傳感器與檢測技術(shù)教學(xué)課件第三章

第3章電感式傳感器3/6/20233.2差動變壓器式傳感器23.1自感式傳感器13.3電渦流式傳感器3目錄3.4電感式傳感器的應(yīng)用43/6/2023知識目標：（1）了解自感式傳感器工作原理、轉(zhuǎn)換電路與使用方法。（2）掌握差動變壓器式傳感器的工作原理、轉(zhuǎn)換電路。（3）掌握電渦流式傳感器的工作原理和實際應(yīng)用方法。教學(xué)目標技能目標：（1）能夠根據(jù)檢測要求選擇合適的電感式傳感器。（2）能夠根據(jù)被測信號的特點設(shè)計出簡單合理的傳感器檢測電路。（3）能夠正確維護常用電子檢測設(shè)備。3/6/2023情感目標：（1）具有工作與學(xué)習(xí)良好的交流與團隊合作能力。

（2）培養(yǎng)良好的合作精神、創(chuàng)新精神和競爭意識。（3）能適應(yīng)具體工作的需要，在實際的工作中發(fā)揮其創(chuàng)造性。教學(xué)重難點教學(xué)重點：電感式傳感器的工作原理和應(yīng)用。教學(xué)難點：電感式傳感器的測量電路。3/6/2023電感式傳感器建立在電磁感應(yīng)的基礎(chǔ)上，把輸入物理量（如位移、振幅、壓力、流量、比重等參數(shù)）轉(zhuǎn)換為線圈的電感和互感的變化,再由測量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化。

電感式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單,工作可靠,測量精度高,零點穩(wěn)定,輸出功率較大等一系列優(yōu)點,在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。電感式傳感器種類很多,本章主要介紹自感式、差動變壓器式、電渦流式傳感器這三大類傳感器。

電感式傳感器3/6/20233.1自感式傳感器先看一個實驗：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，如圖4-1所示。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，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。

3/6/2023電感傳感器的基本工作原理演示F220V準備工作3/6/2023氣隙變小，電感變大，電流變小F電感傳感器的基本工作原理演示3/6/2023電感傳感器的基本工作原理

當(dāng)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XL

較小，所以電流I較大。當(dāng)鐵心閉合時，磁阻變小、電感變大，電流減小。

3/6/2023電感量計算公式

：N：線圈匝數(shù)；A：氣隙的有效截面積；

0

：真空磁導(dǎo)率；：氣隙厚度。

請分析電感量L與氣隙厚度及氣隙的有效截面積A之間的關(guān)系，并討論有關(guān)線性度的問題。3/6/2023自感式電感傳感器常見的形式

變隙式變截面式螺線管式

3/6/2023L-δ特性曲線1.變隙式自感傳感器

變隙式自感傳感器的測量范圍與靈敏度及線性度是相矛盾的，因此變隙式自感式傳感器適用于測量微小位移場合。為了減小非線形誤差，實際中廣泛采用差動變隙式電感傳感器。3/6/20232.變截面式自感傳感器

圖3-4變截面式自感傳感器的輸出特性1—實際輸出特性；2—理想輸出特性由式3-2可知理論上電感量L與氣隙截面積A成正比3/6/20233.螺線管式自感傳感器

1）電感量L與銜鐵插入深度l1成正比（在螺線管中部時）2）適應(yīng)于測量較大位移3）靈敏度較低

上述三種傳感器的線圈中均通有交流勵磁電流，因而銜鐵始終承受電磁吸力，會引起附加誤差，且非線性誤差較大。另外，外界的干擾(如電源電壓、頻率、溫度的變化)也會使輸出產(chǎn)生誤差，所以在實際工作中常采用差動形式，這樣既可以提高傳感器的靈敏度，又可以減小測量誤差。3/6/2023差動電感傳感器的特點

在變隙式差動電感傳感器中，當(dāng)銜鐵隨被測量移動而偏離中間位置時，兩個線圈的電感量一個增加，一個減小，形成差動形式。請分析：靈敏度、線性度有何變化1-差動線圈；2-鐵心；3-銜鐵；4-測桿；5-工件曲線1、2為L1、L2

的特性，3為差動特性3/6/2023

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，銜鐵承受的電磁吸力也較小，從而減小了測量誤差。

差動式電感傳感器的特性

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。3/6/20233.1.2自感式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路

