電感傳感器市公開課一等獎省賽課獲獎課件

本章學習自感式電感傳感器和差動變壓器（互感）式電感傳感器，介紹他們結構、工作原理、測量電路以及應用。第三章電感式傳感器10/10/1電感傳感器第1頁電感式傳感器：利用電磁感應原理將被測非電量（位移、壓力、流量、振動等）轉(zhuǎn)換成線圈自感量L或互感量M改變,再由測量電路轉(zhuǎn)換為電量（電壓、電流）改變量輸出裝置。優(yōu)點：結構簡單，工作可靠，測量精度高(1μm)，零點穩(wěn)定，輸出功率較大。缺點：靈敏度、線性度和測量范圍相互制約，傳感器本身頻率響應低，不適合用于快速動態(tài)測量。10/10/2電感傳感器第2頁第一節(jié)自感式傳感器觀看一個小試驗F220V準備工作10/10/3電感傳感器第3頁電感傳感器基本工作原理演示氣隙變小，電感變大，電流變小。F10/10/4電感傳感器第4頁當將一只380V交流接觸器線圈與交流毫安表串聯(lián)后，接到控制變壓器36V交流電壓源上，這時毫安表示值約為幾十毫安。用手慢慢將接觸器活動鐵心（稱為銜鐵）往下按，我們會發(fā)覺毫安表讀數(shù)逐步減小。當銜鐵與固定鐵心之間氣隙等于零時，毫安表讀數(shù)只剩下十幾毫安。

當鐵心氣隙較大時，磁路磁阻Rm也較大，線圈電感量L和感抗XL較小，所以電流I較大。當鐵心閉合時，氣隙變小，磁阻變小、電感變大，電流減小。10/10/5電感傳感器第5頁一、工作原理變磁阻式傳感器由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵由導磁材料（硅鋼片、坡莫合金）制成，鐵芯和銜鐵之間有氣隙，厚度為δ，傳感器運動部分與銜鐵相連。當銜鐵移動時，氣隙厚度δ發(fā)生改變，引發(fā)磁路中磁阻改變，從而造成電感線圈電感值改變，所以只要能測出這種電感量改變，就能確定銜鐵位移量大小和方向。自感傳感器工作原理10/10/6電感傳感器第6頁依據(jù)電磁感應定義，線圈中電感量可由下式確定：

式中：Ψ——線圈總磁鏈；I——經(jīng)過線圈電流；N——線圈匝數(shù)；Φ——穿過線圈磁通。由磁路歐姆定律，得：

式中：Rm—磁路總磁阻。10/10/7電感傳感器第7頁因為氣隙很小，所以能夠認為氣隙中磁場是均勻。若忽略磁損，則磁路總磁阻為：式中:μ1——鐵芯材料導磁率；μ2——銜鐵材料導磁率；L1——磁通經(jīng)過鐵芯長度；L2——磁通經(jīng)過銜鐵長度；A1——鐵芯截面積；A2——銜鐵截面積；μ0——空氣導磁率；δ——氣隙厚度；A0——氣隙截面積。10/10/8電感傳感器第8頁通常，氣隙磁阻遠大于鐵芯和銜鐵磁阻，即：可近似為：聯(lián)立可得：上式表明，當線圈匝數(shù)為常數(shù)時,電感L僅僅是磁路中磁阻Rm函數(shù)，只要改變δ、A0或μ0均可造成電感改變，所以變磁阻式傳感器又可分為變氣隙厚度δ傳感器、變氣隙面積A0傳感器和變磁導率μ0傳感器。使用最廣泛是變氣隙厚度δ式電感傳感器。10/10/9電感傳感器第9頁自感式電感傳感器常見形式

變隙式變截面式螺線管式

請分析電感量L與氣隙厚度、氣隙有效截面積A及材料磁導率μ之間關系，并討論相關線性度問題。10/10/10電感傳感器第10頁輸出特征設電感傳感器初始氣隙為δ0,初始電感量為L0,銜鐵位移引發(fā)氣隙改變量為Δδ，從下式可知L與δ之間是非線性關系，特征曲線如圖所表示，初始電感量為：10/10/11電感傳感器第11頁

請分析：靈敏度、線性度有何改變曲線1、2為L1、L2特征，3為差動特征在變隙式差動電感傳感器中，當銜鐵隨被測量移動而偏離中間位置時，兩個線圈電感量一個增加，一個減小，形成差動形式。1-差動線圈2-鐵心3-銜鐵4-測桿5-工件差動電感傳感器特點10/10/12電感傳感器第12頁10/10/13電感傳感器第13頁

當銜鐵上移Δδ時，上部分鐵心與銜鐵氣隙減小Δδ，即δ=δ0-Δδ，則此時輸出電感為L=L0+ΔL，代入上式式并整理，得：當Δδ/δ0<<1時,可將上式用臺勞級數(shù)展開成級數(shù)形式為：由上式可求得電感增量ΔL和相對增量ΔL/L0表示式,即10/10/14電感傳感器第14頁而下部分鐵心與銜鐵氣隙增大Δδ，即δ=δ0+Δδ，則此時輸出電感為L=L0-ΔL，代入式子式并整理，得：對上面兩式作求差，忽略高次項，可得：靈敏度為：當銜鐵下移Δδ時，情況剛好相反。10/10/15電感傳感器第15頁從結構圖能夠看出，差動式電感傳感器對外界影響，如溫度改變、電源頻率改變等基本上能夠相互抵消，銜鐵承受電磁吸力也較小，從而減小了測量誤差。

