《電感式傳感器》PPT課件

1、,概述,電感式傳感器是一種機電轉換裝置， 特別是在自動控制設備中廣泛應用。 電感式傳感器利用電磁感應定律將被測 非電量（如位移、壓力、流量、振動） 轉換為電感或互感的變化。 按傳感器結構可分為： 自感式、互感式、電渦流式。,4.1自感式式傳感器（變磁阻）,結構:由線圈、鐵芯、銜鐵三部分組成。 鐵芯和銜鐵之間有氣隙，氣隙厚度為 ; 傳感器運動部分與銜鐵相連，銜鐵移動時發(fā) 生變化，引起磁路的磁阻Rm變化，使電芯線圈 的電感值L變化； 只要改變氣隙厚度或氣隙截面積就可以改變電感。,一、工作原理,總磁阻,線圈匝數(shù),兩式聯(lián)立得:,圖4-1 變磁阻式傳感器,I 為線圈中所通交流電的有效值。,空氣導磁率,而

2、,其中,如果A保持不變，則L為的單值函數(shù)，構成變氣隙式自感傳感器,若保持不變，使A隨被測量（如位移）變化，則構成變截面式自感傳感器，,，A,L,L= f (A),L= f (),圖4-3 電感傳感器特性,銜鐵下移,二、變氣隙式自感傳感器的輸出特性,忽略高次項：,銜鐵上移,忽略高次項：,三、差動式自感傳感器,在實際使用中，常采用兩個相同的傳感線圈共用一個銜鐵，構成差動式自感傳感器，兩個線圈的電氣參數(shù)和幾何尺寸要求完全相同。這種結構除了可以改善線性、提高靈敏度外，對溫度變化、電源頻率變化等的影響也可以進行補償，從而減少了外界影響造成的誤差。,圖4-4是變氣隙型、變面積型及螺管型三種類型的差動式自感

3、傳感器的結構示意圖。當銜鐵3移動時，一個線圈的電感量增加，另一個線圈的電感量減少，形成差動形式。,圖4-4 差動式自感傳感器 1-線圈 2-鐵芯 3-銜鐵 4-導桿,（a） 變氣隙型,（b） 變面積型,（c） 螺管型,變氣隙型差動式自感傳感器,銜鐵下移：,忽略高次項：,提高一倍,上式中不存在偶次項，顯然差動式自感傳感器的非線性誤差在工作范圍內要比單個自感傳感器的小得多。,差動式與單線圈電感式傳感器相比，具有下列優(yōu)點： 線性好； 靈敏度提高一倍，即銜鐵位移相同時，輸出信號大一倍； 溫度變化、電源波動、外界干擾等對傳感器精度的影響，由于能互相抵消而減小； 電磁吸力對測力變化的影響也由于能相互抵消而

4、減小。,四、自感式傳感器的等效電路,實際傳感器中，線圈不可能是純電感，它包括線圈的銅損電阻RC ；鐵芯的渦流損耗電阻Re ；由于線圈和測量設備電纜的接入，存在線圈固有電容和電纜的分布電容，用集中參數(shù)C表示。,圖4-6 等效電路,五、 自感式傳感器的測量電路,1. 電阻平衡臂交流電橋,圖4-7 交流電橋,差動的兩個傳感器線圈接成電橋的兩個工作臂（Z1、Z2為兩個差動傳感器線圈的復阻抗），另兩個橋臂用平衡電阻R1、R2代替。,設初始時 Z1= Z2= Z = RS+jL；R1 = R2 = R ； L1= L2= L0 。 工作時 Z1=RS+jwL1;Z2=RS+jwL2,R1,R2,Z2,Z1

