傳感器與檢測(cè)技術(shù)(第2版)李增國(guó)主編 第五章

1、湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室第五章第五章 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.差分變壓器式傳感器；差分變壓器式傳感器；3. 電渦流式傳感器；電渦流式傳感器；4. 電感傳感器的主要應(yīng)用；電感傳感器的主要應(yīng)用；湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室1.什么是電感？什么是電感？電感（電感（電感線圈電感線圈）是用絕緣導(dǎo)線（）是用絕緣導(dǎo)線（例如漆包線、紗包線等例如漆包線、紗包線等）繞制而成）繞制而成的電磁感應(yīng)元件，也是電子電路中常用的元器

2、件之一。電感是用漆包的電磁感應(yīng)元件，也是電子電路中常用的元器件之一。電感是用漆包線、紗包線或塑皮線等在絕緣骨架或磁心、鐵心上繞制成的一組串聯(lián)線、紗包線或塑皮線等在絕緣骨架或磁心、鐵心上繞制成的一組串聯(lián)的同軸線匝，它在電路中用字母的同軸線匝，它在電路中用字母“L”表示，主要作用是對(duì)交流信號(hào)進(jìn)表示，主要作用是對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行隔離、濾波或與電容器、電阻器等組成諧振電路。行隔離、濾波或與電容器、電阻器等組成諧振電路。2. 基本概念基本概念電感（電感（inductance of an ideal inductor）是閉合回路的一種屬性。當(dāng)線）是閉合回路的一種屬性。當(dāng)線圈通過(guò)電流后，在線圈中形成圈通過(guò)電流后

3、，在線圈中形成磁場(chǎng)磁場(chǎng)感應(yīng)，感應(yīng)磁場(chǎng)又會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流感應(yīng)，感應(yīng)磁場(chǎng)又會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流來(lái)抵制通過(guò)線圈中的電流。這種電流與線圈的相互作用關(guān)系稱為電的來(lái)抵制通過(guò)線圈中的電流。這種電流與線圈的相互作用關(guān)系稱為電的感抗，也就是電感，單位是感抗，也就是電感，單位是“亨利亨利（H）”湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室電感的主要特點(diǎn)：電感的主要特點(diǎn)： 電感是衡量線圈產(chǎn)生電磁感應(yīng)能力的物理量。當(dāng)線圈通入非穩(wěn)態(tài)電流時(shí)，周圍就會(huì)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)。通入線圈的功率越大，激勵(lì)出來(lái)的磁場(chǎng)強(qiáng)度越高，反之則?。ù鸥袘?yīng)強(qiáng)度達(dá)到飽和之前）。 電感是閉合回路的一種屬性，即當(dāng)通過(guò)閉合回路的電流改變時(shí)，

4、電感會(huì)出現(xiàn)電動(dòng)勢(shì)來(lái)抵抗電流的改變。這種電感稱為自感（self-inductance），是閉合回路自己本身的屬性。假設(shè)一個(gè)閉合回路的電流改變，由于感應(yīng)作用而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)于另外一個(gè)閉合回路，這種電感稱為互感（mutual inductance）湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室自感自感當(dāng)線圈中有電流通過(guò)時(shí)，線圈的周圍就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。當(dāng)線圈中電流發(fā)生變化時(shí)，其周圍的磁場(chǎng)也產(chǎn)生相應(yīng)的變化，此變化的磁場(chǎng)可使線圈自身產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（感生電動(dòng)勢(shì)）（電動(dòng)勢(shì)用以表示有源元件理想電源的端電壓），這就是自感。互感互感兩個(gè)電感線圈相互靠近時(shí)，一個(gè)電感線圈的磁場(chǎng)變化將影響另一個(gè)電感線圈

5、，這種影響就是互感?；ジ械拇笮∪Q于電感線圈的自感與兩個(gè)電感線圈耦合的程度，利用此原理制成的元件叫做互感器。湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室 電感式傳感器電感式傳感器是利用被測(cè)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(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)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州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室自感式傳感器基本工作原理演示自感式傳感器基本工作原理演示湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州