為了測出電感的變化，同時也為了將電感送入下級電路進行放大和處理，自感式傳感器要用測量轉(zhuǎn)換電路把電感轉(zhuǎn)換為電流或電壓的變化量。自感式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路一般采用調(diào)幅電路，調(diào)幅電路主要包括變壓器電橋電路和交流電橋電路。而調(diào)頻電路和調(diào)相電路用得較少。3/6/2023

1.變壓器電橋電路變壓器電橋電路如圖3-7所示,電橋的工作橋臂為Z1與Z2，它們是傳感器線圈阻抗,另外兩橋臂為交流變壓器次級線圈的1/2阻抗，輸出電壓取自B點，即變壓器次級線圈的中心抽頭。

當(dāng)傳感器的銜鐵處于中間位置,即Z1=Z2=Z時有=0,電橋平衡。

圖3-7變壓器式交流電橋3/6/20232.交流電橋電路圖3-8所示為交流電橋電路,及其輸出特性曲線，由于交流電橋電路的結(jié)構(gòu)不完全對稱，初態(tài)時電橋不完全平衡，因而產(chǎn)生靜態(tài)偏壓，稱為零點殘余電壓。圖3-8交流電橋電路

3/6/20233.2差動變壓器式傳感器

電源中用到的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(dāng)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(yīng)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的電壓之和。

請將單相變壓器二次線圈N21、N22的有關(guān)端點按全波整流電路的要求正確地連接起來。3/6/20233.2.1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)換為一次線圈與二次線圈間的互感量M的變化的裝置。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。目前應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)型式是螺線管式差動變壓器。差動變壓器的結(jié)構(gòu)原理如圖3-10所示。在線框上繞有一組輸入線圈（稱一次線圈）；在同一線框的上端和下端再繞制兩組完全對稱的線圈（稱二次線圈），它們反向串聯(lián)，組成差動輸出形式。理想差動變壓器的原理如圖3-11。圖中標有黑點的一端稱為同名端，通俗說法是指線圈的“頭”。3/6/2023圖3-10差動變壓器式傳感器的結(jié)構(gòu)圖3-11差動變壓器式傳感器的等效電路3/6/2023差動變壓器式傳感器的等效電路

結(jié)構(gòu)特點：兩個二次線圈反向串聯(lián)，組成差動輸出形式。

請將二次線圈N21、N22的有關(guān)端點正確地連接起來，并指出哪兩個為輸出端點。3/6/2023從圖3-12中可看出，當(dāng)銜鐵位于中心位置，輸出電壓并不是零電位，這個電壓就是零點殘余電壓它的存在使差動變壓器式傳感器的輸出特性曲線不經(jīng)過零點，造成實際特性和理論特性不完全一致。，圖3-12差動變壓器式傳感器輸出電壓特性曲線3/6/20231.差動整流電路（a）半波電流輸出電路（b）全波電流輸出電路圖3-13差動整流電路3.2.2差動變壓器式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路3/6/2023電路是以兩個橋路整流后的直流電壓之差作為輸出的，所以稱為差動整流電路。它不但可以反映位移的大?。妷旱姆担?，還可以反映位移的方向。上圖中的R0是用來微調(diào)電路平衡的，VD1~VD4、VD5~VD8組成普通橋式整流電路。差動整流的特點3/6/20232.相敏檢波電路圖3-14相敏檢波電路3/6/20233.3電渦流式傳感器電渦流式傳感器可以對位移、振幅、表面溫度、速度、應(yīng)力、金屬板厚度及金屬物件的無損探傷等物理量實現(xiàn)非接觸式測量。

