第四章電感式傳感器

1、湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研 室室 第四章第四章 電感式傳感器電感式傳感器 本章的主要內(nèi)容有：本章的主要內(nèi)容有： 1.自感式電感傳感器的結(jié)構(gòu)原理；自感式電感傳感器的結(jié)構(gòu)原理； 2.互感式電感傳感器的結(jié)構(gòu)原理；互感式電感傳感器的結(jié)構(gòu)原理； 3. 電感傳感器的典型測量電路；電感傳感器的典型測量電路； 4. 電感傳感器的主要應(yīng)用；電感傳感器的主要應(yīng)用； 湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研 室室 電感式傳感器電感式傳感器是利用被測量的變化引起線圈自感或互感 系數(shù)的變化，導(dǎo)致線圈電感量改變來實(shí)現(xiàn)測量的。 分類分類: : 電感式傳感器電感式傳感器自感型自感型 互感型互感型

2、 變面積型電 傳感器 螺線管型電 傳感器 變間隙型電 傳感器 湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研 室室 4.1 自感式電感傳感器自感式電感傳感器 自感式電感傳感器常見的形式自感式電感傳感器常見的形式: 變隙式變隙式 變截面式變截面式 螺線管式螺線管式 湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研 室室 4.1 自感式電感傳感器自感式電感傳感器 先看一個(gè)實(shí)驗(yàn)：先看一個(gè)實(shí)驗(yàn)： 將一只將一只380V交流接觸器線圈與交流毫安表串聯(lián)后，接交流接觸器線圈與交流毫安表串聯(lián)后，接 到機(jī)床用控制變壓器的到機(jī)床用控制變壓器的36V交流電壓源上，如圖交流電壓源上，如圖4-1所示。所示。 這時(shí)毫安表

3、的示值約為幾十毫安。用手慢慢將接觸器的活這時(shí)毫安表的示值約為幾十毫安。用手慢慢將接觸器的活 動(dòng)鐵心（稱為銜鐵）往下按，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)毫安表的讀數(shù)逐動(dòng)鐵心（稱為銜鐵）往下按，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)毫安表的讀數(shù)逐 漸減小。當(dāng)銜鐵與固定鐵心之間的氣隙等于零時(shí)，毫安表漸減小。當(dāng)銜鐵與固定鐵心之間的氣隙等于零時(shí)，毫安表 的讀數(shù)只剩下十幾毫安。的讀數(shù)只剩下十幾毫安。 電感傳感器的基本工作電感傳感器的基本工作原理演示原理演示 F F 220V 準(zhǔn)備工作準(zhǔn)備工作 電感傳感器的基本工作電感傳感器的基本工作原理演示原理演示 氣隙變小，電感變大，電流變小氣隙變小，電感變大，電流變小 F F 湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研湖北汽車工業(yè)學(xué)院

4、自控教研 室室 4.1 自感式電感傳感器自感式電感傳感器 自感式電感傳感器有變間隙型、 變面積型和螺管型三種。 4.1.1 原理分析原理分析 4.1.1.1 變間隙型電感傳感器變間隙型電感傳感器 它的結(jié)構(gòu)示意圖如右圖所示。 工作時(shí)銜鐵與被測物體連接，被測 物體的位移將引起空氣隙的變化， 導(dǎo)致了線圈電感量的變化。線圈的 電感可用下式表示： m R N L 2 湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研 室室 線圈的電感值可近似地表示為 因此，其靈敏度隨氣隙的增大而減小。 忽略磁路鐵損，則磁路總磁阻為 AA l A l Rm 02 2 1 1 2 AA l A l N R N L m 02

5、2 1 1 22 2 2 0 2 AN L 因此： 湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研 室室 鐵心與銜鐵之間相對覆蓋面積隨被測量的變化 面改變，導(dǎo)致線圈的電感量發(fā)生變化，這種形式稱 之為變面積型電感傳感器，見圖4.1.2。L與是非 線性的，但與A成正比，特性曲線參見圖4.1.3。 1 2 3 L , A L=f(A) L=f() 圖4.1.3 電感傳感器特性圖4.1.2 變面積型電感傳感器 1-銜鐵 2-鐵芯 3-線圈 可變導(dǎo)磁面積型可變導(dǎo)磁面積型 4.1.1.2 4.1.1.2 變面積型電感傳感器變面積型電感傳感器 湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研 室室 湖北汽

6、車工業(yè)學(xué)院自控教研湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研 室室 下圖為其結(jié)構(gòu)原理圖，銜鐵隨被測物移動(dòng)，引起 磁阻發(fā)生變化，導(dǎo)致電感量改變。 l r x 2ra 1 2 圖 4.1.4 螺 管 型 電 感 傳 感 器 1-線 圈 2-銜 鐵 線圈電感量與銜鐵進(jìn)入線圈 的長度可表示為 4.1.1.3 螺管型電感式傳感器螺管型電感式傳感器 通過以上分析可得結(jié)論通過以上分析可得結(jié)論: : 變間隙型靈敏度較高,但非線性誤差 較大； 變面積型靈敏度較小,但線性較好,量 程較大； 螺管型靈敏度較低,但量程大且結(jié)構(gòu) 簡單。 22 2 22 ) 1( 4 aam rllr l N L 湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研湖北汽車工業(yè)學(xué)院

