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1、第四章 电感式传感器,本章的主要内容有：1.自感式电感传感器的结构原理；2.互感式电感传感器的结构原理；3.电感传感器的典型测量电路；4.电感传感器的主要应用；,电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化，导致线圈电感量改变来实现测量的。,分类:,电感式传感器,变面积型电传感器,螺线管型电传感器,变间隙型电传感器,4.1 自感式电感传感器,自感式电感传感器常见的形式:,变隙式 变截面式 螺线管式,4.1 自感式电感传感器,先看一个实验：,将一只380V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的36V交流电压源上，如图4-1所示。这时毫安表的示值约为几十毫安。用手慢
2、慢将接触器的活动铁心（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。,电感传感器的基本工作原理演示,F,220V,准备工作,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,F,4.1 自感式电感传感器,自感式电感传感器有变间隙型、变面积型和螺管型三种。,4.1.1 原理分析,4.1.1.1 变间隙型电感传感器 它的结构示意图如右图所示。工作时衔铁与被测物体连接，被测物体的位移将引起空气隙的变化，导致了线圈电感量的变化。线圈的电感可用下式表示：,线圈的电感值可近似地表示为 因此，其灵敏度随气隙的增大而减小。,忽略磁路
3、铁损，则磁路总磁阻为,因此：,铁心与衔铁之间相对覆盖面积随被测量的变化面改变，导致线圈的电感量发生变化，这种形式称之为变面积型电感传感器，见图4.1.2。L与是非线性的，但与A成正比，特性曲线参见图4.1.3。,4.1.1.2 变面积型电感传感器,下图为其结构原理图，衔铁随被测物移动，引起磁阻发生变化，导致电感量改变。,线圈电感量与衔铁进入线圈的长度可表示为,4.1.1.3 螺管型电感式传感器,通过以上分析可得结论:变间隙型灵敏度较高,但非线性误差较大；变面积型灵敏度较小,但线性较好,量程较大；螺管型灵敏度较低,但量程大且结构简单。,用两个相同的传感线圈共用一个衔铁,构成差动式电感传感器,这样
4、可以提高传感器的灵敏度,减小测量误差。下图是变间隙型、变面积型及螺管型三种类型的差动结构。,4.1.1.4 差动式电感传感器,4.1.2 测量电路,差动式结构可以提高灵敏度，改善线性，所以交流电桥大多采用双臂工作形式。下图是交流电桥的几种常用形式。,当LR时，上式可近似为：可见:交流电桥的输出电压与传感器线圈电感的相对变化量成正比。,电阻平衡臂电桥如上图a所示，工作时，Z1=Z+Z和Z2=Z-Z，当ZL时，电桥的输出电压为:,4.1.2.1 电阻平衡臂电桥,由于Z1=Z-Z，Z2=Z+Z，故：同理，当衔铁上移时，则有：,变压器式电桥如前图b，当负载阻抗无穷大时输出电压为：,4.1.2.2 变压
5、器式电桥,可见:输出电压反映了传感器线圈阻抗的变化，还需辩向。,该电桥如前图c所示。它以差动电感传感器的两个线圈作电桥工作臂，而紧耦合的两个电感作为固定臂组成电桥电路。采用这种测量电路可以消除与电感臂并联的分布电容对输出信号的影响，使电桥平衡稳定，另外简化了接地和屏蔽的问题。,4.1.2.3 紧耦合电感臂电桥,4.2 差动变压器,差动变压器式传感器构成,该类型的传感器主要包括有衔铁、一次绕组和二次绕组等。,一、二次绕组间的耦合能随衔铁的移动而变化，即绕组间的互感随被测位移改变而变化。由于在使用时采用两个二次绕组反向串接，以差动方式输出，所以把这种传感器称为差动变压器式电感传感器，通常简称差动变
6、压器。,4.2 差动变压器,2.等效电路,4.2 差动变压器,L1,（3）当衔铁向二次绕组L22一边移动时输出也不为零，但由于移动方向改变，所以输出电动势反相。因此通过差动变压器输出电动势的大小和相位可以知道衔铁位移量的大小和方向。,（1）当衔铁处于中间位置时，两个二次绕组互感相同，所以差动输出电动势为零。,（2）当衔铁移向二次绕组L21一边时，输出不为零，在量程内移动量越大，输出量就越大。,2.等效电路,4.2 差动变压器,差动变压器的输出特性曲线,如左图所示，其中E2的实线表示理想的输出特性，而虚线部分表示实际的输出特性。E0为零点残余电动势。零点残余使得传感器的输出特性在零点附近不灵敏，
