螺线管式电感传感器课件

1本本章章介介绍绍电电感感传传感感器器的的类类型型、基基本本原原理理、特特性性和应用。和应用。电电感感传传感感器器可可以以用用于于测测量量微微小小的的位位移移以以及及与与位位移有关的工件尺寸、压力等参数。移有关的工件尺寸、压力等参数。电电感感传传感感器器种种类类很很多多，人人们们习习惯惯上上讲讲的的电电感感传传感感器器通通常常是是指指自自感感传传感感器器。而而互互感感量量传传感感器器是是利利用用了了变变压压器器原原理理，又又往往往往做做成成差差动动式式，故故常常称称为为差差动动变压器。变压器。电感传感器属于接触式测量，需要电感传感器属于接触式测量，需要较大的驱动力。它的最大特点是分辨较大的驱动力。它的最大特点是分辨力高，可达力高，可达0.1m。第三章第三章 电感传感器电感传感器1本章介绍电感传感器的类型、基本原理、特性和应用。第三章 第一节第一节 自感传感器自感传感器 电感传感器种类很多，可分为自感式和互感电感传感器种类很多，可分为自感式和互感量式两大类。人们习惯上讲量式两大类。人们习惯上讲电感传感器电感传感器通常通常是是指自感传感器指自感传感器。第一节 自感传感器 电感传感器种类很多，可分为自感式和互感3为为了了观观察察铁铁心心气气隙隙与与电电感感的的关关系系，我我们们先先来来做做一一个个实实验验。将将一一只只380V交交流流接接触触器器线线圈圈与与交交流流毫毫安安表表串串联联后后，接接到到机机床床用用控控制制变变压压器器的的36V交交流流电电压压源源上上，如如图图3-1所所示示。这这时时毫毫安安表表的的示示值值约约为为几几十十毫毫安安。用用手手慢慢慢慢将将接接触触器器的的活活动动铁铁心心（称称为为衔衔铁铁）往往下下按按，将将会会发发现现毫毫安安表表的的读读数数逐逐渐渐减减小小。当当衔衔铁铁与与固固定定铁铁心心之之间间的的气气隙隙等等于于零零时时，毫毫安安表表的读数只剩下十几毫安。的读数只剩下十几毫安。小小 实实 验验3为了观察铁心气隙与电感的关系，我们先来做一个实验。将一只3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 F220V准备工作准备工作电感传感器的基本工作原理演示F220V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F F电感传感器的基本工作原理演示气隙变小，电感变大，电流变小F6 由电工知识可知，当铁心的气隙较大时，由电工知识可知，当铁心的气隙较大时，磁路的磁阻磁路的磁阻R Rm m较大，线圈的电感量较大，线圈的电感量L L和感抗和感抗X XL L就较小，所以电流就较小，所以电流I I较大。较大。当铁心闭合时，磁阻变小、电感变大，当铁心闭合时，磁阻变小、电感变大，电流减小。我们可以利用上述实验中自感量电流减小。我们可以利用上述实验中自感量随气隙而改变的原理来制作测量位移的自感随气隙而改变的原理来制作测量位移的自感传感器传感器。回顾与总结回顾与总结6 由电工知识可知，当铁心的气隙较大时，磁路的磁阻Rm较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 1线圈 2铁心 3衔铁 4测杆 5导轨 6工件 7转转轴自感式电感传感器常见的形式 变隙式 变截面式电电感感传传感感器器的的衔衔铁铁较较重重，响响应应较较慢慢，不不宜宜用用于于快快速速动动态态测量测量。小小 贴贴 士士单线圈螺线管式电感传感器的结构如图单线圈螺线管式电感传感器的结构如图3-2c所示。所示。主要元件是一只螺线管和一根柱形衔铁。传感器工主要元件是一只螺线管和一根柱形衔铁。传感器工作时，衔铁在线圈中伸入长度的变化将引起螺线管作时，衔铁在线圈中伸入长度的变化将引起螺线管电感量的变化。电感量电感量的变化。电感量L在几毫米的范围内与衔铁在几毫米的范围内与衔铁插入深度插入深度l1大致成正比。测量范围越大，分辨力越大致成正比。测量范围越大，分辨力越低。低。最常用的电感传感器最常用的电感传感器螺线管式电感传感器螺线管式电感传感器电感传感器的衔铁较重，响应较慢，不宜用于快速动态测量。