電感式傳感器

1、 電感式傳感器電感式傳感器 2022-3-251電感器能夠把電能轉(zhuǎn)化為磁能而存儲起來的元件。電感器具有一定的電感，它只阻礙電流的變化。電感式傳感器工作基礎(chǔ)：電磁感應(yīng)即利用線圈電感或互感的改變來實(shí)現(xiàn)非電量測量2022-3-252自感：當(dāng)線圈中有電流通過時候，線圈的周圍就會產(chǎn)生磁場。當(dāng)線圈中電流發(fā)生變化時，其周圍的磁場也產(chǎn)生相應(yīng)的變化，此變化的磁場可使線圈自身產(chǎn)生感應(yīng)電動勢（感生電動勢）（電動勢用以表示有源元件理想電源的端電壓），這就是自感。用導(dǎo)線繞制而成,具有一定匝數(shù),能產(chǎn)生一定自感量或互感量的電子元件,常稱為電感線圈?；ジ校簝蓚€電感線圈相互靠近時，一個電感線圈的磁場變化將影響另一個電感線圈，這

2、種影響就是互感?；ジ械拇笮∪Q于電感線圈的自感與兩個電感線圈耦合的程度，利用此原理制成的元件叫做互感器。2022-3-253分為自感式、互感式、電渦流式特點(diǎn)：工作可靠、壽命長 靈敏度高，分辨力高 精度高、線性好 性能穩(wěn)定、重復(fù)性好2022-3-2542022-3-255 一自感式傳感器一自感式傳感器 自感系數(shù)常用L表示，簡稱自感或電感。線圈的自感與線圈的直徑、長短、匝數(shù)等因素有關(guān)。線圈面積越大，線圈越長，單位長度匝數(shù)越密，它的自感就越大。有鐵芯的線圈的自感比沒有鐵芯時大很多。自感的單位是亨利，簡稱亨，符號是H。常用的較小的單位有毫亨（mH）和微亨（H）。自感傳感器的單位多為mH數(shù)量級。先看一個

3、實(shí)驗(yàn)：先看一個實(shí)驗(yàn)：2022-3-256 將一只將一只380V交流接觸器線圈與交流交流接觸器線圈與交流毫安表串聯(lián)后，接到機(jī)床用控制變壓器毫安表串聯(lián)后，接到機(jī)床用控制變壓器的的36V交流電壓源上。這時毫安表的示交流電壓源上。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，我們會活動鐵心（稱為銜鐵）往下按，我們會發(fā)現(xiàn)毫安表的讀數(shù)逐漸減小。當(dāng)銜鐵與發(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。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

4、示原理演示F F2022-3-257220V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2022-3-258F F電感傳感器的基本工作電感傳感器的基本工作原理原理 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Rm也也較大，線圈的電感量較大，線圈的電感量L和感抗和感抗XL 較小，所以較小，所以電流電流I 較大。當(dāng)鐵心閉合時，磁阻變小、電較大。當(dāng)鐵心閉合時，磁阻變小、電感變大，電流減小。感變大，電流減小。 2022-3-25mRNL2fLUXUIL2Rm：磁路中的總磁阻；l：鐵心的導(dǎo)磁長度；0,：分

5、別為空氣磁導(dǎo)率和鐵心相對磁導(dǎo)率；A和和A0：分別為氣隙截面積和鐵心導(dǎo)磁截面積：氣隙長度000022AAAlRm2022-3-2510工作原理：電感量計算公式電感量計算公式 ：2022-3-251120 2NALN：線圈匝數(shù)；：線圈匝數(shù)；A ：氣隙的有效截面積；：氣隙的有效截面積； 0 ：真空磁導(dǎo)率；：真空磁導(dǎo)率； ：氣隙厚度。氣隙厚度。 A2022-3-2512變氣隙式：若固定變氣隙式：若固定A0，改變，改變dANdL2002220022ANK靈敏度與氣隙距離的平方成反比，愈小，靈敏度愈高。為了減少非線性誤差，這種傳感器適用于較小位移的測量，測量范圍約在0.001-1mm左右。由于自由行程小，