電渦流式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、頻率響應(yīng)快、靈敏度高、測量范圍大、抗干擾能力強的優(yōu)點，在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的各個領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用。3/6/20233.3.1電渦流效應(yīng)根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，金屬導(dǎo)體置于變化的磁場中時，導(dǎo)體表面就會有感應(yīng)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(yīng)原理產(chǎn)生的旋渦狀感應(yīng)電流稱為電渦流。電渦流的產(chǎn)生必然要消耗一部分能量，從而使產(chǎn)生磁場的線圈阻抗發(fā)生變化，這一物理現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。電渦流式傳感器是利用電渦流效應(yīng)，將非電量轉(zhuǎn)換為阻抗的變化而進行測量的。根據(jù)電渦流在導(dǎo)體中的貫穿情況，通常把電渦流式傳感器按勵磁電源頻率的高低分為高頻反射式傳感器和低頻透射式傳感器，前者的應(yīng)用較為廣泛。3/6/2023圖3-15電渦流式傳感器的結(jié)構(gòu)1—線圈；2—框架；3—框架襯套；4—支架；5—電纜；6—插頭3.3.2電渦流式傳感器的工作原理3/6/2023電渦流效應(yīng)演示

當(dāng)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。3/6/20233.3.3電渦流式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路電渦流式傳感器的線圈與被測金屬導(dǎo)體間的距離x的變化可以轉(zhuǎn)換為品質(zhì)因數(shù)、阻抗、電感三個參數(shù)的變化。利用阻抗的測量轉(zhuǎn)換電路一般采用電橋電路，屬于調(diào)幅電路。利用電感的測量轉(zhuǎn)換電路一般采用諧振電路，根據(jù)輸出是電壓幅值還是電壓頻率，諧振電路又可分為調(diào)幅和調(diào)頻兩種。3/6/20231.電渦流式傳感器的電橋電路圖3-18電渦流式傳感器的電橋電路3/6/20232.電渦流式傳感器的諧振電路電渦流式傳感器線圈與電容并聯(lián)組成并聯(lián)諧振電路。該并聯(lián)諧振電路的諧振頻率為式中，f0為諧振電路的諧振頻率（Hz）；L為電渦流式傳感器線圈的電感（H）；C為諧振電路的電容（F）。諧振電路的等效阻抗為式中，為諧振電路的等效損耗電阻（Ω）。3/6/20231）調(diào)幅式電路圖3-19調(diào)幅式電路的原理圖

石英振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)頻、穩(wěn)幅高頻振蕩電壓(100kHz~1MHz）用于激勵電渦流線圈。金屬材料在高頻磁場中產(chǎn)生電渦流，引起電渦流線圈端電壓的衰減，再經(jīng)高放、檢波、低放電路，最終輸出的直流電壓Uo反映了金屬體對電渦流線圈的影響（例如兩者之間的距離等參數(shù)）。3/6/20232）調(diào)頻式電路圖3-20調(diào)頻式電路的原理圖當(dāng)電渦流線圈與被測體的距離x改變時，電渦流線圈的電感量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

。

3/6/20231.自感式位移傳感器軸向式電感測微器的外形

航空插頭紅寶石測頭3.4電感式傳感器的應(yīng)用3.4.1自感式傳感器的應(yīng)用3/6/2023其他電感測微頭3/6/2023螺管式自感傳感器的結(jié)構(gòu)圖

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墸ㄖ本€軸承）；8—測桿；9—密封套；10—可換測端3/6/20232.自感式壓力傳感器圖3-22自感式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖3/6/20233.4.2差動變壓器式傳感器的應(yīng)用1.差動變壓器式加速度傳感器圖3-23差動變壓器式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖1—懸臂梁；2—差動變壓器3/6/20232.差動變壓器式傳感器在仿形機床上的應(yīng)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3/6/2023仿形銑床外形

仿形機床采用閉環(huán)工作方式仿形頭主軸3/6/2023仿形車床原理3/6/20233.4.3電渦流式傳感器的應(yīng)用電渦流式傳感器測量的恒定參數(shù)、變化量及主要用途見表3-1。表3-1電渦流式傳感器測量的恒定參數(shù)、變化量及主要用途。恒定參數(shù)變化量主要用途ρ、μ、f、γx位移、厚度尺寸及振動幅度的測量μ、f、γ、xρ溫度檢測及材質(zhì)的判斷ρ、x、f、γμ應(yīng)力及硬度的測試f、γρ、μ、x物體的探傷3/6/20231.位移測量圖3-25位移—電壓關(guān)系曲線3/6/20232.振幅測量圖3-26電渦流式傳感器監(jiān)控主軸的徑向振動圖3-27測量汽輪機渦輪葉片的振幅3/6/2023圖3-28軸的振動測量3/6/2023通過測量間隙來