电感式传感器课件

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,概述,电感式传感器是一种机电转换装置，,特别是在自动控制设备中广泛应用。,电感式传感器利用电磁感应定律将被测,非电量（如位移、压力、流量、振动）,转换为电感或互感的变化。,按传感器结构可分为：,自感式、互感式、电涡流式。,第,4,章,电感式传感器,4.1,自感式式传感器（变磁阻）,结构,:,由线圈、铁芯、衔铁三部分组成。 铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为, ;,传感器运动部分与衔铁相连，衔铁移动时,发 生变化，引起磁路的磁阻,Rm,变化，使电芯线圈 的电感值,L,变化；,只要改变气隙厚度或气隙截面积就可以改变电感。,一、工作原理,总磁阻,线圈匝数,两式联立得,:,线圈,铁芯,衔铁,图,4-1,变磁阻式传感器,I,为线圈中所通交流电的有效值。,磁路,电路,磁通,电流,i,磁动势,F,电动势,e,磁阻,R,m,电阻,R,磁压降,Hl,电压降,u,磁导,m,电导,G,欧姆定律,=,F /,R,m,欧姆定律,i=u/R,基氏第一定律,=0,基氏第一定律,i,=0,基氏第二定律,F=,Hl,=,R,m,基氏第二定律,e,=,u,=,iR,空气导磁率,磁导率,导磁率,H/m,而,其中,如果,A,保持不变，则,L,为,的单值函数，构成,变气隙式,自感传感器,若保持,不变，使,A,随被测量（如位移）变化，则构成,变截面式,自感传感器,，,，,A,L,L,=,f,(,A,),L,=,f,(,),图,4-3,电感传感器特性,衔铁下移,二、变气隙式自感传感器的输出特性,线圈,铁芯,衔铁,忽略高次项：,衔铁上移,忽略高次项：,三、差动式自感传感器,在实际使用中，常采用两个相同的传感线圈,共用一个衔铁，,构成差动式自感传感器，两个线圈的,电气参数和几何尺寸,要求完全相同。这种结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对温度变化、电源频率变化等的影响也可以进行补偿，从而减少了外界影响造成的误差。,图,4-4,是变气隙型、变面积型及螺管型三种类型的差动式自感传感器的结构示意图。当衔铁,3,移动时，一个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减少，形成差动形式。,图,4-4,差动式自感传感器,1-,线圈,2-,铁芯,3-,衔铁,4-,导杆,（,a,） 变气隙型,4,3,2,1,3,1,4,1,2,3,4,4,（,b,） 变面积型,（,c,） 螺管型,变气隙型差动式自感传感器,衔铁下移：,衔铁,R,1,R,2,L,2,L,1,忽略高次项：,提高一倍,上式中不存在偶次项，显然差动式自感传感器的非线性误差在,工作范围内要比单个自感传感器的小得多。,差动式与单线圈电感式传感器相比，具有下列优点：, 线性好；, 灵敏度提高一倍，即衔铁位移相同时，输出信号大一倍；, 温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器精度的影响，由于能互相抵消而减小；, 电磁吸力对测力变化的影响也由于能相互抵消而减小。,四、自感式传感器的等效电路,实际传感器中，线圈不可能是纯电感，它包括线圈的铜损电阻,R,C,；铁芯的涡流损耗电阻,R,e,；由于线圈和测量设备电缆的接入，存在线圈固有电容和电缆的分布电容，用集中参数,C,表示。,图,4-6,等效电路,Z,C,L,R,c,R,e,五、 自感式传感器的测量电路,1.,电阻平衡臂交流电桥,图,4-7,交流电桥,差动的两个传感器线圈接成电桥的两个工作臂（,Z,1,、,Z,2,为两个差动传感器线圈的复阻抗），另两个桥臂用平衡电阻,R,1,、,R,2,代替。,设初始时,Z,1,=,Z,2,=,Z,=,R,S,+,jL,；,R,1,=,R,2,=,R,；,L,1,=,L,2,=,L,0,。,工作时,Z,1,=,R,S,+,jwL,1,;,Z,2,=,R,S,+,jwL,2,R,1,R,2,Z,2,Z,1,对差动变气隙式自感传感器：,可见，电桥输出电压与,有关，相位与衔铁移动方向有关。由于是交流信号，还要经过适当电路（如相敏检波电路）处理才能判别衔铁位移的大小及方向。,4,3,2,1,75,50,25,0,50,75,100,L/,mH,/mm,100,25,1,2,3,4,-,1,、,2,为两线圈的电感特性，,3,为两线圈差接时的电感特性，,图线,4,为差接后电桥输出电压与位移间的特性曲线。,说明：,电桥输出电压的大小与衔铁的位移量,有关，相位与衔铁的移动方向有关。,若设衔铁向上移动,为负，则,U,0,为负；衔铁向下移动,为正，则,U,0,为正，相位差,180,。