6、職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室5.1 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。 5.1.1 原理分析原理分析 5.1.1.1 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(cè)物體連接，被測(cè)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：mRNL2湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化

7、教研室變間隙式傳感器的測(cè)量范圍與靈敏度及線性度相矛盾，因此變間變間隙式傳感器的測(cè)量范圍與靈敏度及線性度相矛盾，因此變間隙式電感式傳感器適用于測(cè)量微小位移的場(chǎng)合。隙式電感式傳感器適用于測(cè)量微小位移的場(chǎng)合。湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研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 AAlAlRm022112AAlAlNRNLm02211222202ANL 因此：湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室 鐵心與銜鐵之間相對(duì)覆蓋面積隨被測(cè)量的變化面改變，導(dǎo)致線圈的電感量發(fā)生變化，這種

8、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。123L, AL=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5 5.1.1.2 .1.1.2 變截面積型電感傳感器變截面積型電感傳感器湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室變截面積式自感傳感器的特點(diǎn)：測(cè)量范圍大，非線性誤差小，但靈敏度低5.1.1.3 螺管型電感式傳感器螺管型電感式傳感器下圖為其結(jié)構(gòu)

9、原理圖，銜鐵隨被測(cè)物移動(dòng)，引起磁阻發(fā)生變化，導(dǎo)致電感量改變。湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室lrx2ra12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(zhǎng)度可表示為 通過(guò)以上分析可得結(jié)論: I. 變間隙型靈敏度較高,但非線性誤差較大，且制作裝配比較困難； II. 變面積型靈敏度較小,但線性較好,量程較大，使用比較廣泛；III. 螺管型靈敏度較低,但量程大且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制作和批量生產(chǎn)，常用于測(cè)量精度不高的場(chǎng)合。22222) 1(4aamrllrlNL湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工

10、分院自動(dòng)化教研室 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(cè)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)。 l234a)b)l234l34c)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5. 1.4 差動(dòng)式（差分式）電感傳感器差動(dòng)式（差分式）電感傳感器湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室差分式電感傳感器的結(jié)構(gòu)要求兩個(gè)導(dǎo)磁體的幾何尺寸和材料完全相同，兩個(gè)線圈的電

11、氣參數(shù)和幾何尺寸完全相同。差分式結(jié)構(gòu)除了可以改善線性、提高靈敏度外，對(duì)溫度變化、電源頻率變化等影響也可以進(jìn)行補(bǔ)償，從而減少了外界影響造成的誤差。湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室5.1.5 測(cè)量轉(zhuǎn)換電路測(cè)量轉(zhuǎn)換電路 電感式傳感器的主要策略電路是交流電橋，其作用是將線圈電感的變化轉(zhuǎn)化為電橋電路的電壓或電流輸出。 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臂工作形式。下圖是交流電橋的幾種常用形式。 湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室當(dāng)LR時(shí)，上式可近似為： 可見交流電橋的輸出電壓與傳感器線圈電感的相對(duì)變化量

12、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=ZZ，當(dāng)ZL時(shí)，電橋的輸出電壓為 ZZUURZZZZRRZURRRUZZZU22)()(2.21211.211.2110.LLUU2.0.5.1.5.1 電阻平衡臂電橋電阻平衡臂電橋湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室由于Z1=Z-Z，Z2=Z+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(wú)窮大時(shí)輸出電壓為：2112.221.20.222ZZZZUUZZZUUIZUZZUU2.0.ZZUU2.0.5 5.1.2.2 .1.2.2 變壓器式電橋變壓器式電橋可見，輸出電壓反