差動式電感傳感器特征從曲線圖能夠看出，差動式電感傳感器線性很好，且輸出曲線較陡，靈敏度約為非差動式電感傳感器兩倍。10/10/16電感傳感器第16頁測量轉(zhuǎn)換電路作用是將電感量改變轉(zhuǎn)換成電壓或電流改變，方便用儀表指示出來。因激勵電源為交流電源，若僅采取電橋電路和普通檢波電路，則只能判別位移大小，卻無法判別輸出相位和位移方向。假如在輸出電壓送到指示儀前，經(jīng)過一個能判別相位檢波電路，則不但能夠反應位移大?。ǚ担€能夠反應位移方向（相位）。這種檢波電路稱為相敏檢波電路。測量轉(zhuǎn)換電路10/10/17電感傳感器第17頁相敏檢波輸出特征曲線a）非相敏檢波b）相敏檢波1—理想特征曲線2—實際特征曲線10/10/18電感傳感器第18頁實測得到相敏檢波電路特征曲線

經(jīng)過調(diào)零電路，可使輸出曲線平移到原點。標定位移時試驗數(shù)據(jù)及曲線10/10/19電感傳感器第19頁第二節(jié)差動變壓器式傳感器電源中用到“單相變壓器”有一個一次線圈（又稱為初級線圈），有若干個二次線圈（又稱次級線圈）。當一次線圈加上交流激磁電壓Ui后，將在二次線圈中產(chǎn)生感應電壓UO。在全波整流電路中，兩個二次線圈串聯(lián)，總電壓等于兩個二次線圈電壓之和。10/10/20電感傳感器第20頁差動變壓器結構原理以下列圖所表示。在線框上繞有一組輸入線圈（稱一次線圈）；在同一線框上端和下端再繞制兩組完全對稱線圈（稱二次線圈），它們反向串聯(lián)，組成差動輸出形式。圖中標有黑點一端稱為同名端，通俗說法是指線圈“頭”。差動變壓器式傳感器工作原理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互感量M

改變裝置。當一次線圈接入激勵電源之后，二次線圈就將產(chǎn)生感應電動勢，當二者間互感量改變時，感應電動勢也對應改變。因為兩個二次線圈采取差動接法，故稱為差動變壓器。當前應用最廣泛結構型式是螺線管式差動變壓器。10/10/21電感傳感器第21頁差動變壓器式傳感器等效電路結構特點：兩個二次線圈反向串聯(lián)，組成差動輸出形式。差動變壓器靈敏度普通可達0.5-5V/mm，行程越小，靈敏度越高。為了提升靈敏度，勵磁電壓在10V左右為宜。電源頻率以1-10kHz為好。差動變壓器線性范圍約為線圈骨架長度1/10左右。10/10/22電感傳感器第22頁測量電路（以差動整流為例）10/10/23電感傳感器第23頁差動整流特點上圖中RP是用來微調(diào)電路平衡，VD1-VD4、VD5-VD8組成普通橋式整流電路，Ｃ3、Ｃ4、Ｒ3、Ｒ4組成低通濾波電路，Ａ1及Ｒ21、Ｒ22、Ｒf、Ｒ23組成差動減法放大器，用于克服a、b兩點對地共模電壓。電路是以兩個橋路整流后直流電壓之差作為輸出，所以稱為差動整流電路。它不但能夠反應位移大?。妷悍担?，還能夠反應位移方向。10/10/24電感傳感器第24頁第三節(jié)電感式傳感器應用一、位移測量軸向式電感測微器外形紅寶石測頭航空插頭測頭10/10/25電感傳感器第25頁軸向式電感測微器內(nèi)部結構1—引線電纜2—固定磁筒3—銜鐵4—線圈5—測力彈簧6—防轉(zhuǎn)銷7—鋼球?qū)к?—測桿9—密封套10—測端11—被測工件12—基準面

圓柱滾子測微儀10/10/26電感傳感器第26頁電感式滾柱直徑分選裝置滾柱直徑分選裝置1—氣缸2—活塞3—推桿4—被測滾柱5—落料管6—電感測微器7—鎢鋼測頭8—限位擋板9—電磁翻板10—容器（料斗）10/10/27電感傳感器第27頁滑道分選倉位電感式滾柱直徑分選裝置（外形）落料振動臺滑道11個分選倉位10/10/28電感傳感器第28頁二、電感傳感器在仿形機床中應用1—標準靠模樣板2—測端(靠模輪)3—電感測微器4—銑刀龍門框架5—立柱6—伺服電動機7—銑刀8—毛坯10/10/29電感傳感器第29頁仿形銑床外形

仿形頭主軸仿形機床采取閉環(huán)工作方式10/10/30電感傳感器第30頁三、電感式不圓度計原理該圓度計采取旁向式電感測微頭10/10/31電感傳感器第31頁電感式不圓度測試系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)盤測量頭旁向式電感測微頭10/10/32電感傳感器第32頁不圓度測量打印10/10/33電感傳感器第33頁電感式輪廓儀

旁向式電感測微頭10/10/34電感傳感器第34頁四、壓力測量1—壓力輸入接頭2—波紋膜盒3—電纜4—印制線路板5—差動線圈6—銜鐵7—電源變壓器8—罩殼9—指示燈10—密封隔板11—安裝底座10/10/35電感傳感器第35頁壓力測量用膜盒

膜盒由兩片波紋膜片焊接而成。所謂波紋膜片是一個壓有同心波紋圓形薄膜。當膜片四面固定，兩側(cè)面存在壓差時，膜片將彎向壓力低一側(cè)，所以能夠?qū)毫ψ儞Q為直線位移。10/10/36電感