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1、测量技术基础,第六章 电感式传感器,本章内容：,变磁阻式传感器差动变压器式传感器电涡流式传感器,定义：是一种利用线圈自感和互感的变化实现非电量电测的装置。感测量：位移、振动、压力、应变、流量、比重等。,测量技术基础,优点：结构简单、可靠，测量力小衔铁为0.520010-5N时，磁吸力为(110)10-5N。分辨力高 机械位移：0.1m，甚至更小；角位移：0.1角秒。输出信号强，电压灵敏度可达数百mV/mm。重复性好，线性度优良 在几十m到数百mm的位移范围内，输出特性的线性度较好，且比较稳定。,不足：存在交流零位信号，不宜于高频动态测量。,测量技术基础,一、工作原理及输出特性二、常用典型结构三
2、、测量电路 1、交流电桥 2、变压器式交流电桥 3、谐振式测量电路四、变磁阻式传感器的应用,6.1 变磁阻式传感器,变磁阻式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,6.1.1 变磁阻式传感器工作原理,若线圈匝线为N，通入线圈中的电流为I，每匝线圈产生的磁通为，由电感的定义有：,设磁路总磁阻为RM，则磁通可表示为：,以上两式联立得,磁路总磁阻RM 可看成是由铁芯磁阻RF 和空气隙磁阻R 组成的，即,6.1.1 变磁阻式传感器工作原理,而,一般RF R，故,其中，N线圈的匝数；A气隙的截面积；0 空气的导磁率；气隙的厚度。,6.1.1 变磁阻式传感器工作原理,设自感传感器的初始
3、气隙为0，初始电感量为L0，衔铁位移 引起的气隙变化为，可得初始电感量为,当衔铁下移 时，传感器气隙增大，电感量变化为L1,6.1.2 变磁阻式传感器输出特性,电感量的相对变化为,当 时，可将上式展开成泰勒级数形式,6.1.2 变磁阻式传感器输出特性,同理，当衔铁上移 时，电感量变化为L2的泰勒级数形式,忽略二次项以上的高次项，可得,传感器的灵敏度为,6.1.2 变磁阻式传感器输出特性,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
4、少了外界影响造成的误差。,以变气隙型差动自感传感器为例。当磁路总气隙改变 时，电感量的相对变化为,6.1.2 变磁阻式传感器输出特性,变隙式 变截面式 螺线管式,6.1.2 变磁阻式传感器输出特性,6.1.2 变磁阻式传感器输出特性,6.1.2 变磁阻式传感器输出特性,6.1.2 变磁阻式传感器输出特性,6.1.2 变磁阻式传感器输出特性,6.1.2 变磁阻式传感器输出特性,6.1.2 变磁阻式传感器输出特性,差动式电感传感器工作原理及输出特性,6.1.4 电感式传感器测量电路,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
5、杆 9密封套 10测端 11被测工件 12基准面,1、位移测量,6.1.5 电感式传感器的应用,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）,2、电感式滚柱直径分选装置,6.1.5 电感式传感器的应用,2.电感式滚柱直径分选装置（外形）,滑道,分选仓位,（参考中原量仪股份有限公司资料）,6.1.5 电感式传感器的应用,测微仪,圆柱滚子,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,3、电感传感器在仿形机床中的应用,6.1.5 电感式传感器的应用,该圆度计采用旁向式电感测微头,4、
6、电感式不圆度计原理,6.1.5 电感式传感器的应用,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,6.1.5 电感式传感器的应用,不圆度测量打印,6.1.5 电感式传感器的应用,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,5、压力测量,6.1.5 电感式传感器的应用,第六章 电感式传感器,本章内容：,变磁阻式传感器差动变压器式传感器(互感型）电涡流式传感器,测量技术基础,一、工作原理及等效电路二、基本特性三、测量电路 1、差动整流电路 2、相敏检波电路 3、零点残余电压及其补偿四、差动变压器式传感