7、自控教研 室室 用兩個(gè)相同的傳感線圈共用一個(gè)銜鐵,構(gòu)成差動(dòng)式 電感傳感器,這樣可以提高傳感器的靈敏度,減小測量 誤差。下圖是變間隙型、變面積型及螺管型三種類型 的差動(dòng)結(jié)構(gòu)。 l2 3 4 a)b) l 23 4 l 3 4 c) 圖4.1.5 差動(dòng)式電感傳感器 a) 變間隙型 b) 變面積型 c) 螺管型 1-線圈 2-鐵芯 3-銜鐵 4-導(dǎo)桿 4.1.1.4 差動(dòng)式電感傳感器差動(dòng)式電感傳感器 湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研 室室 湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研 室室 4.1.2 測量電路測量電路 差動(dòng)式結(jié)構(gòu)可以提高靈敏度，改善線性，所以交 流電橋大多采用雙

8、臂工作形式。下圖是交流電橋的幾 種常用形式。 湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研 室室 當(dāng)LR時(shí)，上式可近似為： 可見可見: :交流電橋的輸出電壓與傳感器線圈電感的相對變 化量成正比。 電阻平衡臂電橋如上圖a所示，工作時(shí)， Z1=Z+Z和Z2=Z-Z，當(dāng)ZL時(shí)，電橋 的輸出電壓為: Z ZU U RZZ ZZRRZ U RR R U ZZ Z U 22)( )(2 . . 21 211 . 21 1 . 21 1 0 . L LU U 2 . 0 . 4.1.2.1 電阻平衡臂電橋電阻平衡臂電橋 湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研 室室 由于Z1=Z-Z，Z2=Z+

9、Z，故： 同理，當(dāng)銜鐵上移時(shí)，則有： 變壓器式電橋如前圖b，當(dāng)負(fù)載阻抗無 窮大時(shí)輸出電壓為： 21 12 . 2 21 . . 2 0 . 222ZZ ZZUU Z ZZ UU IZU Z ZU U 2 . 0 . Z ZU U 2 . 0 . 4.1.2.2 4.1.2.2 變壓器式電橋變壓器式電橋 可見可見: :輸出電壓反映了傳感器線圈阻抗的變化，還需辯向。 湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研 室室 該電橋如前圖c所示。它以差動(dòng) 電感傳感器的兩個(gè)線圈作電橋工作 臂，而緊耦合的兩個(gè)電感作為固定 臂組成電橋電路。采用這種測量電 路可以消除與電感臂并聯(lián)的分布電 容對輸出信號的影響，

10、使電橋平衡 穩(wěn)定，另外簡化了接地和屏蔽的問 題。 4.1.2.3 緊耦合電感臂電橋緊耦合電感臂電橋 湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研 室室 4.2 差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器 1.1.工作原理工作原理: :互感現(xiàn)象互感現(xiàn)象 Ew Eout W W1 W2 Es x-x 湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研 室室 差動(dòng)變壓器式傳感器構(gòu)成差動(dòng)變壓器式傳感器構(gòu)成 該類型的傳感器主 要包括有銜鐵、一次繞 組和二次繞組等。 一、二次繞組間的耦合能隨銜鐵的移動(dòng)而變化，即繞組 間的互感隨被測位移改變而變化。由于在使用時(shí)采用兩個(gè)二 次繞組反向串接，以差動(dòng)方式輸出，所以把這種傳感器稱為 差

11、動(dòng)變壓器式電感傳感器，通常簡稱差動(dòng)變壓器。 4.2 差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器 E w Eout 湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研 室室 2. 等效電路等效電路 L 21 E 2 L 22 E 22 E 21 U 1 R 22 R 21 R 1 M 1 M 2 11 1 1 LjR u i 1121 iMje 1222 iMje 1 121 1 212 1 m R NN i N M 2 122 1 222 2 m R NN i N M 11 1 2122212 )( LjR u MMjeeu 4.2 差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器 L1 湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研 室室

12、（3） 當(dāng)銜鐵向二次繞組L22一邊移動(dòng)時(shí)輸出也不為零，但由于 移動(dòng)方向改變，所以輸出電動(dòng)勢反相。因此通過差動(dòng)變壓器輸 出電動(dòng)勢的大小和相位可以知道銜鐵位移量的大小和方向。 （1）當(dāng)銜鐵處于中間位置時(shí)，兩個(gè)二次繞組互感相同，所以 差動(dòng)輸出電動(dòng)勢為零。 （2）當(dāng)銜鐵移向二次繞組L21一邊時(shí)，輸出不為零，在量程內(nèi) 移動(dòng)量越大，輸出量就越大。 2. 等效電路等效電路 4.2 差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器 11 1 2122212 )( LjR u MMjeeu 湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研 室室 差動(dòng)變壓器的輸出特性曲線差動(dòng)變壓器的輸出特性曲線 如左圖所示，其中E2 的實(shí)線表示理想的輸出特