7、给测量带来误差，它的大小是衡量差动变压器性能好坏的重要指标。,4.2 差动变压器,减小零点残余的方法：尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数及磁路的对称。磁性材料要经过处理，消除内部的残余应力，使其性能均匀稳定。选用合适的测量电路，如采用相敏整流电路。既可判别衔铁移动方向又可改善输出特性，减小零点残余电动势。采用补偿线路减小零点残余电动势在差动变压器二次侧串、并联适当数值的电阻电容元件，当调整这些元件时，可使零点残余电动势减小。,4.2 差动变压器,3 常用测量电路,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，以便用仪表指示出来。但若仅采用电桥电路和普通的检波电路，则只能判别位移
8、的大小，却无法判别输出的相位和位移的方向。如果在输出电压送到指示仪前，经过一个能判别相位的检波电路，则不但可以反映位移的大小（幅值），还可以反映位移的方向（相位）。这种检波电路称为相敏检波电路。,4.2 差动变压器,差动相敏检波电路,3 常用测量电路,4.2 差动变压器,图3-7 相敏检波输出特性曲线,a）非相敏检波 b）相敏检波1理想特性曲线 2实际特性曲线,差动相敏检波电路,相敏检波电路要求比较电压与差动变压器二次侧输出电压的频率相同，相位相同或相反。另外还要求比较电压的幅值尽可能大，一般情况下，其幅值应为信号电压的35倍。,3 常用测量电路,4.2 差动变压器,差动整流电路,电路是以两个
9、桥路整流后的直流电压之差作为输出的，所以称为差动整流电路。它不但可以反映位移的大小（电压的幅值），还可以反映位移的方向。,3 常用测量电路,4.2 差动变压器,差动整流电路,图中的RP是用来微调电路平衡的，VD1VD4、VD5VD8组成普通桥式整流电路，3、4、3、4组成低通滤波电路，1及21、22、f、23组成差动减法放大器，用于克服a、b两点的对地共模电压。,3 常用测量电路,4.2 差动变压器,轴向式电感测微器的外形:,航空插头,红宝石测头,4 差动变压器式传感器的应用,其他电感测微头:,4.2 差动变压器,模拟式及数字式电感测微仪:,4 差动变压器式传感器的应用,4.2 差动变压器,1
10、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,轴向式电感测微器的内部结构:,4 差动变压器式传感器的应用,4.2 差动变压器(11.11),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）,4 差动变压器式传感器的应用,4.2 差动变压器,电感式滚柱直径分选装置,测微仪,圆柱滚子,4 差动变压器式传感器的应用,4.2 差动变压器,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
11、,（参考中原量仪股份有限公司资料）,4 差动变压器式传感器的应用,4.2 差动变压器,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,4 差动变压器式传感器的应用,4.2 差动变压器,电感式滚柱直径分选装置外形,汽缸,控制键盘,直径测微装置,长度测微装置,滑道,电感式滚柱直径分选装置（机械结构放大）,4 差动变压器式传感器的应用,4.2 差动变压器,机械及气动元件,电感测微器,汽缸,气水分离器（供气三联件）,储气罐,导气管,气压表（0.4MPa左右）,4 差动变压器式传感器的应用,4.2 差动变压器,电感传感器在仿形机床中的应用,1标准
12、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,4 差动变压器式传感器的应用,4.2 差动变压器,电感传感器在仿形机床中的应用,仿形铣床外形,仿形机床采用闭环工作方式,仿形头,主轴,4 差动变压器式传感器的应用,4.2 差动变压器,电感传感器在仿形机床中的应用,仿形车床原理,4 差动变压器式传感器的应用,4.2 差动变压器,电感式不圆度计原理,该圆度计采用旁向式电感测微头,4 差动变压器式传感器的应用,4.2 差动变压器,电感式不圆度计原理,电感式不圆度测试系统,旁向式电感测微头,4 差动变压器式传感器的应用,4.2 差动变压器,电感式不圆度计原理