6、而且銜鐵在運(yùn)行方向上受鐵心限制，制造裝配困難。由于這些原因，近年來這種類型的傳感器使用逐漸減少。2022-3-2513變面積式：若固定變面積式：若固定，改變，改變A00022dANdL202NK 這種類型的傳感器的靈敏度比變氣隙型的低，但其靈敏度為一常數(shù)，線性度好，量程范圍大，自由行程可按需要安排，制造裝配也較方便。2022-3-2514螺管式：在一個螺管圈內(nèi)插入一螺管式：在一個螺管圈內(nèi)插入一個活動的柱型銜鐵。個活動的柱型銜鐵。 當(dāng)銜鐵在線圈中運(yùn)動時，磁阻發(fā)生變化，導(dǎo)致自感L的變化。靈敏度最低，線性度好，測量范圍大。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

7、截面式 螺線管式螺線管式 2022-3-2515差動電感傳感器的特點(diǎn)差動電感傳感器的特點(diǎn) 在變隙式差動電感傳感在變隙式差動電感傳感器中，當(dāng)銜鐵隨被測量移動器中，當(dāng)銜鐵隨被測量移動而偏離中間位置時，兩個線而偏離中間位置時，兩個線圈的電感量一個增加，一個圈的電感量一個增加，一個減小，形成差動形式。減小，形成差動形式。 2022-3-2516 請分析：靈敏度、請分析：靈敏度、 線性度線性度有何變化有何變化曲線曲線1、2為為L1、L2 的特性，的特性，3為差動特性為差動特性1-1-差動線圈差動線圈 2-2-鐵心鐵心 3-3-銜鐵銜鐵 4-4-測桿測桿 5-5-工件工件 差動式電感傳感器的特性差動式電感

8、傳感器的特性 從曲線圖可以看出，差動式電感傳感從曲線圖可以看出，差動式電感傳感器的線性較好，且輸出曲線較陡，器的線性較好，且輸出曲線較陡，靈敏度靈敏度約為非差動式電感傳感器的兩倍。約為非差動式電感傳感器的兩倍。 2022-3-2517 從結(jié)構(gòu)圖可以看出，差動式電感傳感器從結(jié)構(gòu)圖可以看出，差動式電感傳感器對外界影響，如溫度的變化、電源頻率的變對外界影響，如溫度的變化、電源頻率的變化等基本上可以互相抵消，銜鐵承受的電磁化等基本上可以互相抵消，銜鐵承受的電磁吸力也較小，從而減小了測量誤差。吸力也較小，從而減小了測量誤差。 測量轉(zhuǎn)換電路測量轉(zhuǎn)換電路 測量轉(zhuǎn)換電路的作用是將電感量的變化測量轉(zhuǎn)換電路的作用

9、是將電感量的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化交流電橋。交流電橋。2022-3-2518交流電橋平衡的條件：3241ZZZZ相對兩臂阻抗之模的乘積相等，相對兩臂阻抗角的和相等。2022-3-25192022-3-2520二二 互感型傳感器（差動變壓器式傳感器）互感型傳感器（差動變壓器式傳感器） 把被測量的變化轉(zhuǎn)換成把被測量的變化轉(zhuǎn)換成互感系數(shù)互感系數(shù)的變化。的變化。 電源中用到的電源中用到的“單相變壓器單相變壓器”有一個一次線圈有一個一次線圈（又稱為初級線圈），有若干個二次線圈（又稱次級（又稱為初級線圈），有若干個二次線圈（又稱次級線圈）。當(dāng)一次線圈加上交流激磁電流線圈）。當(dāng)一次

10、線圈加上交流激磁電流i后，將在二次后，將在二次線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e e，其大小與電流，其大小與電流i i的變化率成的變化率成正比，即。正比，即。2022-3-2521dtdiMeM為互感系數(shù)，反映了兩線圈的耦合程度，與銜鐵位置、線圈結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。 在實(shí)際應(yīng)用中，基本上采用兩個二次線圈組成差動形在實(shí)際應(yīng)用中，基本上采用兩個二次線圈組成差動形式，稱為差動變壓器。式，稱為差動變壓器。兩個二次線圈反向串聯(lián)，組成差動輸出形式。兩個二次線圈反向串聯(lián)，組成差動輸出形式。 2022-3-2522差動變壓器式傳感器的工作原理差動變壓器式傳感器的工作原理 差動變壓器式傳感器是把被測位移量轉(zhuǎn)