13、 性，而虛線部分表示實(shí)際 的輸出特性。E0為零點(diǎn)殘 余電動(dòng)勢。 零點(diǎn)殘余使得傳感器 的輸出特性在零點(diǎn)附近不 靈敏，給測量帶來誤差， 它的大小是衡量差動(dòng)變壓 器性能好壞的重要指標(biāo)。 4.2 差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器 湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研 室室 減小零點(diǎn)殘余的方法：減小零點(diǎn)殘余的方法： 盡可能保證傳感器幾何尺寸、線圈電 氣參數(shù)及磁路的對稱。磁性材料要經(jīng)過 處理，消除內(nèi)部的殘余應(yīng)力，使其性能 均勻穩(wěn)定。 選用合適的測量電路，如采用相敏整 流電路。既可判別銜鐵移動(dòng)方向又可改 善輸出特性，減小零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢。 采用補(bǔ)償線路減小零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢在 差動(dòng)變壓器二次側(cè)串、并聯(lián)適當(dāng)數(shù)值的

14、電阻電容元件，當(dāng)調(diào)整這些元件時(shí)，可 使零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢減小。 4.2 差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器 湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研 室室 3 常用測量電路常用測量電路 測量轉(zhuǎn)換電路的作用是將電感量的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流 的變化，以便用儀表指示出來。但若僅采用電橋電路和普通的 檢波電路，則只能判別位移的大小，卻無法判別輸出的相位和 位移的方向。 如果在輸出電壓送到指示儀前，經(jīng)過一個(gè)能判別相位判別相位的檢 波電路，則不但可以反映位移的大小位移的大?。ǚ担?，還可以反映位位 移的方向移的方向（相位）。這種檢波電路稱為相敏檢波電路相敏檢波電路。 4.2 差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器 11 1 2122

15、212 )( LjR u MMjeeu 湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研 室室 差動(dòng)相敏檢波電路差動(dòng)相敏檢波電路 3 常用測量電路常用測量電路 4.2 差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器 圖圖3-7 3-7 相敏檢波相敏檢波輸出特性曲線輸出特性曲線 a）非相敏檢波）非相敏檢波 b）相敏檢波）相敏檢波 1理想特性曲線理想特性曲線 2實(shí)際特性曲線實(shí)際特性曲線 湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研 室室 差動(dòng)相敏檢波電路差動(dòng)相敏檢波電路 相敏檢波電路要求比較電壓與差動(dòng)變壓器二次側(cè)輸出電 壓的頻率相同，相位相同或相反。另外還要求比較電壓的幅 值盡可能大，一般情況下，其幅值應(yīng)為信號電壓的3

16、5倍。 3 常用測量電路常用測量電路 4.2 差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器 湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研 室室 差動(dòng)整流電路差動(dòng)整流電路 電路是以兩個(gè)橋電路是以兩個(gè)橋 路整流后的直流電壓路整流后的直流電壓 之差作為輸出的，所之差作為輸出的，所 以稱為以稱為差動(dòng)整流電路差動(dòng)整流電路。 它不但可以反映位移它不但可以反映位移 的大小（電壓的幅的大?。妷旱姆?值），還可以反映位值），還可以反映位 移的方向。移的方向。 3 常用測量電路常用測量電路 4.2 差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器 湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研 室室 差動(dòng)整流電路差動(dòng)整流電路 圖中的RP是用來微調(diào) 電路平衡

17、的， VD1VD4、 VD5VD8組成普通橋式整 流電路， 3、4、3、 4組成低通濾波電路，1 及21、22、f、23組 成差動(dòng)減法放大器，用于 克服a、b兩點(diǎn)的對地共模 電壓。 3 常用測量電路常用測量電路 4.2 差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器 軸向式電感測微器的外形軸向式電感測微器的外形 : 航空插頭航空插頭 紅寶石測頭紅寶石測頭 4 差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用 其他電感測微頭其他電感測微頭: 4.2 差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器 模擬式及數(shù)字式電感測微儀模擬式及數(shù)字式電感測微儀: 4 差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用 4.2 差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器 11引線電纜引線