13、映了傳感器線圈阻抗的變化，還需辯向。 湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室 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(cè)量電路可以消除與電感臂并聯(lián)的分布電容對(duì)輸出信號(hào)的影響，使電橋平衡穩(wěn)定，另外簡(jiǎn)化了接地和屏蔽的問(wèn)題。 5.1.2.3 緊耦合電感臂電橋緊耦合電感臂電橋湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室電感式接近開關(guān)（金屬）電感式接近開關(guān)（金屬）湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖

14、州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室5.2 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EwEoutWW1W2Esx-x差分變壓式傳感器又稱互感式電感傳感器。湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室2. 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(cè)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動(dòng)變壓器式電感傳感器，通常簡(jiǎn)稱差動(dòng)變壓器。湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教

15、研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室對(duì)于差分變壓器而言，當(dāng)銜鐵處于中間位置時(shí)，兩個(gè)二次繞組的互感相同。因而由一次激勵(lì)引起的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相同。由于兩個(gè)二次繞組反向串接，因而差分輸出電壓為零。在傳感器的量程內(nèi)，銜鐵移動(dòng)量越大，差分輸出電壓越大。同理，當(dāng)銜鐵向二次繞組一邊移動(dòng)時(shí)，則其輸出電壓反相。因此，通過(guò)輸出就可以知道銜鐵位移的大小和方向，并由此判斷被測(cè)物體的移動(dòng)方向和位移量大小。湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室3. 等效電路等效電路 L21E2L22E22E21U1R22R21R1M1M2等效電路如上圖所示，輸出采用差

16、動(dòng)結(jié)構(gòu)，隨著被測(cè)物的變化而改變。湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室 （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(shì)反相。因此通過(guò)差動(dòng)變壓器輸出電動(dòng)勢(shì)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(shì)為零。（2）當(dāng)銜鐵移向二次繞組一邊時(shí)，輸出不為零，在量程內(nèi)移越大，輸出就越大。湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室 4. 4. 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性，

17、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(shì)。 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(cè)量帶來(lái)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)。湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室減小零點(diǎn)殘余的方法：減小零點(diǎn)殘余的方法： I. 盡可能保證傳感器幾何尺寸、線圈電氣參數(shù)玫磁路的對(duì)稱。磁性材料要經(jīng)過(guò)處理，消除內(nèi)部的殘余應(yīng)力，使其性能均勻穩(wěn)定。 II. 選用合適的測(cè)量電路，如采用相敏整流電路。既可判別銜鐵移動(dòng)方向雙可改善輸出特性，減小零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)。 . 采用補(bǔ)償線路減小零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)在差動(dòng)變壓器二次側(cè)串、并聯(lián)適當(dāng)數(shù)值的電阻電容元件，當(dāng)調(diào)整這些元件時(shí)

18、，可使零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)減小。 湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室5.2.2 常用測(cè)量電路常用測(cè)量電路 湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室差分變壓器隨銜鐵的位移可輸出一個(gè)調(diào)幅波，用電壓表來(lái)測(cè)量存在以下問(wèn)題：（1）總有零位電壓輸出，因而零位附近的小位移量的測(cè)量比較困難。（2）交流電壓表無(wú)法判斷銜鐵的移動(dòng)方向因此，需采用必要的測(cè)量電路加以解決。目前常用的測(cè)量電路有相敏檢波電路、差分整流電路和直流差分變壓器電路。湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技

19、術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室 差動(dòng)整流電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是常用的電路形式，它對(duì)兩個(gè)二次繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)分別整流，然后再把兩個(gè)整流后的電壓或電流合成輸出。一般不需要調(diào)整相位，不考慮零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)的影響，適于遠(yuǎn)距離傳輸。5.2.2.1 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。為了保證這一點(diǎn)，通常在電路中接入移相電路。另外，由于比較電壓在檢波電路中起開關(guān)作用，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(hào)電壓的35倍。5.2.2.2 差動(dòng)整流電路差動(dòng)整流電路湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教