11、換差動變壓器式傳感器是把被測位移量轉(zhuǎn)換為一次線圈與二次線圈間的互感量為一次線圈與二次線圈間的互感量M的變化的的變化的裝置。當(dāng)一次線圈接入激勵電源之后，二次線裝置。當(dāng)一次線圈接入激勵電源之后，二次線圈就將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，當(dāng)兩者間的互感量變?nèi)蛯a(chǎn)生感應(yīng)電動勢，當(dāng)兩者間的互感量變化時，感應(yīng)電動勢也相應(yīng)變化。由于兩個二次化時，感應(yīng)電動勢也相應(yīng)變化。由于兩個二次線圈采用差動接法，故稱為差動變壓器。目前線圈采用差動接法，故稱為差動變壓器。目前應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)型式是螺線管式差動變壓器。應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)型式是螺線管式差動變壓器。 2022-3-2523靈敏度與線性度靈敏度與線性度 差動變壓器的靈敏度一般可達(dá)

12、差動變壓器的靈敏度一般可達(dá)0.55V/mm，行程越小，靈敏度越高。，行程越小，靈敏度越高。 為了提高靈敏度，勵磁電壓在為了提高靈敏度，勵磁電壓在10V左左右為宜。電源頻率以右為宜。電源頻率以110kHz為好。為好。 差動變壓器線性范圍約為線圈骨架差動變壓器線性范圍約為線圈骨架長度的長度的1/10左右。左右。 2022-3-2524三三 電感式傳感器的應(yīng)用電感式傳感器的應(yīng)用 位移測量位移測量 2022-3-2525軸向式電感軸向式電感 測微器的外形測微器的外形 航空插頭航空插頭紅寶石測頭紅寶石測頭電感式不圓度計電感式不圓度計 該圓度計采用該圓度計采用旁向式電感測微頭旁向式電感測微頭2022-3-

13、2526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2022-3-2527 四四 電渦流傳感器（非接觸式測量）電渦流傳感器（非接觸式測量）2022-3-2528 將金屬導(dǎo)體置于變化著的磁場中，導(dǎo)體內(nèi)就會產(chǎn)將金屬導(dǎo)體置于變化著的磁場中，導(dǎo)體內(nèi)就會產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流的流線在導(dǎo)體內(nèi)自行閉合，生感應(yīng)電流，這種電流的流線在導(dǎo)體內(nèi)自行閉合，像水中的漩渦一樣，稱為電渦流或渦流。像水中的漩渦一樣，稱為電渦流或渦流。 電渦流式傳感器在金屬體中產(chǎn)生的渦流，其電渦流式傳感器在金屬體中產(chǎn)生的渦流，其滲透深度與傳感器線圈的勵磁電流的頻率有關(guān)。滲透深度與傳感器線圈的勵磁電流的頻率有關(guān)。根據(jù)

14、電渦流在導(dǎo)體的貫穿情況，通常把電渦流傳根據(jù)電渦流在導(dǎo)體的貫穿情況，通常把電渦流傳感器按勵磁頻率的高低分為高頻反射式和低頻透感器按勵磁頻率的高低分為高頻反射式和低頻透射式兩大類。射式兩大類。 四四 電渦流傳感器（非接觸式測量）電渦流傳感器（非接觸式測量）電渦流效應(yīng)演示電渦流效應(yīng)演示 2022-3-2529 四四 電渦流傳感器（非接觸式測量）電渦流傳感器（非接觸式測量）2022-3-2530將一個線圈置于金屬板附近，距離為將一個線圈置于金屬板附近，距離為，當(dāng)線圈中通以交變，當(dāng)線圈中通以交變電流電流i時，便在線圈周圍產(chǎn)生交變磁通時，便在線圈周圍產(chǎn)生交變磁通。此交變磁通通過。此交變磁通通過金屬板時，金