18、電纜 22固定磁筒固定磁筒 33銜鐵銜鐵 44線圈線圈 55測力彈簧測力彈簧 66防轉(zhuǎn)銷防轉(zhuǎn)銷 77鋼球?qū)к墸ㄖ本€軸承）鋼球?qū)к墸ㄖ本€軸承） 88測桿測桿 99密封套密封套 1010測端測端 1111被測工件被測工件 12 12基準(zhǔn)面基準(zhǔn)面 軸向式電感測微器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)軸向式電感測微器的內(nèi)部結(jié)構(gòu): 4 差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用 4.2 差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器 (11.11) 電感式滾柱直徑分選裝置 圖圖3-14 滾柱直徑分選裝置滾柱直徑分選裝置 11氣缸氣缸 22活塞活塞 33推桿推桿 44被測滾柱被測滾柱 55落料管落料管 66電感測電感測 微器微器 77鎢鋼測頭鎢鋼測頭

19、 8 8限位擋板限位擋板 99電磁翻板電磁翻板 1010容器（料斗）容器（料斗） 4 差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用 4.2 差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器 電感式滾柱直徑分選裝置 測微儀測微儀 圓柱滾子圓柱滾子 4 差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用 4.2 差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器 電感式滾柱直徑分選裝置（外形） 滑道滑道 分選倉位分選倉位 軸承滾子外形軸承滾子外形 （參考中原量儀股份有限公司資料）（參考中原量儀股份有限公司資料） 4 差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用 4.2 差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器 電感式滾柱直徑分選裝置外形 落料振動(dòng)臺(tái)落料振動(dòng)臺(tái) 滑道滑道

20、 11個(gè)分選倉位個(gè)分選倉位 （參考無錫市通達(dá)滾（參考無錫市通達(dá)滾 子有限公司資料）子有限公司資料） 廢料倉廢料倉 4 差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用 4.2 差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器 電感式滾柱直徑分選裝置外形 汽缸汽缸 控制鍵盤控制鍵盤 直徑測微裝置直徑測微裝置 長度測微裝置長度測微裝置 滑道滑道 電感式滾柱直徑分選裝置（機(jī)械結(jié)構(gòu)放大）電感式滾柱直徑分選裝置（機(jī)械結(jié)構(gòu)放大） 4 差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用 4.2 差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器 機(jī)械及氣動(dòng)元件機(jī)械及氣動(dòng)元件 電感測微器電感測微器 汽缸汽缸 氣水分離器氣水分離器 （供氣三聯(lián)件）（供氣三聯(lián)件） 儲(chǔ)氣罐儲(chǔ)

21、氣罐 導(dǎo)氣管導(dǎo)氣管 氣壓表氣壓表 （0.4MPa左右）左右） 4 差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用 4.2 差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器 電感傳感器在仿形機(jī)床中的應(yīng)用 n1標(biāo)準(zhǔn)靠模樣板標(biāo)準(zhǔn)靠模樣板 n 2測端（靠模輪）測端（靠模輪） n 3電感測微器電感測微器 n 4銑刀龍門框架銑刀龍門框架 n 5立柱立柱 n 6伺服電動(dòng)機(jī)伺服電動(dòng)機(jī) n 7銑刀銑刀 n 8毛坯毛坯 4 差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用 4.2 差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器 電感傳感器在仿形機(jī)床中的應(yīng)用 仿形銑床外形仿形銑床外形 仿形機(jī)床采用閉環(huán)工仿形機(jī)床采用閉環(huán)工 作方式作方式 仿形頭仿形頭 主主 軸軸 4

22、差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用 4.2 差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器 電感傳感器在仿形機(jī)床中的應(yīng)用 仿形車床原理仿形車床原理 4 差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用 4.2 差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器 電感式不圓度計(jì)原理 該圓度計(jì)采用旁向式電感測微頭該圓度計(jì)采用旁向式電感測微頭 4 差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用 4.2 差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器 電感式不圓度計(jì)原理 電感式不圓度測試系統(tǒng)電感式不圓度測試系統(tǒng) 旁向式電感測微頭旁向式電感測微頭 4 差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用 4.2 差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器 電感式不圓度計(jì)原理 電感式不圓度測量系

23、統(tǒng)外形電感式不圓度測量系統(tǒng)外形 （參考洛陽匯智測控技術(shù)有限公司資料）（參考洛陽匯智測控技術(shù)有限公司資料） 旋轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)盤 測量頭測量頭 4 差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用 4.2 差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器 不圓度測量打印不圓度測量打印 電感式不圓度計(jì)原理 4 差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用 4.2 差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器 壓力測量 1壓力輸入接頭壓力輸入接頭 2波紋膜盒波紋膜盒 3電纜電纜 4印制線路板印制線路板 5差動(dòng)線圈差動(dòng)線圈 6銜鐵銜鐵 7電源變壓器電源變壓器 8罩殼罩殼 9指示燈指示燈 10密封隔板密封隔板 11安裝底座安裝底座 4 差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)

