機(jī)電工程第四章

1、南昌航空大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院南昌航空大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院第四章 電感式傳感器電感式傳感器的工作原理：電磁感應(yīng)。 它是把被測量如位移等，轉(zhuǎn)換為電感量變化的一種裝置。按照轉(zhuǎn)換方式的不同，可分為自感式 、互感式和電渦流式三種。用途及特點：常用來測量位移、振動、壓力、應(yīng)變、流 量、比重等物理量參數(shù)。優(yōu)點：具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、壽命長、使用范圍廣缺點：存在交流零位信號，不適宜高頻動態(tài)測量。 南昌航空大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院南昌航空大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院F F 將一只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36V交流電壓源上，這時毫安表的示值約為幾十毫安。用手慢慢將接觸器的活動鐵心（稱為銜鐵）往下按，

2、我們會發(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，毫安表的讀數(shù)只剩下十幾毫安。 4 41 1自感式電感傳感器自感式電感傳感器南昌航空大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院南昌航空大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院基本工作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南昌航空大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院南昌航空大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院基本工作原理基本工作原理 當(dāng)鐵心的氣隙較大時，磁路的磁阻當(dāng)鐵心的氣隙較大時，磁路的磁阻RmRm也較大，線圈的電感量也較大，線圈的電感量L L和感抗和感抗X XL L 較小，所以電流較小，所以電流I I 較大。當(dāng)鐵心閉合時，磁阻變小、電感變大，電較大。當(dāng)鐵心閉合

3、時，磁阻變小、電感變大，電流減小。流減小。 (3 1)2LUUUIZXfL南昌航空大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院南昌航空大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院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 南昌航空大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院南昌航空大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院南昌航空大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院南昌航空大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院一、變氣隙式自感傳感器一、變氣隙式自感傳感器 根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)線圈中通以電流 i 時，產(chǎn)生磁通，其大小與電流成正比 式中，W線圈匝數(shù); L線圈電感，單位為亨(H)；根據(jù)磁路歐姆定律，磁通m為：所以，線圈電感(自感)可用下式計算:1、線圈電感的計算南昌航空大學(xué)航空

4、與機(jī)械學(xué)院南昌航空大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院如果空氣隙較小，而且不考慮磁路的鐵損時，則磁路總磁阻為： 式中: l導(dǎo)磁體 (鐵芯)的長度(m)； 鐵芯導(dǎo)磁率(H/m)；A鐵芯導(dǎo)磁橫截面積(m2); 空氣隙長度(m);0 空氣導(dǎo)磁率； A0空氣隙導(dǎo)磁橫截面積(m2)。2、磁路總磁阻的計算002imilRAA南昌航空大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院南昌航空大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院因為0，則因此，自感L可寫為：上式表明，自感L與氣隙成反比，而與氣隙導(dǎo)磁截面積A0成正比。當(dāng)固定A0不變，變化時，L 與呈非線性（雙曲線）關(guān)系。此時，傳感器的靈敏度為靈敏度S與氣隙長度的平方成反比，愈小，靈敏度愈高。由于S不是常數(shù)，故會出現(xiàn)非線性誤差，

5、為了減小這一誤差，通常規(guī)定在較小的范圍內(nèi)工作。002mRA2002WAL3、靈敏度分析、靈敏度分析00imilRAA南昌航空大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院南昌航空大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院例如，若間隙變化范圍為（ ），則靈敏度為 由上式可以看出，當(dāng) 時，靈敏度S趨于定值，即輸出與輸入近似成線性關(guān)系。實際應(yīng)用中，一般取 。這種傳感器適用于較小位移的測量，一般約為0.0011 mm.南昌航空大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院南昌航空大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院二、變面積式自感傳感器二、變面積式自感傳感器 若將變氣隙式自感傳感器的氣隙厚度保持不變，使氣隙導(dǎo)磁截面積A隨被測非電量而變，即構(gòu)成變面積式自感傳感器。 變面積式自感傳感器輸出特性呈線性，

6、因此測量范圍大。與變氣隙式相比，其靈敏度較低。欲提高靈敏度，初始?xì)庀逗穸?不能過大，但同樣受工藝和結(jié)構(gòu)的限制，0的選取與變氣隙式相同。工作原理演示南昌航空大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院南昌航空大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院變面積式自感傳感器工作原理動畫演示南昌航空大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院南昌航空大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院三、螺管式自感傳感器三、螺管式自感傳感器它與前兩種傳感器相比，有以下特點：結(jié)構(gòu)簡單，制造裝配容易；由于磁路大部分為空氣，易受外部磁場干擾； 由于空氣隙大，磁路磁阻大，固靈敏度較前兩種低，但線性范圍大；由于磁阻高，為了達(dá)到某一電感量，需要的線圈匝數(shù)多，因而線圈分布電容大；南昌航空大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院南昌航空大學(xué)航空與機(jī)