5、,對差動變氣隙式自感傳感器：,可見，電橋輸出電壓與有關，相位與銜鐵移動方向有關。由于是交流信號，還要經(jīng)過適當電路（如相敏檢波電路）處理才能判別銜鐵位移的大小及方向。,4,3,2,1,-,1、2為兩線圈的電感特性，,3為兩線圈差接時的電感特性，,圖線4為差接后電橋輸出電壓與位移間的特性曲線。,說明：電橋輸出電壓的大小與銜鐵的位移量有關，相位與銜鐵的移動方向有關。,若設銜鐵向上移動為負，則U0為負；銜鐵向下移動為正，則U0為正，相位差180。,圖4-8 變壓器交流電橋,電橋A點的電位為：,B點電位為,電橋兩臂Z1、Z2為傳感器線圈阻抗,初始位置,銜鐵下移,銜鐵上移,若線圈的Q值很高，損耗電阻可忽略

6、，則,由上式可知，當銜鐵向上、向下移動相同的距離時，產(chǎn)生的輸出電壓大小相等，但極性相反。由于是交流信號，要判斷銜鐵位移的大小及方向同樣需要經(jīng)過相敏檢波電路的處理。,4.2 差動變壓器式傳感器（互感式） 4.2.1 工作原理,把被測的非電量變化轉換成為 線圈互感量的變化的傳感器稱為互感式傳感器。 這種傳感器根據(jù)變壓器的基本 原理制成，并將次級線圈繞組用 差動形式連接。 差動變壓器的結構形式較多， 應用最多的是螺線管式差動變壓 器。它可測量1100mm范圍內的 機械位移。,等效電路： 兩個次級線圈必須反相串聯(lián)接，保證差動形式。 如果線圈完全對稱并且銜鐵處于中間位置時兩線圈 互感系數(shù)相等 電動勢相等

7、,差動輸出電壓為零：,一、 工作原理,可見: 輸出電壓大小和符號反映了 鐵心位移的大小和方向。,當銜鐵上下移動時，輸出電壓隨銜鐵位移變化。,若銜鐵上移,若銜鐵下移,二、基本特性,由此得到輸出電壓有效值為 ：,可見輸出電壓與互感的差值有關,根據(jù)電磁感應定律，次級感應電動勢分別為,鐵芯向右移， 輸出與E2a同極性； 鐵芯向左移， 輸出與E2b同極性； 輸出電壓的幅值取決于線圈 互感即銜鐵在線圈中移動的 距離X。Uo與Ui的相位由銜 鐵的移動方向決定。,差動變壓器輸出電壓和位移的關系,差動變壓器結構形式,三、 零點殘余電壓,由于兩個次級線圈繞組電氣系數(shù) （M互感 L電感 R內阻）不同，幾何尺寸工藝上

8、很難保證完全相同。實際的特性曲線，在零點上總有一個最小的輸出電壓，這個鐵芯處于中間位置時最小不為零的電壓稱為零點殘余電壓。,四、差動變壓器式傳感器及測量電路,差動變壓器輸出交流信號。為正確反映銜鐵位移 大小和方向，常采用差動整流電路和相敏檢波電路。 （1）差動整流電路 ，輸入一交流信號時,（2）相敏檢波電路,（a）相敏檢波電路原理圖； （b）us、u2為正半周時等效電路；(c) us、u2為負半周時等效電路,上一頁,返 回,下一頁,相敏檢波電路波形,(a）被測位移變化波形圖； (b)差動變壓器激勵電壓波形； (c) 差動變壓器輸出電壓波形； (d)相敏檢波解調電壓波形； (e)相敏檢波輸出電壓

9、波形,上一頁,返 回,下一頁,4.3 電感式傳感器的應用,一、位移測量,軸向式電感 測微器的外形,航空插頭,紅寶石測頭,其他電感測微頭,模擬式及數(shù)字式電感測微儀,軸向式電感測微器的內部結構,1引線電纜 2固定磁筒 3銜鐵 4線圈 5測力彈簧 6防轉銷 7鋼球導軌（直線軸承） 8測桿 9密封套 10測端 11被測工件 12基準面,二、電感式滾柱直徑分選裝置,圖3-14 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）,二、電感式滾柱直徑分選裝置,測微儀,圓柱滾子,電感式滾柱直徑分選裝置（外形）,滑道,分選倉位,軸承