15、屬板上便產(chǎn)生電渦流金屬板時，金屬板上便產(chǎn)生電渦流i1。該電渦流也將產(chǎn)生交。該電渦流也將產(chǎn)生交變磁通變磁通1，根據(jù)楞次定律，電渦流的交變磁場與線圈的磁，根據(jù)楞次定律，電渦流的交變磁場與線圈的磁場變化相反，場變化相反， 1總是抵抗總是抵抗的變化。由于電渦流磁場的作的變化。由于電渦流磁場的作用，使原線圈的等效阻抗用，使原線圈的等效阻抗Z發(fā)生變化。發(fā)生變化。線圈阻抗發(fā)生變化的因素與金屬體的電阻率、磁導(dǎo)率、金屬線圈阻抗發(fā)生變化的因素與金屬體的電阻率、磁導(dǎo)率、金屬板的厚度以及產(chǎn)生交變磁場的線圈與金屬導(dǎo)體的距離、線圈板的厚度以及產(chǎn)生交變磁場的線圈與金屬導(dǎo)體的距離、線圈的勵磁電流頻率等參數(shù)有關(guān)。若固定某些參數(shù)

16、恒定不變，而的勵磁電流頻率等參數(shù)有關(guān)。若固定某些參數(shù)恒定不變，而只改變其中的一個參數(shù)，這樣阻抗就能成為這個參數(shù)的單值只改變其中的一個參數(shù)，這樣阻抗就能成為這個參數(shù)的單值函數(shù)，如只變化距離，可做位移、振動的測量；如變化電阻函數(shù)，如只變化距離，可做位移、振動的測量；如變化電阻率和磁導(dǎo)率，可做材質(zhì)鑒別或探傷。率和磁導(dǎo)率，可做材質(zhì)鑒別或探傷。2022-3-2531影響線圈阻抗變化的因素影響線圈阻抗變化的因素：線圈與金屬板的距離（固定其他參數(shù)，可做位移振動測量）金屬板的電阻率磁導(dǎo)率線圈激勵角頻率材質(zhì)鑒別和探傷2022-3-25322022-3-25332022-3-2534電渦流傳感器結(jié)構(gòu)及特性電渦流傳

17、感器結(jié)構(gòu)及特性 電渦流探頭電渦流探頭外形外形2022-3-2535交變磁場交變磁場電渦流探頭電渦流探頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu) 1電渦流線圈電渦流線圈 2探頭殼體探頭殼體 3殼體上的位置調(diào)節(jié)螺紋殼體上的位置調(diào)節(jié)螺紋 4印制線路板印制線路板 5夾持螺母夾持螺母 6電源指示燈電源指示燈 7閾值指示燈閾值指示燈 8輸出屏蔽電纜線輸出屏蔽電纜線 9電纜插頭電纜插頭 2022-3-2536電渦流傳感器的應(yīng)用電渦流傳感器的應(yīng)用 位移測量位移測量 2022-3-2537 電渦流位移傳感器是一種輸出為模擬電壓的電子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)工器件。接通電源后

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

19、感器應(yīng)用電渦流傳感器應(yīng)用2022-3-2538（a a）檢測汽輪機(jī)主軸的軸向位移量）檢測汽輪機(jī)主軸的軸向位移量（b b）間接檢測金屬試件的軸向膨脹量）間接檢測金屬試件的軸向膨脹量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、位偏心、間隙、位置、傾斜、彎曲、置、傾斜、彎曲、變形、移動、圓度、變形、移動、圓度、沖擊、偏心率、沖沖擊、偏心率、沖程、寬度等等。來程、寬度等等。來自不同應(yīng)用領(lǐng)域的自不同應(yīng)用領(lǐng)域的許多量都可歸結(jié)為許多量都可歸結(jié)為位移或間隙變化。位移或間隙變化。2022-3-2539數(shù)顯數(shù)顯位移測量儀及探頭位移測量儀及探頭2022-3-2540振動測量振動測量偏心和振動檢測

20、偏心和振動檢測2022-3-2541測量彎曲、波動、變形測量彎曲、波動、變形 對橋梁、絲桿等機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動對橋梁、絲桿等機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動測量，須使用多個傳感器。測量，須使用多個傳感器。2022-3-2542電渦流表面探傷電渦流表面探傷 2022-3-25432022-3-2544轉(zhuǎn)速計轉(zhuǎn)速計 2022-3-2545 在一個旋轉(zhuǎn)體上開一條或數(shù)條槽，或者加工成齒輪狀，旁邊在一個旋轉(zhuǎn)體上開一條或數(shù)條槽，或者加工成齒輪狀，旁邊安裝一個電渦流傳感器，當(dāng)旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動時，傳感器將周期安裝一個電渦流傳感器，當(dāng)旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動時，傳感器將周期性地改變輸出信號，此電壓信號經(jīng)過放大整形后，可用頻性地改變輸出信號，此電壓信號經(jīng)

