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1、书名：自动检测技术及应用 第3版ISBN：978-7-111-50197-8作者：武昌俊出版社：机械工业出版社本书配有电子课件,第三章 电感式传感器及应用,本章内容,1,3,2,1 自感式传感器,自感式传感器是自感量随气隙而改变的原理制成的，用来测量位移 它主要由线圈、铁心、衔铁及测杆（或转轴）等组成,变隙式,变截面式,螺线管式,一、工作原理,如图所示自感式传感器的原理图。它是由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。自感的值为：,由磁路的欧姆定律可得磁通为：,因为一般导磁体的磁阻远小于空气隙的磁阻，计算时可忽略不计，则：,联立以上三式可得：,当铁心的结构与材料确定后，上式分母的第一项为常数，此时自感L是
2、气隙厚度和气隙有效截面积A的函数，即L=f(,A),(a)保持A不变，则L为的单值函数，可构成变气隙型传感器,(b)保持不变，使A随位移而变化，则可形成变截面型传感器,(c)线圈中放入圆柱形衔铁，也是一个可变自感。使衔铁作上、下位移，自感量将相应变化，这就构成螺线管式电感传感器,1、变隙式电感传感器,只要测出自感量的变化，就能确定衔铁（即被测体）位移量的大小和方向。这就是闭磁路变隙式电感传感器的工作原理,铁心和衔铁的磁阻,气隙的磁阻,忽略掉铁心和衔铁的磁阻,因为,输入输出呈非线性关系为了保证一定的线性度，变隙式电感传感器仅能工作在很小一段的区域，因而只能用于微小位移的测量。,在线圈匝数N确定后
3、，如保持气隙有效截面积A为常数，则L=f(),它的特性曲线如图,2、变截面式电感传感器,同样N确定后，若保持气隙厚度为常值0，则L=f(A)，它的特性曲线如图所示,由于有漏感等原因，它的特性并非是线性的，而且它的线性区较小，灵敏度较低,对于长螺线管（Lr），当衔铁工作在螺线管的中部时，可认为线圈内磁场强度是均匀的。此时线圈电感量l与衔铁插入深度l1大至上成正比。,螺线管式电感传感器的工作原理是以线圈磁力线泄漏路径上的磁阻变化为基础进行测量时，衔铁随被测体移动时，导致线圈电感量变化，即电感量与衔铁插入深度l1有关,3、螺线管式电感传感器,4、差动电感传感器,在实际工作中常采用差动式，这样既可以提
4、高传感器的灵敏度，又可以减小测量误差。,假设当衔铁往上移动时，则两个线圈的总的电感变化量为：,灵敏度为,二、电感式传感器的转换电路,1调幅电路,所示为变压器电桥电路。相邻两工作臂Z1、Z2是差动电感传感器的两个线圈阻抗。另两臂为变压器的次级绕组：,当衔铁处于中间位置时,由于线圈完全对称,因此L1=L2=L0，Z1=Z2=Z0,电桥桥路平衡,输出电压U0=0,当衔铁上下移时,自感式电感传感器输出电压为,因为电感线圈的品质因数很高,零点残余电压 零点残余电压的存在会造成测量系统在最关键的零点附近存在一小段不灵敏区，它一方面限制系统的分辨率，另一方面也造成输电压U0与位移间的非线性。,为了判别衔铁的
5、移动方向，必须判别信号的相位，必须在后续电路中配置相敏检波电路来解决。如图所示为带相敏整流的交流电桥电路。,带相敏整流的交流电桥电路,1）当衔铁上移，不论输入电压时正半周还是负半周，电压表总是正向偏转，即输出电压为正。2）当衔铁下移时，同理可以分析得到，电压表总是反正偏转，输出电压总是为负。,采用带相敏整流的电桥电路，输出信号能反映位移的大小和方向。,电桥电路整流器输出特性曲线,不同检波方式的输出特性曲线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,当L有微小变化L时，频率变化f为：,G表示振荡回路，其振荡频率，当L变化时，振荡频率随之变化，根据f的大小即可测出被测量的值,2调频
6、电路,三、应用,测微仪采用变压器式交流电桥为测量电路时，将图中的A、G、H分别与图b）中的A、O、C相连,电动测微仪的电感式传感器,2 差动变压器式传感器,一、工作原理,它主要由线圈组合、活动衔铁和导磁外壳等组成。线圈包括一、二次线圈和骨架等部分,1）当活动衔铁向二次绕组N21方向（向上）移动时,2）当活动衔铁向二次绕组N22方向向下移动时,理想的螺线管式差动变压器的原理图,二、测量电路,反串联电路 直接把两个二次线圈反向串接,桥路,R1、R2是桥臂电阻，RW是供调零用的电位器,差动整流电路,差动变压器转换电路是把差动变压器的两个次级线圈的电压分别整流，然后将它们的差值作为输出。,三、应用,1
7、测量振动的应用,由悬臂梁1和差动变压器2构成,测量时，将悬臂梁底座及差动变压器的线圈骨架固定，而将衔铁的A端与被测振动体相连。当被测体带动衔铁以x（t）振动时，导致差动变压器的输出电压变化。,当被测压力P1输入到膜盒中，膜盒2的自由端面便产生一个与P1成正比的位移因此，差动压力变压器有正比于被测压力的电压输出,2压力测量,测量各种生产流程中液体、水蒸汽及气体压力等,3 电涡流式传感器,一、电涡流式传感器的基本结构,单独绕成一只无框架的扁平圆形线圈，用胶水将此线圈粘接于框架的顶部。,在框架的接近端面处开一条细槽，用导线在槽中绕成一只线圈。,二、电涡流式传感器的工作原理,若能保持其中大部分参数恒定
8、不变，只改变其中一个参数，这样能形成传感器的线圈阻抗Z与此参数的单值函数。再通过传感器的配用电路测出阻抗Z的变化量，即可实现对该参数的非电量测量,当距离x减小时，互感量M增大，由式（3-27）可知，等效电L减小，等效电阻R增大。从理论和实测中都证明，此时流过线圈的电流i1是增大的,线圈与金属导体之间可以定义一个互感系数M，它将随着间距x的减小而增大,若把导体形象地看作一个短路线圈,三、转换电路,利用Z的转换电路一般用桥路，它属于调幅电路。利用L的转换电路一般用谐振电路,1桥路,Z1和Z2它们与电容C1、C2，电阻R1、R2组成电桥的四个臂。电源由振荡器供给，振荡频率根据涡流式传感器的需要选择。
9、电桥的输出将反应线圈阻抗的变化，把线圈阻抗变化转换成电压幅值的变化,2谐振幅值电路,在没有金属导体的情况下，使电路的LC谐振回路的谐振频率 等于激励振荡器的振荡频率（如1MHZ），这时LC回路呈现阻抗最大，输出电压的幅值也是最大。,。,3调频电路,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振荡器输出频率改变。,四、应用,1厚度的测量,差动法测量厚度h=H-(x1+x2),2转速测量,当旋转体转动时，涡流传感器将输出周期信号，经放大、整形后，可用频率计指示出频率值f，该值与转速有关，从而可得转速n=60 f/z 式中 z旋转体的齿数,3温度测量,导体的电阻率与温度的关系是较复杂的，然而在小的温度范围内可以用下式表示：,若能测量出导体电阻率的变化，就可以求得导体的温度变化。,这种方法主要适用于磁性材料的温度测量。,添加温度敏感元件,4生产工件加工定位,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。,
