機械工程測試技術(shù)-第七章

第七章：

電感式傳感器石河子大學機械(jīxiè)電氣工程學院電氣工程系石河子大學機械電氣工程學院干燥(gānzào)技術(shù)與裝備實驗室《機械工程測試技術(shù)》精品資料第七章 電感式傳感器內(nèi)容提示(tíshì)：7.1自感傳感器7.2差動變壓器傳感器7.3電感傳感器的應用7.4電渦流傳感器精品資料第七章 電感式傳感器電感傳感器是利用線圈自感或互感量系數(shù)的變化來實現(xiàn)非電量(diànliàng)測量的一種裝置。電感傳感器的分辨力高，但響應速度慢。電感傳感器種類很多，可分為自感式和互感式兩大類。人們習慣上講的電感傳感器通常是指自感式傳感器，而互感式傳感器是利用變壓器原理，又往往做成差動式，故常被稱為差動變壓器式傳感器。精品資料7.1自感(zìɡǎn)傳感器將一只380V交流接觸器線圈與交流毫安表串聯(lián)后，接到機床用控制變壓器的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(tiěxīn)（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。當銜鐵與固定鐵心(tiěxīn)之間的氣隙等于零時，毫安表的讀數(shù)只剩下十幾毫安。精品資料7.1自感(zìɡǎn)傳感器F220V準備(zhǔnbèi)工作精品資料7.1自感(zìɡǎn)傳感器氣隙變小，電感(diànɡǎn)變大，電流變小精品資料7.1自感(zìɡǎn)傳感器當鐵心的氣隙較大時，磁路的磁阻Rm也較大，線圈的電感量L和感抗(ɡǎnkànɡ)XL較小，所以電流I較大。當鐵心閉合時，磁阻變小、電感變大，電流減小。精品資料7.1自感(zìɡǎn)傳感器7.1.1電感傳感器的基本(jīběn)工作原理RM——磁阻，它包括鐵芯磁阻和氣隙的磁阻，即精品資料7.1.1電感傳感器的基本工作(gōngzuò)原理鐵磁材料(cáiliào)各段的磁阻之和，當鐵芯一定時，其值為一定。li

——各段鐵芯長度；μi——各段鐵芯的磁導率；Si——各段鐵芯的截面積；Rd

——空氣隙的磁阻，Rd=2d/m0S精品資料7.1.1電感(diànɡǎn)傳感器的基本工作原理即可得電感(diànɡǎn)為因為鐵磁材料其磁阻與空氣隙磁阻相比較小，計算時可忽略不計，這時有精品資料7.1.1電感傳感器的基本(jīběn)工作原理由上式可知，當線圈及鐵芯一定時，匝數(shù)N為常數(shù)，若改變δ（氣隙厚度）或S（氣隙面積(miànjī)），L值就會引起相應的變化。電感傳感器就是利用這一原理制成的。根據(jù)以上原理，自感傳感器常被制成以下三種形式：變隙式、變面積(miànjī)（變截面）式和螺線管式。精品資料7.1.2變隙式電感(diànɡǎn)傳感器輸入輸出是非線性關(guān)系，氣隙越小靈敏度越高，為了保證一定的線性度，變隙式電感傳感器只能(zhīnénɡ)工作在一段很小的區(qū)域，因而只能(zhīnénɡ)用于測量微小位移。精品資料7.1.3變面積(miànjī)式電感傳感器理論上電感量L與氣隙截面積A成正比，輸入輸出呈線性關(guān)系，靈敏度為常數(shù)(chángshù)。但由于漏感等原因，即使在A=0時，仍有較大的電感，所以其線性區(qū)較小，靈敏度較低。精品資料7.1.4螺線管式電感(diànɡǎn)傳感器螺管式自感傳感器的特點：①結(jié)構(gòu)簡單，制造裝配容易；②由于空氣間隙大，磁路的磁阻高，因此靈敏度低，但測量(cèliáng)范圍廣；③由于磁路大部分為空氣，易受外部磁場干擾；④因螺管可以做的較長，故宜于測量(cèliáng)較大位移；⑤要求線圈框架尺寸和形狀必須穩(wěn)定，否則影響其線性和穩(wěn)定性精品資料7.1.5差動電感(diànɡǎn)傳感器以上三種電感傳感器由于線圈中通有交流勵磁電流，因而銜鐵始終承受電磁吸力，會引起振動及附加誤差，而且非線性誤差較大；另外，外界的干擾如電源電壓(diànyā)頻率的變化，溫度的變化都使輸出產(chǎn)生誤差。精品資料7.1.5差動電感(diànɡǎn)傳感器精品資料7.1.5差動電感(diànɡǎn)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、電源頻率的變化等基本上可以互相抵消(dǐxiāo)，銜鐵承受的電磁吸力也較小，從而減小了測量誤差。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，靈敏度約為非差動式電感傳感器的兩倍。精品資料7.2差動變壓器傳感器7.2.1差動變壓器的工作(gōngzuò)原理精品資料7.2.1差動變壓器的主要(zhǔyào)特性差動變壓器的靈敏度一般可達0.5~5V/mm，行程越小，靈敏度越高。為了提高靈敏度，勵磁電壓在10V左右為宜。電源頻率以1~10kHz為易。差動變壓器線性范圍約為線圈骨架長度的1/10左右。由于差動變壓器中間部分磁場是均勻(jūnyún)的且較強，所以只有中間部分線性較好。通常會采用特殊的繞制方式（兩頭圈數(shù)多，中間圈數(shù)少）來提高線性范圍。精品資料7.3電感(diànɡǎn)傳感器的應用7.3.1位移(wèiyí)測量精品資料7.3.1位移(wèiyí)測量各檔量程(liángchéng)為±3μm、±10μm、±30μm±100μm分辨力可達0.1μm精品資料7.3.1位移(wèiyí)測量精品資料7.3.1位移(wèiyí)測量精品資料7.3.1位移(wèiyí)測量精品資料精品資料7.3.2電感式圓度儀精品資料7.3.2電感式圓度儀精品資料7.3.3壓力(yālì)測量精品資料7.4電渦流(wōliú)傳感器7.4.1電渦流傳感器的工作原理(yuánlǐ)（電渦流效應）