21、過放大整形后，可用頻率計指示出頻率值率計指示出頻率值 Nfn60 一次儀表與一次儀表與 420mA二線制輸出方式二線制輸出方式 在工業(yè)應(yīng)用中，測量點(diǎn)一般在現(xiàn)場，而顯示設(shè)備或者控制設(shè)在工業(yè)應(yīng)用中，測量點(diǎn)一般在現(xiàn)場，而顯示設(shè)備或者控制設(shè)備一般都在控制室或控制柜上。兩者之間距離可能數(shù)十至數(shù)備一般都在控制室或控制柜上。兩者之間距離可能數(shù)十至數(shù)百米。百米。 工業(yè)上普遍需要測量各類非電物理量，例如溫度、壓力、速工業(yè)上普遍需要測量各類非電物理量，例如溫度、壓力、速度、角度等度、角度等;另外電物理量另外電物理量(簡稱電量簡稱電量),例如電流、電壓、功率、例如電流、電壓、功率、頻率等頻率等,都需要轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)模擬

22、量電信號才能傳輸?shù)綆装倜锥夹枰D(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)模擬量電信號才能傳輸?shù)綆装倜淄獾目刂剖一蝻@示設(shè)備上。這種將物理量轉(zhuǎn)換成電信號的設(shè)外的控制室或顯示設(shè)備上。這種將物理量轉(zhuǎn)換成電信號的設(shè)備稱為變送器。工業(yè)上最廣泛采用的標(biāo)準(zhǔn)模擬量電信號是用備稱為變送器。工業(yè)上最廣泛采用的標(biāo)準(zhǔn)模擬量電信號是用420mA直流電流來傳輸模擬量。直流電流來傳輸模擬量。2022-3-2546 一次儀表與一次儀表與 420mA二線制輸出方式二線制輸出方式 壓力變送器已經(jīng)將傳感器與信號處理電路壓力變送器已經(jīng)將傳感器與信號處理電路組合在一個殼體中，這在工業(yè)中被稱為一次組合在一個殼體中，這在工業(yè)中被稱為一次儀表。一次儀表的輸出信號可以是電壓，

23、也儀表。一次儀表的輸出信號可以是電壓，也可以是電流。由于電流信號不易受干擾，且可以是電流。由于電流信號不易受干擾，且便于遠(yuǎn)距離傳輸（可以不考慮線路壓降），便于遠(yuǎn)距離傳輸（可以不考慮線路壓降），所以在一次儀表中多采用電流輸出型。所以在一次儀表中多采用電流輸出型。2022-3-25472022-3-2548某一某一壓力變送器的測量電路壓力變送器的測量電路 420mA二線制輸出方式二線制輸出方式 新的國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定電流輸出為新的國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定電流輸出為420mA420mA；電壓輸出為；電壓輸出為15V(15V(舊國標(biāo)為舊國標(biāo)為010mA010mA或或02V)02V)。4mA4mA對應(yīng)于零輸入，對應(yīng)于零輸

24、入，20mA20mA對對應(yīng)于滿度輸入。不讓信號占有應(yīng)于滿度輸入。不讓信號占有04mA04mA這一范圍的原因，一方這一范圍的原因，一方面是有利于判斷線路故障（開路）或儀表故障；另一方面面是有利于判斷線路故障（開路）或儀表故障；另一方面，這類一次儀表內(nèi)部均采用微電流集成電路，總的耗電還不到這類一次儀表內(nèi)部均采用微電流集成電路，總的耗電還不到4mA4mA，因此，因此還能利用還能利用04mA04mA這一部分這一部分“本底本底”電流為一次儀表電流為一次儀表的內(nèi)部電路提供工作電流，使一次儀表成為兩線制儀表。的內(nèi)部電路提供工作電流，使一次儀表成為兩線制儀表。上上限取限取20mA是因?yàn)榉辣囊螅菏且驗(yàn)榉辣囊螅?0mA的電流通斷引起的火花的電流通斷引起的火花能量不足以引燃瓦斯。能量不足以引燃瓦斯。 2022-3-2549420mA二線制輸出方式二線制輸出方式 電流輸出型變送器將物理量轉(zhuǎn)換成電流輸出型變送器將物理量轉(zhuǎn)換成4