7、械學(xué)院四、差動式自感傳感器： 上述三種自感式傳感器，由于線圈電流的存在，銜鐵上始終作用有電磁吸力，影響測量準(zhǔn)確度；而且易受電源電壓、頻率的波動與溫度變化等外界干擾的影響，因此不適合精密測量。為了克服上述缺點，所以大都采用差動式。南昌航空大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院南昌航空大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院當(dāng)銜鐵向上移動時，兩個線圈的電感變化量L1、L2 曲線曲線1、2為為L1、L2 的特性，的特性，3為差動特性為差動特性南昌航空大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院南昌航空大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院結(jié)論：結(jié)論：1、提高靈敏度可一倍、提高靈敏度可一倍2、改善了線性特性、改善了線性特性3、補(bǔ)償、補(bǔ)償誤差誤差4、辨向、辨向南昌航空大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院南昌

8、航空大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院二、測量電路 u0(1) 交流電橋輸出空載電壓 2121121022ZZZZuuZZZuu初始平衡狀態(tài)，Z1=Z2=Z, u0=0銜鐵偏離中間零點時 ，、ZZZZZZ21)/()2/(0ZZuu使用元件少，輸出阻抗小, 獲得廣泛應(yīng)用 z2z1u/2u/2上一頁返 回下一頁南昌航空大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院南昌航空大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院傳感器銜鐵移動方向相反時 ，、ZZZZZZ21空載輸出電壓 )/()2/(0ZZuu兩種情況的輸出電壓大小相等，方向相反，即相位差180為了判別銜鐵位移方向，就是判別信號的相位，要在后續(xù)電路中配置相敏檢波器來解決 上一頁返 回下一頁南昌航空大學(xué)航空與機(jī)械

9、學(xué)院南昌航空大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院 （二（二)交流電橋的調(diào)幅作用交流電橋的調(diào)幅作用南昌航空大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院南昌航空大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院南昌航空大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院南昌航空大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院(三三)相敏檢波電路相敏檢波電路 通過相敏檢波電路可以得到一個大小和極性隨被測信號的幅值和極性通過相敏檢波電路可以得到一個大小和極性隨被測信號的幅值和極性變化的電壓，從而達(dá)到解調(diào)目的但相敏植波電路的輸出信號包含著被變化的電壓，從而達(dá)到解調(diào)目的但相敏植波電路的輸出信號包含著被測信號和載波為此，通常在相敏檢波電路后邊加一個低通慮波器把測信號和載波為此，通常在相敏檢波電路后邊加一個低通慮波器把調(diào)幅時引入的載彼濾掉，從而得

10、到放大后的被測信號調(diào)幅時引入的載彼濾掉，從而得到放大后的被測信號南昌航空大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院南昌航空大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院差動變壓器式傳感器的優(yōu)點是：測量精度高，可達(dá)0.1m；線性范圍大，可到100mm；穩(wěn)定性好，使用方便。因而被廣泛應(yīng)用于直線位移，或可能轉(zhuǎn)換為位移變化的壓力、重量等參數(shù)的測量。 南昌航空大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院南昌航空大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院南昌航空大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院南昌航空大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院南昌航空大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院南昌航空大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院差動變壓器是把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換成線圈互感量差動變壓器是把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換成線圈互感量的變化。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，的變化。這種

11、傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且次級繞組用差動的形式連接，故稱之為差動變壓并且次級繞組用差動的形式連接，故稱之為差動變壓器式傳感器。器式傳感器。 變隙式變隙式 變面積式變面積式 螺線管式螺線管式4 42 2互感式傳感器（差動變壓器）互感式傳感器（差動變壓器）南昌航空大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院南昌航空大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院變隙式差動變壓器變隙式差動變壓器 當(dāng)一次側(cè)線圈接入激勵電壓后，二次側(cè)線圈將產(chǎn)生感應(yīng)電壓輸出互感變化時，輸出電壓將作相應(yīng)變化 上一頁返 回下一頁兩個初級繞組的同名端順向串聯(lián)，而兩個次級繞組的同名端則反向串聯(lián)。南昌航空大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院南昌航空大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院當(dāng)沒有位移時，銜鐵C處于

12、初始平衡位置，它與兩個鐵芯的間隙為a0 =b0=0兩個次級繞組的互感電勢相等，即e2a=e2b。由于次級繞組反向串聯(lián)，因此，差動變壓器輸出電壓當(dāng)被測體有位移時，與被測體相連的銜鐵的位置將發(fā)生相應(yīng)的變化，使ab兩次級繞組的互感電勢e2ae2b，輸出電壓 電壓的大小反映了被測位移的大小，通過用相敏檢波等電路處理，使最終輸出電壓的極性能反映位移的方向。0222baeeU0222baeeU1. 1. 工作原理工作原理上一頁返 回下一頁南昌航空大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院南昌航空大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院一、工作原理：傳感器主要由線圈、鐵芯和活動銜鐵三個部分組成。線圈包括一個初級線圈和兩個反接的次級線圈，當(dāng)初級線圈輸入交