20、研室5.2.3 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 1. 測(cè)量位移測(cè)量位移湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室例：例：板厚的測(cè)量板厚的測(cè)量 湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室2. 測(cè)量力或壓力測(cè)量力或壓力例：例：張力測(cè)量張力測(cè)量湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室經(jīng)相敏檢波和差分整流輸出的信號(hào)，還需要經(jīng)過(guò)低通濾波電路，把調(diào)制的高頻載波濾除，檢出與銜鐵位移相對(duì)應(yīng)的有用信號(hào)。3. 直流差分變壓器電路直流差分變壓器的工作原理和一般差分變壓器相同，差別僅在于儀器所用的電流是直流電

21、源（如干電池、蓄電池等）直流差分變壓器由直流電源、多謝振蕩器、差分整流電路和濾波器組成。多謝振蕩器提供高頻激勵(lì)電源，它可以產(chǎn)生正弦波、三角波或方波等電路。直流差分變壓器一般用于差分變壓器與控制室相距較遠(yuǎn)（大于100米）、設(shè)備之間不產(chǎn)生干擾、便于攜帶測(cè)量的場(chǎng)合。湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室5.3 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 它能實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)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(wú)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。湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)

22、學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室電渦流式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、頻率響應(yīng)寬、靈敏度高、測(cè)量范圍大、抗干擾能力強(qiáng)，特別是有非接觸的優(yōu)點(diǎn)，因此在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。渦流效應(yīng)渦流效應(yīng)渦流效應(yīng)指的是法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)塊狀導(dǎo)體置于交變磁場(chǎng)或在固定磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，此電流在導(dǎo)體內(nèi)閉合。電磁爐采用了磁場(chǎng)感應(yīng)渦流加熱原理，它利用交變電流通過(guò)線圈產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，當(dāng)磁場(chǎng)內(nèi)的磁感線傳到含鐵質(zhì)鍋的底部時(shí)，即會(huì)產(chǎn)生無(wú)數(shù)強(qiáng)大的小渦流，使鍋本身自行迅速發(fā)熱，然后再加熱鍋內(nèi)的食物。湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室在一根導(dǎo)體外面繞上線圈，并讓線圈通入交變電流，那

23、么線圈就產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。由于線圈中間的導(dǎo)體在圓周方向是可以等效成一圈圈的閉合電路，閉合電路中的磁通量在不斷發(fā)生改變，所以在導(dǎo)體的圓周方向會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流，電流的方向沿導(dǎo)體的圓周方向轉(zhuǎn)圈，就像一圈圈的漩渦，所以這種在整塊導(dǎo)體內(nèi)部發(fā)生電磁感應(yīng)而產(chǎn)生感應(yīng)電流的現(xiàn)象稱為渦流現(xiàn)象渦流現(xiàn)象。導(dǎo)體的外周長(zhǎng)越長(zhǎng)，交變磁場(chǎng)的頻率越高，渦流就越大。渦流效應(yīng)渦流效應(yīng)導(dǎo)體內(nèi)部的渦流也會(huì)產(chǎn)生熱量，如果導(dǎo)體的電阻率小，則產(chǎn)生的渦流很強(qiáng)，產(chǎn)生的熱量就很大。湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室無(wú)損探傷無(wú)損探傷 探測(cè)金屬材料或部件內(nèi)部的裂紋或缺陷。常用的探傷方法有:X光射線探傷、超聲

24、波探傷、磁粉探傷、滲透探傷、渦流探傷、射線探傷等方法。物理探傷就是不產(chǎn)生化學(xué)變化的情況下進(jìn)行無(wú)損探傷。 無(wú)損探傷檢測(cè)是利用物質(zhì)的聲、光、磁和電等特性，在不損害或不影響被檢測(cè)對(duì)象使用性能的前提下，檢測(cè)被檢對(duì)象中是否存在缺陷或不均勻性，給出缺陷大小，位置，性質(zhì)和數(shù)量等信息。湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室 它與破壞性檢測(cè)相比，無(wú)損檢測(cè)有以下特點(diǎn)。第一是具有非破壞性，因?yàn)樗谧鰴z測(cè)時(shí)不會(huì)損害被檢測(cè)對(duì)象的使用性能;第二具有全面性，由于檢測(cè)是非破壞性，因此必要時(shí)可對(duì)被檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行100%的全面檢測(cè)，這是破壞性檢測(cè)辦不到的;第三具有全程性，破壞性檢測(cè)一般只適用于對(duì)原