7、器应用,6.2 差动变压器式传感器,互感式传感器的工作原理类似于变压器的工作原理。主要包括有衔铁、初级绕组、次级绕组和线圈框架等。初级绕组、次级绕组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的改变而变化。由于在使用时两个结构尺寸和参数完全相同的次级绕组采用反向串接，以差动方式输出，所以又把这种传感器称为差动变压器式电感传感器，通常简称为差动变压器。初级绕组作为差动变压器激励用，相当于变压器的原边，而次级绕组相当于变压器的副边。,6.2.1 工作原理及等效电路,工作原理：互感现象,1-活动衔铁；2-导磁外壳；3-骨架；4-匝数为1的初级绕组；5-匝数为2a的次级绕组；6-匝数为2b的次
8、级绕组,螺线管式差动变压器结构,6.2.1 工作原理及等效电路,差动变压器等效电路,6.2.1 工作原理及等效电路,当差动变压器的衔铁处于中间位置时，理想条件下其输出电压为零。但实际上，当使用桥式电路时，在零点仍有一个微小的电压值(从零点几mV到数十mV)存在，称为零点残余电压。如图是扩大了的零点残余电压的输出特性。,零点残余电压的存在造成零点附近的不灵敏区；零点残余电压输入放大器内会使放大器末级趋向饱和，影响电路正常工作等。,1、零点残余电压,6.2.2 基本特性,图中e1为差动变压器初级的激励电压，e20包含基波同相成分、基波正交成分，二次及三次谐波和幅值较小的电磁干扰等。,1、零点残余电
9、压,6.2.2 基本特性,零点残余电压产生原因,a、基波分量由于差动变压器两个次级绕组不可能完全一致，因此它的等效电路参数（互感M、自感L及损耗电阻R）不可能相同，从而使两个次级绕组的感应电势数值不等。又因初级线圈中铜损电阻及导磁材料的铁损和材质的不均匀，线圈匝间电容的存在等因素，使激励电流与所产生的磁通相位不同。,1、零点残余电压,6.2.2 基本特性,零点残余电压产生原因,b、高次谐波高次谐波分量主要由导磁材料磁化曲线的非线性引起。由于磁滞损耗和铁磁饱和的影响，使得激励电流与磁通波形不一致产生了非正弦(主要是三次谐波)磁通，从而在次级绕组感应出非正弦电势。另外，激励电流波形失真，因其内含高
10、次谐波分量，这样也将导致零点残余电压中有高次谐波成分。,1、零点残余电压,6.2.2 基本特性,a从设计和工艺上保证结构对称性 为保证线圈和磁路的对称性，首先，要求提高加工精度，线圈选配成对，采用磁路可调节结构。其次，应选高磁导率、低矫顽力、低剩磁感应的导磁材料。并应经过热处理，消除残余应力，以提高磁性能的均匀性和稳定性。由高次谐波产生的因素可知，磁路工作点应选在磁化曲线的线性段。,消除零点残余电压方法,1、零点残余电压,6.2.2 基本特性,b、选用合适的测量线路,采用相敏检波电路不仅可鉴别衔铁移动方向，而且把衔铁在中间位置时，因高次谐波引起的零点残余电压消除掉。如图，采用相敏检波后衔铁反行
11、程时的特性曲线由1变到2，从而消除了零点残余电压。,消除零点残余电压方法,1、零点残余电压,6.2.2 基本特性,c采用补偿线路(1)由于两个次级线圈感应电压相位不同，并联电容可改变其一的相位，也可将电容C改为电阻，如图(a)。由于R的分流作用将使流入传感器线圈的电流发生变化，从而改变磁化曲线的工作点，减小高次谐波所产生的残余电压。图(b)中串联电阻R可以调整次级线圈的电阻分量。,调相位式残余电压补偿电路,6.2.2 基本特性,(2)并联电位器W用于电气调零，改变两次级线圈输出电压的相位，如图所示。电容C(0.02F)可防止调整电位器时使零点移动。,c采用补偿线路,6.2.2 基本特性,(2)
12、相敏检波电路,6.2.3 差动变压器传感器测量电路,(b)差动变压器激磁电压波形,(d)相敏检波解调电压波形,(c)差动变压器输出电压波形,(e)相敏检波输出电压波形,被测位移变化波形图,(2)相敏检波电路,6.2.3 差动变压器传感器测量电路,案例1：板的厚度测量,6.2.4 差动变压器传感器应用,第六章 电感式传感器,变磁阻式传感器差动变压器式传感器电涡流式传感器,本章内容：,测量技术基础,一、工作原理二、基本特性三、电涡流形成范围 1、电涡流径向形成范围 2、电涡流强度与距离的关系 3、电涡流的轴向贯穿深度四、电涡流式传感器的应用,6.3 电涡流式传感器,电涡流效应演示,当电涡流线圈与金