24、用差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用 4.2 差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器 壓力測量 壓力測量用的膜盒壓力測量用的膜盒 膜盒由兩片波紋膜片焊接而成。所謂波紋膜片是一膜盒由兩片波紋膜片焊接而成。所謂波紋膜片是一 種壓有同心波紋的圓形薄膜。當(dāng)膜片四周固定，兩側(cè)種壓有同心波紋的圓形薄膜。當(dāng)膜片四周固定，兩側(cè) 面存在壓差時(shí)，膜片將彎向壓力低的一側(cè)，因此能夠面存在壓差時(shí)，膜片將彎向壓力低的一側(cè)，因此能夠 將壓力變換為直線位移。將壓力變換為直線位移。 4 差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用 4.2 差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器 某一壓力變送器的測量電路某一壓力變送器的測量電路 壓力測量 4 差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用差

25、動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用 4.2 差動(dòng)變壓器差動(dòng)變壓器 湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研 室室 湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研 室室 它能實(shí)現(xiàn)非接觸測量，如位移、振動(dòng)、厚度、轉(zhuǎn)速、 應(yīng)力、硬度等參數(shù)。這種傳感器還可用于無損探傷。原 理如下圖示。 這是一種建立在這是一種建立在渦流效應(yīng)渦流效應(yīng)原理上的傳感器原理上的傳感器。 4.3 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研 室室 如下圖，當(dāng)通過金屬體的磁通變化時(shí)，就會(huì)在導(dǎo)體中產(chǎn)如下圖，當(dāng)通過金屬體的磁通變化時(shí)，就會(huì)在導(dǎo)體中產(chǎn) 生感生電流，這種電流在導(dǎo)體中是自行閉合的，這就是所生感

26、生電流，這種電流在導(dǎo)體中是自行閉合的，這就是所 謂謂電渦流電渦流。電渦流的產(chǎn)生必然要消耗一部分能量，從而使。電渦流的產(chǎn)生必然要消耗一部分能量，從而使 產(chǎn)生磁場的線圈阻抗發(fā)生變化，這一物理現(xiàn)象稱為產(chǎn)生磁場的線圈阻抗發(fā)生變化，這一物理現(xiàn)象稱為渦流效渦流效 應(yīng)應(yīng)。 線圈的阻抗變化與線圈的阻抗變化與導(dǎo)導(dǎo) 體的電導(dǎo)率體的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率、 幾何形狀幾何形狀，線圈的幾何線圈的幾何 參數(shù)參數(shù)，激勵(lì)電流頻率激勵(lì)電流頻率以以 及及線圈到被測導(dǎo)體間的線圈到被測導(dǎo)體間的 距離距離等因素有關(guān)。等因素有關(guān)。 4.3.1 結(jié)構(gòu)原理與特性結(jié)構(gòu)原理與特性 )( 、rIxf LjRZ 湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研湖北汽車工業(yè)學(xué)

27、院自控教研 室室 M R1R2 L2L1 U1 I1 I2 當(dāng)電渦流線圈與金屬當(dāng)電渦流線圈與金屬 板的距離板的距離x x 減小時(shí)，電渦減小時(shí)，電渦 流線圈的等效電感流線圈的等效電感L L減小，減小， 等效電阻等效電阻R R 增大。感抗增大。感抗 X XL L 的變化比的變化比R R的變化大的變化大 得多，流過電渦流線圈得多，流過電渦流線圈 的電流的電流 i i1 1 增大。增大。 uMijiLjiR 21111 0 22221 iLjiRMij )( )( )( )( 2 2 2 2 2 21 2 2 2 2 2 21 LR M LLj LR M RRZ 4.3.1 結(jié)構(gòu)原理與特性結(jié)構(gòu)原理與特

28、性 湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研 室室 M R1R2 L2L1 U1 I1 I2 線圈與金屬導(dǎo)體系統(tǒng)的線圈與金屬導(dǎo)體系統(tǒng)的阻抗、電感都是該系統(tǒng)互感平方 的函數(shù)。而互感是隨線圈與金屬導(dǎo)體間距離的變化而改變的而互感是隨線圈與金屬導(dǎo)體間距離的變化而改變的。 當(dāng)電渦流線圈與金屬板當(dāng)電渦流線圈與金屬板 的距離的距離x x 減小時(shí)，電渦流線減小時(shí)，電渦流線 圈的等效電感圈的等效電感L L減小，等效減小，等效 電阻電阻R R 增大。感抗增大。感抗X XL L 的變化的變化 比比R R的變化大得多，流過電的變化大得多，流過電 渦流線圈的電流渦流線圈的電流 i i1 1 增大。增大。 )(