小 贴9 在在模模拟拟电电子子学学中中，采采用用两两个个参参数数完完全全相相同同的的三三极极管管组组成成差差动动放放大大电电路路，可可以以克克服服温温漂漂以以及及电电源源不不稳稳定等外界因数引起的输出电压漂移。定等外界因数引起的输出电压漂移。回顾一下回顾一下上述上述3 3种电感传感器使用时，由于线圈中通有交种电感传感器使用时，由于线圈中通有交流励磁电流，因而衔铁始终承受电磁吸力，会引起流励磁电流，因而衔铁始终承受电磁吸力，会引起振动。温度升高时，线圈的尺寸增大，电感量随之振动。温度升高时，线圈的尺寸增大，电感量随之增大，将引起测量误差。增大，将引起测量误差。在实际使用中常采用差动形式，两个完全相同的在实际使用中常采用差动形式，两个完全相同的线圈共用一根活动衔铁，构成差动式电感传感器，线圈共用一根活动衔铁，构成差动式电感传感器，既可以提高传感器的灵敏度，又可以减小测量误差。既可以提高传感器的灵敏度，又可以减小测量误差。差动式电感传感器的结构如图差动式电感传感器的结构如图3-33-3所示。所示。9 在模拟电子学中，采用两个参数完全相同的三极管组成差 当衔铁偏离中间位当衔铁偏离中间位置时，两个线圈的电感置时，两个线圈的电感量一个量一个增加增加，一个减小一个减小，形成形成差动形式差动形式。差动电感传感器的特点差动电感传感器的特点 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 差动式电感传感器差动式电感传感器对外界影响，如对外界影响，如温度的温度的变化、电源频率的变化变化、电源频率的变化等基本上可以互相抵消，等基本上可以互相抵消，衔铁承受的衔铁承受的电磁吸力也电磁吸力也较小较小，从而减小了测量，从而减小了测量误差。误差。当衔铁偏离中间位置时，两个线圈的电感量一个增加，差动电感传感器的特性差动电感传感器的特性 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 请分析：请分析：从曲线图可以看出，从曲线图可以看出，与与非差动非差动电感传感器相电感传感器相比较，差动式电感传感比较，差动式电感传感器的器的灵敏度灵敏度、线性度线性度有有何变化？何变化？差动电感传感器的特性 曲线1、2为L1、L2 的特性，3为差12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，以便用仪表指示转换成电压或电流的变化，以便用仪表指示出来。出来。但若仅但若仅采用电桥电路和普通的检波电采用电桥电路和普通的检波电路，则只能判别位移的大小，却无法判别输路，则只能判别位移的大小，却无法判别输出的出的相位和位移的方向相位和位移的方向。如如果果在在输输出出电电压压送送到到指指示示仪仪前前，经经过过一一个个能能判判别别相相位位的的检检波波电电路路，则则不不但但可可以以反反映映幅幅值值（位位移移的的大大小小），还还可可以以反反映映输输出出电电压压的的相相位位（位位移移的的方方向向）。这这种种检检波波电电路路称称为为相相敏敏检检波波电路电路。12测量转换电路 测量转换电路的作用是将电感量的变普通的全波整流电路及波形电路普通的全波整流电路及波形电路只能得到单一方向的直流电，不能反映输只能得到单一方向的直流电，不能反映输入信号的相位。入信号的相位。普通的全波整流电路及波形电路只能得到单一方向的直流电，不能反相敏检波相敏检波输出特性曲线输出特性曲线a）非相敏检波）非相敏检波 b）相敏检波）相敏检波1理想特性曲线理想特性曲线 2实际特性曲线实际特性曲线 相敏检波输出特性曲线a）非相敏检波 b）相敏检波实测得到的实测得到的 相敏检波电路相敏检波电路的特性曲线的特性曲线 通过调零通过调零电路，可使输电路，可使输出曲线平移到出曲线平移到原点。原点。标定位移时的实验数据及曲线标定位移时的实验数据及曲线实测得到的 相敏检波电路的特性曲线 通过调零第二节第二节 差动变压器传感器差动变压器传感器 复习电工知识：复习电工知识：全波全波整流电路整流电路中用到的中用到的“单相变压器单相变压器”有有一个一次线圈一个一次线圈，有，有两个二次线圈两个二次线圈。