13、,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,4 差动变压器式传感器的应用,4.2 差动变压器,不圆度测量打印,电感式不圆度计原理,4 差动变压器式传感器的应用,4.2 差动变压器,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,4 差动变压器式传感器的应用,4.2 差动变压器,压力测量,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。,4 差
14、动变压器式传感器的应用,4.2 差动变压器,某一压力变送器的测量电路,压力测量,4 差动变压器式传感器的应用,4.2 差动变压器,它能实现非接触测量，如位移、振动、厚度、转速、应力、硬度等参数。这种传感器还可用于无损探伤。原理如下图示。,这是一种建立在涡流效应原理上的传感器。,4.3 电涡流式传感器,如下图，当通过金属体的磁通变化时，就会在导体中产生感生电流，这种电流在导体中是自行闭合的，这就是所谓电涡流。电涡流的产生必然要消耗一部分能量，从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化，这一物理现象称为涡流效应。,线圈的阻抗变化与导体的电导率、磁导率、几何形状，线圈的几何参数，激励电流频率以及线圈到被测导体
15、间的距离等因素有关。,4.3.1 结构原理与特性,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XL 的变化比R的变化大得多，流过电涡流线圈的电流 i1 增大。,4.3.1 结构原理与特性,线圈与金属导体系统的阻抗、电感都是该系统互感平方的函数。而互感是随线圈与金属导体间距离的变化而改变的。,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XL 的变化比R的变化大得多，流过电涡流线圈的电流 i1 增大。,4.3.1 结构原理与特性,高频反射式电涡流传传感器,1、结构：由一个固定在框架上的扁平线圈组成。,4.3.1
16、 结构原理与特性(10.15),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。,1.结构 传感器包括发射和接收线圈，并分别位于被测材料上、下方。,低频透射式电涡流传感器,这种传感器采用低频激励，因而有较大的贯穿深度，适合于测量金属材料的厚度。,2.原理 由振荡器产生的e1加到发射线圈L1两端。若两线圈间无金属导体，则L2的磁力能较多穿过L2，在L2上产生的感应电压e2最大。,4.3.1 结构原理与特性,如果在两个线圈之间设置一金属板，由于在金属板内产生电涡流，该电涡流消耗了部分能量，使到达线圈L2的磁力线减小，从而引起e2的下降。,线
17、圈L2的感应电压与被测厚度的增大按负幂指数的规律减小，为了较好地进行厚度测量，激励频率应选得较低。频率太高，贯穿深度小于被测厚度，不利进行厚度测量，通常选1kHz左右。,低频透射式电涡流传感器,4.3.1 结构原理与特性,2.原理(续),4.3.2 测量电路,4.3.2.1 电桥电路 在进行测量时，由于传感器线圈的阻抗发生变化，使电桥失去平衡，将电桥不平衡造成的输出信号进行放大并检波，就可得到与被测量成正比的输出。4.3.2.2 谐振法。谐振法主要有调幅式电路和调频式电路两种基本形式。调幅式由于采用了石英晶体振荡器，因此稳定性较高，而调频式结构简单，便于遥测和数字显示。,4.3.2 测量电路,
18、4.3.2.2 谐振法(续)调幅(AM)式电路,石英振荡器产生稳频、稳幅高频振荡电压(100kHz1MHz）用于激励电涡流线圈。金属材料在高频磁场中产生电涡流，引起电涡流线圈端电压的衰减，再经高放、检波、低放电路，最终输出的直流电压Uo反映了金属体对电涡流线圈的影响（例如两者之间的距离等参数）。,用电涡流探头、调幅法测量简谐振动时，探头的输出波形。,人的手、泥土或装满水的玻璃杯能对振荡器的振幅产生明显的衰减吗？为什么？,部分常用材料对振荡器振幅的衰减系数,4.3.2 测量电路,4.3.2.2 谐振法(续)调幅(AM)式电路,4.3.2 测量电路,4.3.2.2 谐振法(续)调频（FM）式电路(