29、)( )( )( 2 2 2 2 2 21 2 2 2 2 2 21 LR M LLj LR M RRZ 4.3.1 結(jié)構(gòu)原理與特性結(jié)構(gòu)原理與特性 湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研 室室 高頻反射式電渦流傳傳感器高頻反射式電渦流傳傳感器 1 1、結(jié)構(gòu)：由一個(gè)固定在框架上的扁平線圈組成。、結(jié)構(gòu)：由一個(gè)固定在框架上的扁平線圈組成。 4.3.1 結(jié)構(gòu)原理與特性結(jié)構(gòu)原理與特性 (10.15) 集膚效應(yīng)集膚效應(yīng)與激勵(lì)與激勵(lì) 源頻率源頻率f f、工件的電導(dǎo)、工件的電導(dǎo) 率率、磁導(dǎo)率、磁導(dǎo)率等有等有 關(guān)。頻率關(guān)。頻率f f越高，電渦越高，電渦 流的滲透的深度就越流的滲透的深度就越 淺，集膚效

30、應(yīng)越嚴(yán)重。淺，集膚效應(yīng)越嚴(yán)重。 湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研 室室 1. 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 傳感器包括發(fā)射和接收線圈，并分別位于被測材料上、傳感器包括發(fā)射和接收線圈，并分別位于被測材料上、 下方。下方。 低頻透射式電渦流傳感器低頻透射式電渦流傳感器 這種傳感器采用低頻激勵(lì)，因而有較大的貫穿深度，這種傳感器采用低頻激勵(lì)，因而有較大的貫穿深度， 適合于測量金屬材料的厚度。適合于測量金屬材料的厚度。 2. 原理原理 由振蕩器產(chǎn)生的由振蕩器產(chǎn)生的e1加到發(fā)射加到發(fā)射 線圈線圈L1兩端。若兩線圈間無金屬兩端。若兩線圈間無金屬 導(dǎo)體，則導(dǎo)體，則L L2的磁力能較多穿過的磁力能較多穿過L L2，

31、 在在L L2上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓e e2最大。最大。 4.3.1 結(jié)構(gòu)原理與特性結(jié)構(gòu)原理與特性 湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研 室室 如果在兩個(gè)線圈之間設(shè)置一金如果在兩個(gè)線圈之間設(shè)置一金 屬板，由于在金屬板內(nèi)產(chǎn)生電渦流，屬板，由于在金屬板內(nèi)產(chǎn)生電渦流， 該電渦流消耗了部分能量，使到達(dá)該電渦流消耗了部分能量，使到達(dá) 線圈線圈L2的磁力線減小，從而引起的磁力線減小，從而引起e2 的下降。的下降。 線圈線圈L2的感應(yīng)電壓與被測厚度的增大按負(fù)冪指數(shù)的規(guī)律減小，的感應(yīng)電壓與被測厚度的增大按負(fù)冪指數(shù)的規(guī)律減小， 為了較好地進(jìn)行厚度測量，激勵(lì)頻率應(yīng)選得較低。頻率太高，貫為了較

32、好地進(jìn)行厚度測量，激勵(lì)頻率應(yīng)選得較低。頻率太高，貫 穿深度小于被測厚度，不利進(jìn)行厚度測量，通常選穿深度小于被測厚度，不利進(jìn)行厚度測量，通常選1kHz左右。左右。 低頻透射式電渦流傳感器低頻透射式電渦流傳感器 4.3.1 結(jié)構(gòu)原理與特性結(jié)構(gòu)原理與特性 2. 原理原理 (續(xù)續(xù)) 湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研 室室 4.3.2 測量電路測量電路 4.3.2.1 電橋電路電橋電路 在進(jìn)行測量時(shí)，由于傳感器線圈的阻抗發(fā)生變化，使電 橋失去平衡，將電橋不平衡造成的輸出信號進(jìn)行放大并檢波， 就可得到與被測量成正比的輸出。 4.3.2.2 諧振法。諧振法。 諧振法主要有調(diào)幅式調(diào)幅式電路和調(diào)

33、頻式調(diào)頻式電路兩種基本形式。 調(diào)幅式由于采用了石英晶體振蕩器，因此穩(wěn)定性較高，而調(diào) 頻式結(jié)構(gòu)簡單，便于遙測和數(shù)字顯示。 湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研 室室 4.3.2 測量電路測量電路 4.3.2.2 諧振法諧振法(續(xù)續(xù)) 調(diào)幅調(diào)幅(AM)(AM)式電路式電路 石英振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)頻、穩(wěn)幅高頻振蕩電壓石英振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)頻、穩(wěn)幅高頻振蕩電壓(100kHz1MHz(100kHz1MHz）用）用 于激勵(lì)電渦流線圈。金屬材料在高頻磁場中產(chǎn)生電渦流，引起電于激勵(lì)電渦流線圈。金屬材料在高頻磁場中產(chǎn)生電渦流，引起電 渦流線圈端電壓的衰減，再經(jīng)高放、檢波、低放電路，最終輸出渦流線圈端電壓的衰減，