当一次线圈加上交流激磁电压当一次线圈加上交流激磁电压U Ui i后，后，将在二次线圈中产生感应电压将在二次线圈中产生感应电压U UO O。在全波整流。在全波整流电路中，电路中，两个二次线圈串联两个二次线圈串联，总电压等于，总电压等于两个两个二次线圈的电压之和二次线圈的电压之和。第二节 差动变压器传感器 复习电工知识：普通的全波整流电路及波形电路普通的全波整流电路及波形电路只能得到单一方向的直流电，不能反映输只能得到单一方向的直流电，不能反映输入信号的相位。入信号的相位。普通的全波整流电路及波形电路只能得到单一方向的直流电，不能反 请将请将单相变压器的单相变压器的二次线圈二次线圈N21、N22的有关端点按的有关端点按全波整流电路全波整流电路的要求的要求正确地正确地连接起来。连接起来。请将单相变压器的二次线圈N21、N22的有关 请将请将单相变压器的单相变压器的二次线圈二次线圈N21、N22的有关端点按的有关端点按全波整流电路全波整流电路的要求的要求正确地正确地连接起来。连接起来。Uo10V10V=20V 请将单相变压器的二次线圈N21、N22的有关差动变压器的工作原理差动变压器的工作原理 差动变压器是把差动变压器是把被测位移量被测位移量转换为一次线转换为一次线圈与二次线圈间的圈与二次线圈间的互感量互感量M的变化的变化的装置。由的装置。由于两个二次线圈采用差动接法，故称为差动变于两个二次线圈采用差动接法，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压器。目前应用最广泛的结构型式是螺线管式差动变压器。差动变压器。在在差差动动变变压压器器的的线线框框上上绕绕有有一一组组输输入入线线圈圈（称称一一次次线线圈圈）；在在同同一一线线框框的的上上端端和和下下端端再再绕绕制制两两组组完完全全对对称称的的线线圈圈（称称二二次次线线圈圈），它它们们反反向向串串联联，组组成成差差动动输输出出形形式式。图图中中标标有有黑黑点点的的一一端端称称为为同同名名端端，通通俗俗的的说说法法是是指指线线圈圈的的“头头”。差动变压器的工作原理 差动变压器是把被差动变压器式传感器的等效电路及接线差动变压器式传感器的等效电路及接线 结构特点：结构特点：两个二次线圈两个二次线圈反向串联，组成反向串联，组成差动输出形式。差动输出形式。请将二次请将二次线圈线圈N21、N22的的有关端点正确地有关端点正确地连接起来，并指连接起来，并指出哪两个为输出出哪两个为输出端点。端点。uo=u21-u22差动变压器式传感器的等效电路及接线 结构特点：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左右左右为宜。为宜。电源频率以电源频率以110kHz为好。为好。差动变压器线性范围约为线圈骨架长度的差动变压器线性范围约为线圈骨架长度的1/10左右左右。例：欲测量例：欲测量120mm 2mm轴的直径误差，应选择轴的直径误差，应选择线圈骨架长度为多少的差动变压器（或电感传感线圈骨架长度为多少的差动变压器（或电感传感器）为宜器）为宜？答：线圈骨架长度约为被测变化量的答：线圈骨架长度约为被测变化量的1010倍左右，选倍左右，选2mm2=40mm2mm2=40mm。灵敏度与线性度 差动变压器的灵敏度一般测量电路测量电路（以（以差动整差动整流流为例）为例）1、2虚焊，虚焊，Ua o、Ub o将变成什么波形？将变成什么波形？图中的图中的R P起什起什么作用？么作用？测量电路（以差动整流为例）1、2虚焊，Ua o、Ub测量电路测量电路（以（以差动整差动整流流为例）为例）1、2虚焊，虚焊，Ua o、Ub o将变成什么波形？将变成什么波形？图中的图中的R P起什起什么作用？么作用？