25、材料進(jìn)行檢測(cè)，如機(jī)械工程中普遍采用的拉伸、壓縮、彎曲等，破壞性檢驗(yàn)都是針對(duì)制造用原材料進(jìn)行的，對(duì)于成品和在用品，除非不準(zhǔn)備讓其繼續(xù)服役，否則是不能進(jìn)行破壞性檢測(cè)的，而無(wú)損檢測(cè)因不損壞被檢測(cè)對(duì)象的使用性能。所以，它不僅可對(duì)制造用原材料，各中間工藝環(huán)節(jié)、直至最終產(chǎn)成品進(jìn)行全程檢測(cè)，也可對(duì)服役中的設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)。湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室主要應(yīng)用范圍：主要應(yīng)用范圍：1、焊縫表面缺陷檢查。檢查焊縫表面裂紋、未焊透及焊漏等焊接質(zhì)量。2、內(nèi)腔檢查。檢查表面裂紋、起皮、拉線、劃痕、凹坑、凸起、斑點(diǎn)、腐蝕等缺陷。3、狀態(tài)檢查。當(dāng)某些產(chǎn)品(如蝸輪泵、發(fā)動(dòng)機(jī)等)工作后，

26、按技術(shù)要求規(guī)定的項(xiàng)目進(jìn)行內(nèi)窺檢測(cè)。4、裝配檢查。當(dāng)有要求和需要時(shí)，使用亞泰光電工業(yè)視頻內(nèi)窺鏡對(duì)裝配質(zhì)量進(jìn)行檢查;裝配或某一工序完成后，檢查各零部組件裝配位置是否符合圖樣或技術(shù)條件的要求;是否存在裝配缺陷。5、多余物檢查。檢查產(chǎn)品內(nèi)腔殘余內(nèi)屑，外來(lái)物等多余物。湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室5.3.1 結(jié)構(gòu)原理與特性結(jié)構(gòu)原理與特性 如下圖，當(dāng)通過(guò)金屬體的磁通變化時(shí)，就會(huì)在導(dǎo)如下圖，當(dāng)通過(guò)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，體中產(chǎn)生感生電流，這種電流在導(dǎo)體中是自行閉合的，這就是所謂這就是所謂電渦流電渦流。電渦流的產(chǎn)生必

27、然要消耗一部分。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(chǎng)的線圈阻抗發(fā)生變化，這一物能量，從而使產(chǎn)生磁場(chǎng)的線圈阻抗發(fā)生變化，這一物理現(xiàn)象稱為理現(xiàn)象稱為渦流效應(yīng)渦流效應(yīng)。 線圈的阻抗變化與導(dǎo)體線圈的阻抗變化與導(dǎo)體的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、幾何的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、幾何形狀，線圈的幾何參數(shù)，形狀，線圈的幾何參數(shù)，激勵(lì)電流頻率以及線圈到激勵(lì)電流頻率以及線圈到被測(cè)導(dǎo)體間的距離等因素被測(cè)導(dǎo)體間的距離等因素有關(guān)。有關(guān)。湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室MR1R2L2L1U1I1I2 線圈與金屬導(dǎo)體系統(tǒng)的阻抗、電感都是該系統(tǒng)互線圈與金屬導(dǎo)體系統(tǒng)的阻抗、電感都是該系統(tǒng)互感平方的