34、再經(jīng)高放、檢波、低放電路，最終輸出 的直流電壓的直流電壓U Uo o反映了金屬體對電渦流線圈的影響（例如兩者之間反映了金屬體對電渦流線圈的影響（例如兩者之間 的距離等參數(shù)）。的距離等參數(shù)）。 湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研 室室 用電渦流探頭、調(diào)用電渦流探頭、調(diào) 幅法測量簡諧振動(dòng)時(shí)，幅法測量簡諧振動(dòng)時(shí)， 探頭的輸出波形。探頭的輸出波形。 湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研 室室 人的手、泥人的手、泥 土或裝滿水的玻土或裝滿水的玻 璃杯能對振蕩器璃杯能對振蕩器 的振幅產(chǎn)生明顯的振幅產(chǎn)生明顯 的衰減嗎？為什的衰減嗎？為什 么？么？ 部分常用材料對振蕩器振幅的衰減系數(shù)

35、部分常用材料對振蕩器振幅的衰減系數(shù) 4.3.2 測量電路測量電路 4.3.2.2 諧振法諧振法(續(xù)續(xù)) 調(diào)幅調(diào)幅(AM)(AM)式電路式電路 湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研 室室 4.3.2 測量電路測量電路 4.3.2.2 諧振法諧振法(續(xù)續(xù)) 調(diào)頻（調(diào)頻（FMFM）式電路）式電路(100kHz1MHz(100kHz1MHz） 當(dāng)電渦流線圈與被測體的距離當(dāng)電渦流線圈與被測體的距離x 改變時(shí)，電渦流線圈的電感量改變時(shí)，電渦流線圈的電感量 L 也隨之改變，引起也隨之改變，引起LC 振蕩器的輸出頻率變化，此頻率可直接用振蕩器的輸出頻率變化，此頻率可直接用 計(jì)算機(jī)測量。如果要用模擬

36、儀表進(jìn)行顯示或記錄時(shí)，必須使用鑒頻計(jì)算機(jī)測量。如果要用模擬儀表進(jìn)行顯示或記錄時(shí)，必須使用鑒頻 器，將器，將 f轉(zhuǎn)換為電壓轉(zhuǎn)換為電壓 Uo 。 0 2 1 LC f 湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研 室室 振幅 湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研 室室 可用于測量壓力、力、壓差、加速度、振動(dòng)、應(yīng)變、流量、 厚度、液位等物理量。 4.4.1 位移測量位移測量 4.4 電感式傳感器的典型應(yīng)用電感式傳感器的典型應(yīng)用 電渦流位移傳感器是一種輸出為模擬電壓的電子器件。接電渦流位移傳感器是一種輸出為模擬電壓的電子器件。接 通電源后，在電渦流探頭的有效面（感應(yīng)工作面）將產(chǎn)生一個(gè)通

37、電源后，在電渦流探頭的有效面（感應(yīng)工作面）將產(chǎn)生一個(gè) 交變磁場。交變磁場。 當(dāng)金屬物體接近此感應(yīng)面時(shí)，金屬表面將吸取電渦當(dāng)金屬物體接近此感應(yīng)面時(shí)，金屬表面將吸取電渦 流探頭中的高頻振蕩能量，使振蕩器的輸出幅度線性地衰減，流探頭中的高頻振蕩能量，使振蕩器的輸出幅度線性地衰減， 根據(jù)衰減量的變化，可地計(jì)算出與被檢物體的距離、振動(dòng)等參根據(jù)衰減量的變化，可地計(jì)算出與被檢物體的距離、振動(dòng)等參 數(shù)。這種位移傳感器屬于非接觸測量，工作時(shí)不受灰塵等非金數(shù)。這種位移傳感器屬于非接觸測量，工作時(shí)不受灰塵等非金 屬因素的影響，壽命較長，可在各種惡劣條件下使用。屬因素的影響，壽命較長，可在各種惡劣條件下使用。 湖北汽

38、車工業(yè)學(xué)院自控教研湖北汽車工業(yè)學(xué)院自控教研 室室 可用于測量壓力、力、壓差、加速度、振動(dòng)、應(yīng)變、流量、 厚度、液位等物理量。 4.4.1 位移測量位移測量 4.4 電感式傳感器的典型應(yīng)用電感式傳感器的典型應(yīng)用 位移測量儀位移測量儀 位移測量包含：位移測量包含： 偏心、間隙、位置、偏心、間隙、位置、 傾斜、彎曲、變形、移傾斜、彎曲、變形、移 動(dòng)、圓度、沖擊、偏心動(dòng)、圓度、沖擊、偏心 率、沖程、寬度等等。率、沖程、寬度等等。 來自不同應(yīng)用領(lǐng)域的許來自不同應(yīng)用領(lǐng)域的許 多量都可歸結(jié)為位移或多量都可歸結(jié)為位移或 間隙變化。間隙變化。 420mA電渦流位移傳感器外形電渦流位移傳感器外形 （參考德國圖爾克