测量电路（以差动整流为例）1、2虚焊，Ua o、Ub第三节第三节 电感式传感器的应用电感式传感器的应用 一、位移测量位移测量 轴向式轴向式电感测微电感测微器的外形器的外形 航空插头航空插头红宝石测头红宝石测头第三节 电感式传感器的应用 一、位移测量 轴向式电其他电感测微头其他电感测微头其他电感测微头模拟式及数字模拟式及数字式电感测微仪式电感测微仪模拟式及数字式电感测微仪轴向式电感测微器的内部结构轴向式电感测微器的内部结构 1 1引线电缆引线电缆 2 2固定磁筒固定磁筒 3 3衔铁衔铁 4 4线圈线圈 5 5测力弹簧测力弹簧 6 6防转销防转销 7 7钢球导轨（直线轴承）钢球导轨（直线轴承）8 8测杆测杆 9 9密封套密封套 1010测端测端 1111被测工件被测工件 1212基准面基准面 轴向式电感测微器的内部结构 1引线电缆 2固定磁筒电感式滚柱直径分选装置电感式滚柱直径分选装置 滚柱直径分选装置图滚柱直径分选装置图 1 1气缸气缸 2 2活塞活塞 3 3推杆推杆 4 4被测滚柱被测滚柱 5 5落料管落料管 6 6电感测微器电感测微器 7 7钨钢测头钨钢测头 8 8限位挡板限位挡板 9 9电磁翻板电磁翻板 1010容器（料斗）容器（料斗）电感式滚柱直径分选装置 滚柱直径分选装置图电感式滚柱直径分选装置电感式滚柱直径分选装置 测微仪测微仪圆柱滚子圆柱滚子电感式滚柱直径分选装置 测微仪圆柱滚子电感式滚柱直径分选装置电感式滚柱直径分选装置（外形）（外形）滑道滑道分选分选仓位仓位轴承滚子外形轴承滚子外形（参考中原量仪股份有限公司资料）（参考中原量仪股份有限公司资料）电感式滚柱直径分选装置（外形）滑道分选仓位轴承滚子外形（参电感式滚柱直径电感式滚柱直径分选装置分选装置外形外形落料振动台落料振动台滑道滑道11个分选仓位个分选仓位（参考无锡市通达滚（参考无锡市通达滚子有限公司资料）子有限公司资料）废料仓废料仓电感式滚柱直径分选装置外形落料振动台滑道11个分选仓位（参考电感式滚柱直径分选装置（电感式滚柱直径分选装置（机械结构放大）机械结构放大）汽缸汽缸控制键盘控制键盘直径测微装置直径测微装置长度测微装置长度测微装置滑道滑道电感式滚柱直径分选装置（机械结构放大）汽缸控制键盘直径测微装机械及气动元件机械及气动元件电感测微器电感测微器汽缸汽缸 气水分离器气水分离器（供气三联件）（供气三联件）储气罐储气罐导气管导气管 气压表气压表（0.4MPa左右）左右）机械及气动元件电感测微器汽缸 气水分离器储气罐导气管 电感式滚柱直径分选界面电感式滚柱直径分选界面 分选分选结果基本结果基本符合符合 正态分布正态分布电感式滚柱直径分选界面 分选结果基本符差动变压器式厚度测量原理差动变压器式厚度测量原理 差动变压器式厚度测量原理 电感式不圆度计原理电感式不圆度计原理 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电感式不圆度计原理 该圆度计采用旁向式电感测微头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电感式不圆度测试系统旁向式电感测微头电感式不圆度测量系统外形电感式不圆度测量系统外形（参考（参考洛阳汇智测控技术有限公司资料）洛阳汇智测控技术有限公司资料）旋转盘旋转盘测量头测量头电感式不圆度测量系统外形（参考洛阳汇智测控技术有限公司资料不圆度测量打印不圆度测量打印不圆度测量打印电感式轮廓仪电感式轮廓仪 旁向式旁向式电感电感 测微头测微头电感式轮廓仪 旁向式电感 测微头压力测量压力测量 1压力输入接头压力输入接头 2波纹膜盒波纹膜盒 3电缆电缆 4印制线路板印制线路板 5差动线圈差动线圈 6衔铁衔铁 7电源变压器电源变压器 8罩壳罩壳 9指示灯指示灯 10密封隔板密封隔板 11安装底座安装底座压力测量 1压力输入接头压力测量压力测量 1压力输入接头压力输入接头 2波纹膜盒波纹膜盒 3电缆电缆 4印制线路板印制线路板 5差动线圈差动线圈 6衔铁衔铁 7电源变压器电源变压器 8罩壳罩壳 9指示灯指示灯 10密封隔板密封隔板 11安装底座安装底座压力测量 1压力输入接头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 压压力力变变送送器器已已经经将将传传感感器器与与信信号号处处理理电电路路组组合合在在一一个个壳壳体体中中，这这在在工工业业中中被被称称为为一一次仪表次仪表。