28、函數(shù)。而互感是隨線圈與金屬導(dǎo)體間距離的感平方的函數(shù)。而互感是隨線圈與金屬導(dǎo)體間距離的變化而改變的變化而改變的。 其等效電路如上圖所示，其等效電路如上圖所示，R1、L1為傳感器線圈的為傳感器線圈的電阻和電感。短路環(huán)可以認(rèn)為是一匝短路線圈，其電電阻和電感。短路環(huán)可以認(rèn)為是一匝短路線圈，其電阻為阻為R2、電感為電感為L(zhǎng)2。線圈與導(dǎo)體間存在一個(gè)互感線圈與導(dǎo)體間存在一個(gè)互感M，它隨線圈與導(dǎo)體間距的減小而增大。它隨線圈與導(dǎo)體間距的減小而增大。湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室5.3.1.1 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

29、架上的扁平線圈、結(jié)構(gòu)：由一個(gè)固定在框架上的扁平線圈組成。組成。湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室 為了充分有效地利用電渦流效應(yīng)，對(duì)于平板為了充分有效地利用電渦流效應(yīng)，對(duì)于平板型的被測(cè)體則要求被測(cè)體的半徑應(yīng)大于線圈半徑型的被測(cè)體則要求被測(cè)體的半徑應(yīng)大于線圈半徑的的1.81.8倍，否則靈敏度要降低。當(dāng)被測(cè)物體是圓倍，否則靈敏度要降低。當(dāng)被測(cè)物體是圓柱體時(shí)，被測(cè)導(dǎo)體直徑必須為線圈直徑的柱體時(shí)，被測(cè)導(dǎo)體直徑必須為線圈直徑的3.53.5倍倍以上，靈敏度才不受影響。以上，靈敏度才不受影響。2、原理、原理 電渦流傳感器的線圈與被測(cè)金屬導(dǎo)體間是磁電渦流傳感器的線圈與被測(cè)金

30、屬導(dǎo)體間是磁性耦合，電渦流傳感器是利用這種耦合程度的變性耦合，電渦流傳感器是利用這種耦合程度的變化來(lái)進(jìn)行測(cè)量的。因此，被測(cè)物體的物理性質(zhì)，化來(lái)進(jìn)行測(cè)量的。因此，被測(cè)物體的物理性質(zhì)，以及它的尺寸和開關(guān)都與總的測(cè)量裝置特性有關(guān)。以及它的尺寸和開關(guān)都與總的測(cè)量裝置特性有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，被測(cè)物的電導(dǎo)率越高，傳感器的靈敏一般來(lái)說(shuō)，被測(cè)物的電導(dǎo)率越高，傳感器的靈敏度也越高。度也越高。湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室1. 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 傳感器包括發(fā)射和傳感器包括發(fā)射和接收線圈，并分別位于接收線圈，并分別位于被測(cè)材料上、下方。被測(cè)材料上、下方。5.3.1.2 低頻透射式電渦流

31、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(cè)量金屬材料的厚度。深度，適合于測(cè)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)射線圈加到發(fā)射線圈L1兩端。兩端。湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室 若兩線圈間無(wú)金屬導(dǎo)體，則若兩線圈間無(wú)金屬導(dǎo)體，則L2的磁力能較多的磁力能較多穿過(guò)穿過(guò)L2，在在L2上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓e2最大。最大。 如果在兩個(gè)線圈之間設(shè)置一金屬板，由于在金如果在兩個(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，該電渦流消耗了部分

32、能量，使屬板內(nèi)產(chǎn)生電渦流，該電渦流消耗了部分能量，使到達(dá)線圈到達(dá)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(cè)厚度的增大按負(fù)冪指的感應(yīng)電壓與被測(cè)厚度的增大按負(fù)冪指數(shù)的規(guī)律減小，數(shù)的規(guī)律減小， 為了較好地進(jìn)行厚度測(cè)量，激勵(lì)為了較好地進(jìn)行厚度測(cè)量，激勵(lì)頻率應(yīng)選得較低。頻率太高，貫穿深度小于被測(cè)頻率應(yīng)選得較低。頻率太高，貫穿深度小于被測(cè)厚度，不利進(jìn)行厚度測(cè)量，通常選厚度，不利進(jìn)行厚度測(cè)量，通常選1kHz左右。左右。湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室 一般地，測(cè)薄金屬板時(shí)，頻率應(yīng)略高些，測(cè)厚一般地，測(cè)薄金屬板