39、公司資料）（參考德國圖爾克公司資料） 齊平式電渦流位移齊平式電渦流位移傳感器外形傳感器外形（參考德國圖爾克公司資料）（參考德國圖爾克公司資料） 齊平式傳感器安裝時(shí)可以不高出安裝面，不易被損害。齊平式傳感器安裝時(shí)可以不高出安裝面，不易被損害。 V V系列系列電渦流位移電渦流位移傳感器外形傳感器外形（參考浙江洞頭開關(guān)廠資料）（參考浙江洞頭開關(guān)廠資料） 齊平式齊平式 V V系列系列電渦流位移電渦流位移傳感器性能一覽表傳感器性能一覽表 （摘自洞頭開關(guān)廠資料）（摘自洞頭開關(guān)廠資料） 某某V V系列電渦流位移傳感器的機(jī)械圖系列電渦流位移傳感器的機(jī)械圖 四線制電渦流位移傳感器的接線說明四線制電渦流位移傳感器

40、的接線說明 該位移傳感器同時(shí)具備兩種動(dòng)作輸出狀態(tài)，用該位移傳感器同時(shí)具備兩種動(dòng)作輸出狀態(tài)，用 戶可選擇從高電壓向低電壓轉(zhuǎn)變、和從低電壓向高戶可選擇從高電壓向低電壓轉(zhuǎn)變、和從低電壓向高 電壓轉(zhuǎn)變兩種方式，分別稱為電壓轉(zhuǎn)變兩種方式，分別稱為NPNNPN和和PNPPNP輸出模式。輸出模式。 電渦流位移傳感器的應(yīng)用電渦流位移傳感器的應(yīng)用 電渦流探頭線圈的阻抗受諸多因素影響，例如金電渦流探頭線圈的阻抗受諸多因素影響，例如金 屬材料的厚度、尺寸、形狀、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、表面屬材料的厚度、尺寸、形狀、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、表面 因素、距離等。只要固定其他因素就可以用電渦流傳因素、距離等。只要固定其他因素就可以用電渦

41、流傳 感器來測量剩下的一個(gè)因素。因此電渦流傳感器的應(yīng)感器來測量剩下的一個(gè)因素。因此電渦流傳感器的應(yīng) 用領(lǐng)域十分廣泛。但也同時(shí)帶來許多不確定因素，一用領(lǐng)域十分廣泛。但也同時(shí)帶來許多不確定因素，一 個(gè)或幾個(gè)因素的微小變化就足以影響測量結(jié)果。所以個(gè)或幾個(gè)因素的微小變化就足以影響測量結(jié)果。所以 電渦流傳感器多用于定性測量。電渦流傳感器多用于定性測量。 即使要用作即使要用作 定定 量量 測測 量，也必須采用逐點(diǎn)標(biāo)定、計(jì)算機(jī)線性糾正、溫度補(bǔ)量，也必須采用逐點(diǎn)標(biāo)定、計(jì)算機(jī)線性糾正、溫度補(bǔ) 補(bǔ)償?shù)却胧?。補(bǔ)償?shù)却胧?位移傳感器的分類位移傳感器的分類 偏心和振動(dòng)檢測偏心和振動(dòng)檢測 通過測量間隙來測量徑向跳動(dòng)通過

42、測量間隙來測量徑向跳動(dòng) 測量彎曲、波動(dòng)、變形測量彎曲、波動(dòng)、變形 對橋梁、絲桿等機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動(dòng)測量，對橋梁、絲桿等機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動(dòng)測量， 須使用多個(gè)傳感器。須使用多個(gè)傳感器。 測量金屬薄膜、板材厚度電渦流測厚儀測量金屬薄膜、板材厚度電渦流測厚儀 測量冷軋板厚度測量冷軋板厚度 測量尺寸、公差及零件識別測量尺寸、公差及零件識別 通過測量間隙來通過測量間隙來測定熱膨脹測定熱膨脹 引起的上下平移引起的上下平移 位移的標(biāo)定方法位移的標(biāo)定方法 使用千分尺，逐一對照測量電路的輸出電壓使用千分尺，逐一對照測量電路的輸出電壓 及數(shù)顯表讀數(shù)，列出對照表，存入計(jì)算機(jī)，從而及數(shù)顯表讀數(shù)，列出對照表，存入計(jì)算機(jī)，從而 達(dá)到線性化的目的。達(dá)到線性化的目的。 電渦流位移傳感器的距離電渦流位移傳感器的距離 與輸出電壓特性曲線與輸出電壓特性曲線 11量程為量程為10mm 210mm 2量程為量程為16mm 316mm 3量程為量程為20mm20mm 振動(dòng)測量振動(dòng)測量 汽輪機(jī)葉片測試汽輪機(jī)葉片測試 測量懸臂梁的測量懸臂梁的 振幅及頻率振幅及頻率 三、轉(zhuǎn)速測量三、轉(zhuǎn)速測量 若轉(zhuǎn)軸上開若轉(zhuǎn)軸上開