,图,4-8,变压器交流电桥,电桥,A,点的电位为：,B,点电位为,电桥两臂,Z,1,、,Z,2,为传感器线圈阻抗,Z,1,Z,2,I,A,B,C,D,初始位置,衔铁下移,衔铁上移,若线圈的,Q,值很高，损耗电阻可忽略，则,由上式可知，当衔铁向上、向下移动相同的距离时，产生的输出电压大小相等，但极性相反。由于是交流信号，要判断衔铁位移的大小及方向同样需要经过相敏检波电路的处理。,4.2,差动变压器式传感器（互感式）,4.2.1,工作原理,把被测的非电量变化转换成为,线圈互感量的变化的传感器称为互感式传感器。,这种传感器根据变压器的基本,原理制成，并将次级线圈绕组用,差动形式连接。,差动变压器的结构形式较多，,应用最多的是螺线管式差动变压,器。它可测量,1,100mm,范围内的,机械位移。,次,级,次,级,骨架,初,级,衔,铁,次,级,次,级,初,级,等效电路：,两个次级线圈必须反相串联接，保证差动形式。,如果线圈完全对称并且衔铁处于中间位置时两线圈,互感系数相等 电动势相等,差动输出电压为零：,一、 工作原理,可见,:,输出电压大小和符号反映了,铁心位移的大小和方向。,当衔铁上下移动时，输出电压随衔铁位移变化。,若衔铁上移,若衔铁下移,二、基本特性,由此得到输出电压有效值为 ：,可见输出电压与互感的差值有关,根据电磁感应定律，次级感应电动势分别为,铁芯向右移，,输出与,E2a,同极性；,铁芯向左移，,输出与,E2b,同极性；,输出电压的幅值取决于线圈,互感即衔铁在线圈中移动的,距离,X,。,Uo,与,Ui,的相位由衔,铁的移动方向决定。,差动变压器输出电压和位移的关系,差动变压器结构形式,三、 零点残余电压,由于两个次级线圈绕组电气系数 （,M,互感,L,电感,R,内阻）不同，几何尺寸工艺上很难保证完全相同。实际的特性曲线，在零点上总有一个最小的输出电压，这个铁芯处于中间位置时最小不为零的电压称为零点残余电压。,四、差动变压器式传感器及测量电路,差动变压器输出交流信号。为正确反映衔铁位移,大小和方向，常采用差动整流电路和相敏检波电路。,（,1,）差动整流电路,，,输入一交流信号时,（,2,）相敏检波电路,（,a,）,相敏检波电路原理图；,（,b,）,u,s,、,u,2,为正半周时等效电路；,(c) u,s,、,u,2,为负半周时等效电路,上一页,返 回,下一页,相敏检波电路波形,(a,）,被测位移变化波形图；,(b),差动变压器激励电压波形；,(c),差动变压器输出电压波形；,(d),相敏检波解调电压波形；,(e),相敏检波输出电压波形,上一页,返 回,下一页,4.3,电感式传感器的应用,一、,位移测量,轴向式电感 测微器的外形,航空插头,红宝石测头,其他电感测微头,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,1,引线电缆,2,固定磁筒,3,衔铁,4,线圈,5,测力弹簧,6,防转销,7,钢球导轨（直线轴承）,8,测杆,9,密封套,10,测端,11,被测工件,12,基准面,二、电感式滚柱直径分选装置,图,3-14,滚柱直径分选装置,1,气缸,2,活塞,3,推杆,4,被测滚柱,5,落料管,6,电感测微器,7,钨钢测头,8,限位挡板,9,电磁翻板,10,容器（料斗）,二、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,（外形）,滑道,分选仓位,轴承滚子外形,（,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,落,料振动台,滑道,11,个分选仓位,（参考无锡市通达滚子有限公司资料）,废料仓,三、电感传感器在仿形机床中的应用,1,标准靠模样板,2,测端（靠模轮）,3,电感测微器,4,铣刀龙门框架,5,立柱,6,伺服电动机,7,铣刀,8,毛坯,仿形铣床外形,仿形机床,采用 闭环工作方式,仿形头,主轴,仿形车床原理,四、电感式不圆度计原理,该圆度计采用,旁向式电感测微头,电感式不圆度测量系统外形,（参考,洛阳汇智测控技术有限公司资料）,旋转盘,测量头,五、压力测量,1,压力输入接头,2,波纹膜盒,3,电缆,4,印制线路板,5,差动线圈,6,衔铁,7,电源变压器,8,罩壳,9,指示灯,10,密封隔板,11,安装底座,压力测量用的膜盒,膜盒由两片波纹膜片焊接而成。所谓波纹膜片是一种压有同心波纹的圆形薄膜。当膜片四周固定，两侧面存在压差时，膜片将弯向压力低的一侧，因此能够将压力变换为直线位移。,七、一次仪表与,420mA,二线制输出方式,图,3-17,所示的压力变送器已经将传感器与信号处理电路组合在一个壳体中，这在工业中被称为一次仪表。一次仪表的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（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。,420mA,二线制输出方式,新的国家标准规定电流输出为,420mA,；,电压输出为,15V(,旧国标为,010mA,或,02V),。