當電渦流線圈與金屬板的距離x減小時，電渦流線圈的等效電感L減小，等效電阻R增大。感抗XL的變化比R的變化大得多，流過電渦流線圈的電流i1增大。精品資料7.4.1電渦流(wōliú)傳感器的工作原理電渦流效應金屬導體置于變化的磁場中時，導體表面就會有感應電流產(chǎn)生。電流的流線在金屬體內(nèi)自行閉合，這種由電磁感應原理產(chǎn)生的旋渦狀感應電流稱為(chēnɡwéi)電渦流，這種現(xiàn)象稱為(chēnɡwéi)電渦流效應。形成電渦流必須具備的兩個條件：存在交變磁場導電體處于交變磁場中精品資料7.4.1電渦流傳感器的工作(gōngzuò)原理集膚效應導體中產(chǎn)生的電渦流(wōliú)i2在金屬導體的縱深方向并不是均勻分布的，而只集中在金屬導體的表面，這稱為集膚效應（也稱趨膚效應）。集膚效應與激勵源頻率f、工件的電導率、磁導率等有關(guān)。頻率f越高，電渦流(wōliú)的滲透的深度就越淺，集膚效應越嚴重。精品資料7.4.1電渦流傳感器的工作(gōngzuò)原理等效阻抗(zǔkàng)分析電渦流線圈受電渦流影響時的等效阻抗(zǔkàng)Z的函數(shù)表達式為：Z=R+jωL=f（i1、f、、、r、x）精品資料7.4.1電渦流(wōliú)傳感器的工作原理檢測深度的控制：由于存在集膚效應，電渦流只能檢測導體表面的各種物理參數(shù)。改變f，可控制檢測深度。激勵源頻率一般設定在100kHz~1MHz。頻率越低，檢測深度越深。間距x的測量：如果控制上式中的i1、f、、、r不變，電渦流線圈的阻抗(zǔkàng)Z就成為間距x的單值函數(shù)，這樣就成為非接觸地測量位移的傳感器。多種用途：如果控制x、i1、f不變，就可以用來檢測與表面電導率有關(guān)的表面溫度、表面裂紋等參數(shù)，或者用來檢測與材料磁導率有關(guān)的材料型號、表面硬度等參數(shù)。精品資料7.4.1電渦流傳感器的工作(gōngzuò)原理精品資料7.4.1電渦流傳感器的工作(gōngzuò)原理要求(yāoqiú)鍋體具有較好的導磁性精品資料7.4.2電渦流傳感器的結(jié)構(gòu)(jiégòu)與特性精品資料7.4.2電渦流(wōliú)傳感器的結(jié)構(gòu)與特性 1—電渦流線圈2—探頭殼體3—殼體上的調(diào)節(jié)螺紋4—印制線路板5—夾持螺母6—電源指示燈 7—閾值指示燈8—輸出屏蔽電纜(diànlǎn)線9—電纜(diànlǎn)插頭精品資料7.4.2電渦流傳感器的結(jié)構(gòu)(jiégòu)與特性CZF-1系列(xìliè)傳感器的性能探頭的直徑越大，測量范圍越大，但分辨力就越差，靈敏度降低精品資料7.4.2電渦流傳感器的結(jié)構(gòu)(jiégòu)與特性被測物體材料、形狀和大小對靈敏度的影響對于非磁性材料，被測體的電導率越高，靈敏度越高對于磁性材料，其靈敏度要視被測金屬的具體情況而定當被測體為圓盤狀物體的平面時，物體的直徑應大于線圈直徑的2倍以上，否則靈敏度將降低當被測體為圓柱體的圓弧面時，其直徑應為線圈直徑的4倍以上應保證被測體的厚度在0.2mm以上此外，在測量時，傳感器線圈周圍除被測到體外，應盡量避開其他導體，以免干擾磁場，引起線圈的附加(fùjiā)損失精品資料7.4.2電渦流傳感器的結(jié)構(gòu)(jiégòu)與特性大直徑(zhíjìng)電渦流探雷器精品資料7.4.3電渦流(wōliú)傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路調(diào)頻(diàopín)（FM）式電路(100kHz~1MHz）當電渦流線圈與被測體的距離x改變時，電渦流線圈的等效電感量L也隨之改變，引起LC振蕩器的輸出頻率變化，此頻率可直接用計算機測量。