号转换为 15V 电 压，求负载电阻 R L 的阻值。5）如果测得变送器的输出电流为 5mA，求此时的压力 p。420mA二线制数显表外形及计算二线制数显表外形及计算2024/7/954 在上一张图中，若取样电阻在上一张图中，若取样电阻RL=500.0，则对应于则对应于420mA的输出电流，输出电压的输出电流，输出电压Uo为为210V。