,4mA,对应于零输入，,20mA,对应于满度输入。不让信号占有,04mA,这一范围的原因，一方面是有利于判断线路故障（开路）或仪表故障；另一方面,，这类一次仪表内部均采用微电流集成电路，总的耗电还不到,4mA,，,因此,还能利用,04mA,这一部分,“,本底,”,电流为一次仪表的内部电路提供工作电流，使一次仪表成为两线制仪表。,420mA,二线制输出方式,所谓二线制仪表是指仪表与外界的联系只需两根导线。,多数情况下，,其中一根（红色）为,+24V,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），将电流信号转变成电压信号。,420mA,二线制仪表接线方法,420mA,420mA,二线制数显表外形及计算,在上一张图中，若取样电阻,R,L,=500.0,，,则对应于,420mA,的输出电流，输出电压,U,o,为,210V,。,一、电涡流传感器工作原理,电涡流效应演示,当电涡流线圈与金属板的距离,x,减小时，电涡流线圈的等效电感,L,减小，等效电阻,R,增大。感抗,X,L,的变化比,R,的变化 大 得 多，流过电涡流线圈的电流,i,1,增大。,4.4,电涡流式传感器,集肤效应,集肤效应与激励源频率,f,、,工件的电导率,、磁导率,等有关。频率,f,越高，电涡流的渗透的深度就越浅，集肤效应越严重。,图,4-1,是电涡流传感器工作原理示意图。当高频（,100kHz,左右）信号源产生的高频电压施加到一个靠近金属导体附近的电感线圈,L,1,时，将产生高频磁场,H,1,。,如被测导体置于该交变磁场范围之内时，被测导体就产生电涡流,i,2,。,i,2,在金属导体的纵深方向并不是均匀分布的，而只集中在金属导体的表面，这称为集肤效应（也称趋肤效应）。,二、等效阻抗分析,检测深度与,激励源频率有何关系？,电涡流线圈受电涡流影响时的等效阻抗,Z,的函数表达式为：,Z,=,R,+,j,L,=,f,（,i,1,、,f,、,、,、,r,、,x,）,（,4-1,）,如果控制上式中的,i,1,、,f,、,、,、,r,不变，电涡流线圈的阻抗,Z,就成为哪个非电量的单值函数？属于接触式测量还是非接触式测量？,等效阻抗与非电量的测量,检测深度的控制：,由于存在集肤效应，电涡流只能检测导体表面的各种物理参数。改变,f,，,可控制检测深度。激励源频率一般设定在,100kHz1MHz,。,频率越低，,检测深度越深,。,间距,x,的测量：,如果控制上式中的,i,1,、,f,、,、,、,r,不变，电涡流线圈的阻抗,Z,就成为间距,x,的单值函数，这样就成为非接触地测量位移的传感器。,多种用途：,如果控制,x,、,i,1,、,f,不变，就可以用来检测与表面电导率,有关的,表面温度、表面裂纹等参数,，或者用来检测与材料磁导率,有关的,材料型号、表面硬度,等参数。,电涡流的应用,在我们日常生活中经常可以遇到,干净、高效的,电磁炉,电磁炉内部的励磁线圈,电磁炉的工作原理,高频电流通过励磁线圈，产生交变磁场，在铁质锅底会产生无数的电涡流，使锅底发热，烧开锅 内 食 物。,二、位移测量,电涡流位移传感器是一种输出为,模拟量,的电子器件。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量，使振荡器的输出幅度线性地衰减，根据,衰减量的变化,或,振荡频率,的变化，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,，工作时不受灰尘等因素的影响，可在各种恶劣条件下使用。,位移测量仪,位移测量包含：,偏心、间隙、位置、倾斜、弯曲、变形、移动、圆度、冲击、偏心率、冲程、宽度等。,来自不同应用领域的许多量都可归结为位移或间隙变化。,数显,位移测量仪及探头,420mA,电涡流位移传感器外形,（参考德国图尔克公司资料）,偏心和振动检测,测量弯曲、波动、变形,对桥梁、丝杆等机械结构的振动测量，须使用多个传感器。,测量金属薄膜、板材厚度电涡流测厚仪,测量冷轧板厚度,导向辊的材料可以用金属制作吗？,二、转速测量,若转轴上开,z,个槽,(,或齿,),，频率计的读数为,f,（,单位为,Hz,），,则转轴的转速,n,（,单位为,r/min,）,的计算公式为,齿轮转速测量,例： 下图中，设齿,数,z,=48,，,测得频率,f,=120Hz,，请按上述公式该齿轮的转速,n,。,电动机,转速测量,三、电涡流式通道安全检查门,安检门的内部设置有,发射线圈和接收线圈,。当有金属物体通过时，交变磁场就会在该金属导体表面产生电涡流，会在接收线圈中感应出电压，计算机根据,感应电压的大小、相位,来判定金属物体的大小。,安检门演示,当有,金属物体穿越安检门时报警,在安检门的上中下中，安装多个电涡流线圈，有金属穿过时，对应位置报警。还在一侧安装一台“,软,x,光”扫描仪,，它能显示衣服里头的物体形状和密度，对人体、胶卷无害。,四、电涡流表面探伤,手持式裂纹测量仪,油管探伤,电涡流传感器,