33、時(shí)，頻率應(yīng)略高些，測(cè)厚金屬板時(shí)，頻率應(yīng)低些。如下圖在測(cè)量金屬板時(shí)，頻率應(yīng)低些。如下圖在測(cè)量較小的較小的材料時(shí)，應(yīng)選較低的頻率（如材料時(shí)，應(yīng)選較低的頻率（如500500HzHz），），測(cè)量測(cè)量較較大的材料，則應(yīng)選用較高的頻率（如大的材料，則應(yīng)選用較高的頻率（如2 2kHzkHz），），從從而保證在測(cè)量不同材料時(shí)能得到較好的線性和靈而保證在測(cè)量不同材料時(shí)能得到較好的線性和靈敏度。敏度。湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室5 5.3.2 .3.2 測(cè)量電路測(cè)量電路 5.3.2.1 電橋電路電橋電路 電橋法是將傳感器線圈的阻抗變化轉(zhuǎn)化為電壓或電流的變化。傳感器線圈的

34、阻抗作為電橋的橋臂，起始狀態(tài)，使電橋平衡。在進(jìn)行測(cè)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(hào)進(jìn)行放大并檢波，就可得到與被測(cè)量成正比的輸出。電橋法主要用于兩個(gè)電渦流線圈組成的差動(dòng)式傳感器。湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室5.3.2.2 諧振法。諧振法。 諧振法是將傳感器線圈的等效電感的變化轉(zhuǎn)化為電壓或電流的變化，傳感器線圈與電容并聯(lián)組成LC并聯(lián)諧振回路。 諧振法主要有調(diào)幅式電路和調(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(jiǎn)單，便于遙測(cè)和數(shù)字顯示。湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研

35、室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室5.4 電感式傳感器的典型應(yīng)用電感式傳感器的典型應(yīng)用 可用于測(cè)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。 5.4.1 位移測(cè)量位移測(cè)量 湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)

36、技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室案例：連續(xù)油管的橢圓度測(cè)量案例：連續(xù)油管的橢圓度測(cè)量Coiled TubeEddy Sensor Reference Circle湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室案例：無(wú)損探傷案例：無(wú)損探傷原理裂紋檢測(cè)，缺陷造成渦流變化。湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室5.4.2 振動(dòng)檢測(cè)振動(dòng)檢測(cè) 5.4.2.1 RS9300低頻振動(dòng)速度傳感器低頻振動(dòng)速度傳感器 其外形如右圖，它是利用磁電感應(yīng)原理把振動(dòng)信號(hào)變換成電信號(hào)。主要由磁路系

37、統(tǒng)、慣性質(zhì)量、彈簧阻尼等部分組成。在傳感器殼體中剛性地固定著磁鐵，慣性質(zhì)量（線圈組件）用彈簧元件懸掛于殼體上。 工作時(shí)，將傳感器安裝在機(jī)器上，在機(jī)器振動(dòng)時(shí)，線圈與磁鐵相對(duì)運(yùn)動(dòng)、切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電壓，該信號(hào)正比于被測(cè)物體的振動(dòng)速度值，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行積分放大處理即可得到位移信號(hào)。 湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院理工分院自動(dòng)化教研室 1）特點(diǎn)：）特點(diǎn)： I. 傳感器有很低的使用頻率，可以適用于低轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)器。 II. 相對(duì)于其它類型的振動(dòng)傳感器而言，RS9300傳感器有較低的輸出阻抗，較好的信噪比。它同一般通用交流電壓表或示波器配合就能工作。對(duì)輸出插頭和傳輸電纜也無(wú)特殊要求，使用方便。