13、流激勵電壓時，次級線圈將產(chǎn)生感壓電動勢e1和e2。由于兩個次級線圈極性反接，因此，傳感器的輸出電壓為兩者之差，即ey=e1-e2。活動銜鐵能改變線圈之間的藕合程度。輸出ey的大小隨活動銜鐵的位置而變。當(dāng)活動銜鐵的位置居中時，即e1=e2，ey=0；當(dāng)活動銜鐵向上移時，即e1e2，ey0;當(dāng)活動銜鐵向下移時，即e1e2，eylMHz)激勵電流，產(chǎn)生的高頻磁場作用于金屬板的表面，由于集膚效應(yīng)，在金屬板表面將形成渦電流。與此同時，該渦流產(chǎn)生的交變磁場又反作用于線圈，引起線圈自感L或阻抗ZL的變化，其變化與距離認(rèn)金屬板的電阻率、磁導(dǎo)率、激勵電流i，及角頻率等有關(guān)，若只改變距離而保持其他系數(shù)不變，則可將

14、位移的變化轉(zhuǎn)換為線圈自感的變化，通過測量電路轉(zhuǎn)換為電壓輸出。高頻反射式渦流傳感器多用于位移測量。根據(jù)渦流式傳感器的簡化模型，可以得出以下結(jié)論： 金屬導(dǎo)體上形成的渦流有一定的范圍，當(dāng)線圈與導(dǎo)體間的距離不變時，電渦流密度隨著線圈外徑的大小而變化。為了充分的利用渦流效應(yīng)，被測導(dǎo)體的平面不應(yīng)小于傳感器線圈外徑的2倍，否則靈敏度將下降。 渦流強(qiáng)度隨著線圈與導(dǎo)體間距離x的增大而迅速減小，由此可知，渦流強(qiáng)度與距離x呈非線性關(guān)系。為了獲得較好的線性和較高的靈敏度，應(yīng)使x/R1，一般取x/R0.050.15。 金屬導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的渦流由于趨膚效應(yīng)，電渦流不僅沿徑向分布不均勻，而且貫穿金屬導(dǎo)體的厚度有限。貫穿深度與勵

15、磁電流的頻率成反比關(guān)系。南昌航空大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院南昌航空大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院 低頻透射式渦流傳感器的工作原理如下圖所示，發(fā)射線圈1和接收線圈2分別置于被測金屬板材料G的上、下方。由于低頻磁場集膚效應(yīng)小，滲透深，當(dāng)?shù)皖l(音頻范圍)電壓e1加到線圈1的兩端后，所產(chǎn)生磁力線的一部分透過金屬板材料G,使線圈2產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e2。但由于渦流消耗部分磁場能量，使感應(yīng)電動勢e2減少，當(dāng)金屬板材料G越厚時，損耗的能量越大，輸出電動勢e2越小。因此，e2的大小與G的厚度及材料的性質(zhì)有關(guān)，試驗表明，e2隨材料厚度h的增加按負(fù)指數(shù)規(guī)律減少,如圖所示，因此，若金屬板材料的性質(zhì)一定，則利用e2的變化即可測量其厚度。南昌

16、航空大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院南昌航空大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院二、測量電路：1. 調(diào)幅電路振蕩器提供一個頻率及幅值穩(wěn)定的高頻信號激勵并聯(lián)諧振回路LC。無被測導(dǎo)體時，使LC振蕩回路的諧振頻率f0等于振蕩器的振蕩頻率，這時LC回路的阻抗最大，激勵電流在LC回路上產(chǎn)生的壓降最大。當(dāng)傳感器線圈接近被測導(dǎo)體時，線圈的等效電感發(fā)生變化，諧振回路的諧振頻率和等效阻抗也跟著發(fā)生變化，使回路失諧，諧振峰值偏離原來的位置向兩旁移動，輸出電壓亦發(fā)生相應(yīng)變化。傳感器離被測體越近，回路的等效阻抗越小，輸出電壓也越低。諧振峰值的移動方向與被測導(dǎo)體的材料有關(guān)。對非磁性材料，當(dāng)距離減小時，線圈的等效電感減小，回路諧振頻率提高。振蕩器放大器檢波器濾波器xLC耦合電阻南昌航空大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院南昌航空大學(xué)航空與機(jī)械學(xué)院2.調(diào)頻電路 調(diào)頻測量電路是把傳感器線圈接入振蕩器，作為振蕩器的一個電感元件，與調(diào)幅電路不同的是它是以頻率作為輸出量。當(dāng)位移產(chǎn)生x變化時，引起線圈電感變化L，這個電感變化對振蕩器調(diào)頻，使振蕩器的振蕩頻率產(chǎn)生f的變化。此頻率可以用數(shù)字頻率計直接測量，也可以通過鑒頻器進(jìn)行頻率電壓轉(zhuǎn)換變成輸出電壓。電路原理圖如下