13、属板的距离x减小时，电涡流线圈的等效电感L减小，流过电涡流线圈的电流 i1 增大。,6.3.1 电涡流式传感器工作原理,干净、高效的电磁炉,6.3.1 电涡流式传感器工作原理,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，电涡流渗透的深度就越浅，集肤效应越严重。,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L1时，将产生高频磁场H1。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i2。i2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）。,6.3.1 电涡流式传感器工作原理
14、,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为：,如果控制上式中的i1、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？,6.3.1 电涡流式传感器工作原理,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。改变激励源频率，可控制检测深度。,多种用途：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。,6.3.1 电涡流式传感器工作原理,间距x的测量：如果固定其他因素不变，仅改变间距x，电涡流线圈的阻抗Z
15、就成为间距x的单值函数，可用于非接触测量距离或位移。,6.3.1 电涡流式传感器工作原理,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自行发热，烧开锅内的食物。,6.3.1 电涡流式传感器工作原理,电涡流传感器简化模型,1 传感器线圈2 短路环3 被测金属导体,6.3.2 电涡流式传感器基本特性,电涡流传感器等效电路,6.3.2 电涡流式传感器基本特性,1、电涡流径向形成范围,6.3.2 电涡流式传感器基本特性,电涡流强度与距离归一化曲线,2、电涡流强度与距离的关系,6.3.2 电涡流式传感器基本特性,电涡流密度轴向分布曲线,3、电涡流的轴向贯穿深度
16、,6.3.2 电涡流式传感器基本特性,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。,数显位移测量仪及探头,1、位移测量,6.3.3 电涡流传感器的应用,6.3.3 电涡流传感器的应用,V系列电涡流位移传感器性能一览表,6.3.3 电涡流传感器的应用,电涡流位移传感器的距离与输出电压特性曲线,6.3.3 电涡流传感器的应用,某涡流传感器的输入（mm）输出（V）特性曲线,偏心和振动检测,6.3.3 电涡流传感器的应用,6.3.3 电涡流传感器的应用,轴的径向振动测量,6.3.3 电涡流传感器的应用,测
17、量金属薄膜,测量冷轧板厚度,6.3.3 电涡流传感器的应用,高频反射式涡流测厚仪测试系统图,6.3.3 电涡流传感器的应用,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,6.3.3 电涡流传感器的应用,3、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)，转轴的转速n：,6.3.3 电涡流传感器的应用,例：图中，设齿数z=48，测得频率f=120Hz，求该齿轮的转速n。,3、转速测量,6.3.3 电涡流传感器的应用,4、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。,6.3.3 电涡流传感器的应用,5、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。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。,6.3.3 电涡流传感器的应用,安检门演示,当有金属物体穿越安检门时报警,6.3.3 电涡流传感器的应用,6、电涡流表面探伤,手持式裂纹测量仪,油管探伤,6.3.3 电涡流传感器的应用,6.3.3 电涡流传感器的应用,