一一次次仪仪表表的的输输出出信信号号可可以以是是电电压压，也也可可以以是是电电流流。由由于于电电流流信信号号不不易易受受干干扰扰，且且便便于于远远距距离离传传输输（可可以以不不考考虑虑线线路路压压降降），所所以在一次仪表中多采用以在一次仪表中多采用电流输出型电流输出型。一次仪表与 420mA二线制输出方式 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4 420mA20mA；电电压压输输出出为为1 15V5V(旧旧国国标标为为0 010mA10mA或或02V)02V)。4mA4mA对对应应于于零零输入，输入，20mA20mA对应于满度输入。对应于满度输入。不不让让信信号号占占有有0 04mA4mA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，这这类类一一次次仪仪表表内内部部均均采采用用微微电电流流集集成成电电路路，总总的的耗耗电电还还不不到到4mA4mA，因因此此还还能能利利用用0 04mA4mA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，使使一一次次仪表成为两线制仪表。仪表成为两线制仪表。420mA二线制输出方式 新的国家标准规定电流输420mA二线制输出方式二线制输出方式 所谓二线制仪表是指仪表与外界的联系所谓二线制仪表是指仪表与外界的联系只需只需两根导线两根导线。多数情况下，多数情况下，其中一根其中一根（红（红色）为色）为+24V+24V电源线电源线，另一根，另一根（黑色）既作为（黑色）既作为电源负极引线，又作为信号传输线电源负极引线，又作为信号传输线。在信号。在信号传输线的末端通过一只传输线的末端通过一只标准负载电阻（也称标准负载电阻（也称取样电阻）接地取样电阻）接地（也就是电源负极），将（也就是电源负极），将电电流信号转变成电压信号流信号转变成电压信号。420mA二线制输出方式 所谓二线制420mA二线制仪表接线方法二线制仪表接线方法（420mA）420mA二线制仪表接线方法（420mA）420mA二线制数显表外形及计算二线制数显表外形及计算 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为为多少？多少？420mA二线制数显表外形及计算 在上一张图中，若取什么是什么是“一次仪表一次仪表”将传感器与信号处理电路组合在一个壳体中，将传感器与信号处理电路组合在一个壳体中，并安装在检测现场，在工业中经常被称为一并安装在检测现场，在工业中经常被称为一次仪表。次仪表。一次仪表的输出：一次仪表的输出：输出信号可以是电压，也可以是电流。由于输出信号可以是电压，也可以是电流。由于电流信号不易受干扰，且便于远距离传输电流信号不易受干扰，且便于远距离传输（可以不考虑线路压降），所以在一次仪表（可以不考虑线路压降），所以在一次仪表中多采用电流输出型。中多采用电流输出型。旧标准：旧标准：0 010mA10mA或或0 02V2V。新的标准规定电流输出为新的标准规定电流输出为4 420mA20mA；电压输；电压输出为出为1 15V5V。4mA4mA对应于零输入，对应于零输入，20mA20mA对应于满度输入。对应于满度输入。什么是“一次仪表”将传感器与信号处理电路组合在一个壳体中，并如何将电流信号转变成电压信号如何将电流信号转变成电压信号在信号传输线的末端通过一只标准负载电阻（也称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）接地（也就是电源负极），将电流信号取样电阻）接地（也就是电源负极），将电流信号转变成电压信号。转变成电压信号。取样电阻的计算取样电阻的计算：在在下下图图中中，若若取取样样电电阻阻RL=250.0，则则对对应应于于420mA的输出电压的输出电压Uo为为15V。（420mA）如何将电流信号转变成电压信号在信号传输线的末端通过一只标准负休休 息息 一一 下下休 息 一 下