19、100kHz1MHz）,当电涡流线圈与被测体的距离x 改变时，电涡流线圈的电感量L 也随之改变，引起LC 振荡器的输出频率变化，此频率可直接用计算机测量。如果要用模拟仪表进行显示或记录时，必须使用鉴频器，将f转换为电压Uo。,振幅,可用于测量压力、力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位等物理量。,4.4.1 位移测量,4.4 电感式传感器的典型应用,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（感应工作面）将产生一个交变磁场。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，可地计算出
20、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，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，寿命较长，可在各种恶劣条件下使用。,可用于测量压力、力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位等物理量。,4.4.1 位移测量,4.4 电感式传感器的典型应用,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。,420mA电涡流位移传感器外形（参考德国图尔克公司资料）,齐平式电涡流位移传感器外形（参考德国图尔克公司资料）,齐平式传感器安装时可以不高出安装面，不易被损害。,V系列电涡流位移传感器外
21、形（参考浙江洞头开关厂资料）,齐平式,V系列电涡流位移传感器性能一览表（摘自洞头开关厂资料）,某V系列电涡流位移传感器的机械图,四线制电涡流位移传感器的接线说明,该位移传感器同时具备两种动作输出状态，用户可选择从高电压向低电压转变、和从低电压向高电压转变两种方式，分别称为NPN和PNP输出模式。,电涡流位移传感器的应用,电涡流探头线圈的阻抗受诸多因素影响，例如金属材料的厚度、尺寸、形状、电导率、磁导率、表面因素、距离等。只要固定其他因素就可以用电涡流传感器来测量剩下的一个因素。因此电涡流传感器的应用领域十分广泛。但也同时带来许多不确定因素，一个或几个因素的微小变化就足以影响测量结果。所以电涡流
22、传感器多用于定性测量。即使要用作 定 量 测量，也必须采用逐点标定、计算机线性纠正、温度补补偿等措施。,位移传感器的分类,偏心和振动检测,通过测量间隙来测量径向跳动,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,测量尺寸、公差及零件识别,通过测量间隙来测定热膨胀引起的上下平移,位移的标定方法,使用千分尺，逐一对照测量电路的输出电压及数显表读数，列出对照表，存入计算机，从而达到线性化的目的。,电涡流位移传感器的距离与输出电压特性曲线,1量程为10mm 2量程为16mm 3量程为20mm,振动测量,汽轮机叶片测试,测
23、量悬臂梁的振幅及频率,三、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,各种测量转速的传感器及其与齿轮的相对位置,齿轮转速测量,例：下图中，设齿数z=48，测得频率 f=120Hz，求该齿轮的转速n。,电动机转速测量,四、镀层厚度测量,由于存在集肤效应，镀层或箔层越薄，电涡流越小。测量前，可先用电涡流测厚仪对标准厚度的镀层和铜箔作出“厚度-输出”电压的标定曲线，以便测量时对照。,电涡流涂层厚度仪,电涡流涂层厚度仪原理,测量金属镀层或绝缘层厚度,测量金属镀层或绝缘层厚度的计算方法有何区别？,五、电涡流式通道安全检查门,安检门
24、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。在安检门的侧面还安装一台“软x光”扫描仪，它对人体、胶卷无害，用软件处理的方法，可合成完整的光学图像。,安检门演示,六、电涡流表面探伤,手持式裂纹测量仪,油管探伤,滚子涡流探伤机,滚子涡流探伤机是由计算机控制的轴承滚子表面微裂纹探伤的专用设备，可探出深 30m的表面微小裂纹。,（参考无锡市通达滚子有限公司资料）,手提式探伤仪外形（参考厦门爱德华检测设备有限公司资料）,掌上型电涡流探伤仪,用掌上型电涡流探伤仪检测飞机裂纹,台式电涡流探伤仪,结束语 本章主要学习了电感传器的结构原理及其工业应用，同学们要注意区分自感式、差动式和涡流式的区别，学会合理选用这些传感器。,思考题,1.影响差动变压器输出线性度和灵敏度的主要因素是什么？2.电涡流式传感器的灵敏度主要受哪些因素影响？它的主要优点是什么？3.试说明图7.14所示的开关式全波相敏检波电路的工作原理。（课本P124）,