如果要用模擬儀表進行顯示或記錄時，必須使用鑒頻器，將f轉(zhuǎn)換為電壓UO。精品資料7.4.3電渦流傳感器的測量轉(zhuǎn)換(zhuǎnhuàn)電路精品資料7.4.4電渦流(wōliú)傳感器的應用位移測量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（感應工作面）將產(chǎn)生一個交變磁場。當金屬物體接近此感應面時，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)衰減量的變化，可地計算出與被檢物體的距離、振動等參數(shù)(cānshù)。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使用。精品資料7.4.4電渦流(wōliú)傳感器的應用4~20mA電渦流位移(wèiyí)傳感器外形精品資料7.4.4電渦流(wōliú)傳感器的應用齊平式電渦流位移(wèiyí)傳感器外形齊平式傳感器安裝時可以不高出安裝面，不易被損害。精品資料7.4.4電渦流(wōliú)傳感器的應用零件(línɡjiàn)的識別精品資料7.4.4電渦流(wōliú)傳感器的應用轉(zhuǎn)速的測量(cèliáng)若轉(zhuǎn)軸上開z個槽(或齒)，頻率計的讀數(shù)為f（單位為Hz），則轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速n（r/min）的計算公式為精品資料7.4.4電渦流(wōliú)傳感器的應用鍍層厚度測量由于存在集膚效應，鍍層或箔層越薄，電渦流越小。測量前，可先用電渦流測厚儀對標準厚度的鍍層和銅箔作出“厚度-輸出”電壓的標定曲線，以便(yǐbiàn)測量時對照。精品資料7.4.4電渦流(wōliú)傳感器的應用電渦流式通道安全檢查門安檢門的內(nèi)部設置有發(fā)射線圈和接收線圈。當有金屬物體通過時，交變磁場就會在該金屬導體表面產(chǎn)生電渦流，會在接收線圈中感應出電壓，計算機根據(jù)感應電壓的大小、相位來判定金屬物體的大小。在安檢門的側(cè)面還安裝一臺“軟x光”掃描儀，它對人體、膠卷無害(wúhài)，用軟件處理的方法，可合成完整的光學圖像。精品資料7.4.5接近(jiējìn)開關(guān)接近開關(guān)又稱無觸點行程開關(guān)。它能在一定(yīdìng)的距離（幾毫米至幾十毫米）內(nèi)檢測有無物體靠近。當物體與其接近到設定距離時，就可以發(fā)出“動作”信號。精品資料7.4.5接近(jiējìn)開關(guān)接近開關(guān)(kāiguān)的外形精品資料7.4.5接近(jiējìn)開關(guān)常用的接近(jiējìn)開關(guān)有電渦流式（俗稱電感接近(jiējìn)開關(guān)）、電容式、磁性干簧開關(guān)、霍爾式、光電式、微波式、超聲波式等。精品資料7.4.5接近(jiējìn)開關(guān)電渦流式接近開關(guān)俗稱電感接近開關(guān)，屬于一種開關(guān)量輸出(shūchū)的位置傳感器。它由LC高頻振蕩器和放大處理電路組成，利用金屬物體在接近這個能產(chǎn)生交變電磁場的振蕩感辨頭時，使物體內(nèi)部產(chǎn)生渦流。這個渦流反作用于接近開關(guān)，使接近開關(guān)振蕩能力衰減，內(nèi)部電路的參數(shù)發(fā)生變化，由此識別出有無金屬物體接近，進而控制開關(guān)的通或斷。這種接近開關(guān)所能檢測的物體必須是導電性能良好的金屬物體。精品資料7.4.5接近(jiējìn)開關(guān)接近開關(guān)的常用(chánɡyònɡ)術(shù)語