10、滾子外形,（參考中原量儀股份有限公司資料）,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,（參考無錫市通達滾子有限公司資料）,廢料倉,三、電感傳感器在仿形機床中的應用,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,仿形銑床外形,仿形機床采用 閉環(huán)工作方式,仿形頭,主軸,仿形車床原理,四、電感式不圓度計原理,該圓度計采用旁向式電感測微頭,電感式不圓度測量系統(tǒng)外形（參考洛陽匯智測控技術有限公司資料）,旋轉盤,測量頭,五、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

11、燈 10密封隔板 11安裝底座,壓力測量用的膜盒,膜盒由兩片波紋膜片焊接而成。所謂波紋膜片是一種壓有同心波紋的圓形薄膜。當膜片四周固定，兩側面存在壓差時，膜片將彎向壓力低的一側，因此能夠將壓力變換為直線位移。,七、一次儀表與 420mA二線制輸出方式,圖3-17所示的壓力變送器已經(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，且便于遠距離傳輸（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。,420mA二線制輸出方式,新的國家標準規(guī)定電流輸出為420mA；電壓輸出為15V(舊國標為010mA或02V

12、)。4mA對應于零輸入，20mA對應于滿度輸入。不讓信號占有04mA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，這類一次儀表內部均采用微電流集成電路，總的耗電還不到4mA，因此還能利用04mA這一部分“本底”電流為一次儀表的內部電路提供工作電流，使一次儀表成為兩線制儀表。,420mA二線制輸出方式,所謂二線制儀表是指儀表與外界的聯(lián)系只需兩根導線。多數(shù)情況下，其中一根（紅色）為+24V電源線，另一根（黑色）既作為電源負極引線，又作為信號傳輸線。在信號傳輸線的末端通過一只標準負載電阻（也稱取樣電阻）接地（也就是電源負極），將電流信號轉變成電壓信號。,420mA二線制儀表

13、接線方法,420mA,420mA二線制數(shù)顯表外形及計算,在上一張圖中，若取樣電阻RL =500.0，則對應于420mA的輸出電流，輸出電壓Uo為210V。,一、電渦流傳感器工作原理,電渦流效應演示,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。,4.4 電渦流式傳感器,集膚效應,集膚效應與激勵源頻率f、工件的電導率、磁導率等有關。頻率f越高，電渦流的滲透的深度就越淺，集膚效應越嚴重。,圖4-1是電渦流傳感器工作原理示意圖。當高頻（100kHz左右）信號源產(chǎn)生的高頻電壓施加到一個

14、靠近金屬導體附近的電感線圈L1時，將產(chǎn)生高頻磁場H1。如被測導體置于該交變磁場范圍之內時，被測導體就產(chǎn)生電渦流i2。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）。,二、等效阻抗分析,檢測深度與激勵源頻率有何關系？,電渦流線圈受電渦流影響時的等效阻抗Z的函數(shù)表達式為： Z=R+jL=f（i1、f、r、x） （4-1）,如果控制上式中的i1、f、r不變，電渦流線圈的阻抗Z就成為哪個非電量的單值函數(shù)？屬于接觸式測量還是非接觸式測量？,等效阻抗與非電量的測量,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

15、深度。激勵源頻率一般設定在100kHz1MHz。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的材料型號、表面硬度等參數(shù)。,電渦流的應用 在我們日常生活中經(jīng)?？梢杂龅?干凈、高效的 電磁爐,電磁爐內部的勵磁線圈,電磁爐的工作原理,高頻電流通過勵磁線圈，產(chǎn)生交變磁場，在鐵質鍋底會產(chǎn)生無數(shù)的電渦流，使鍋底發(fā)熱，燒開鍋 內 食 物。,二、位移測量,電渦流位移傳感器是一種輸出

16、為模擬量的電子器件。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)衰減量的變化或振蕩頻率的變化，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，工作時不受灰塵等因素的影響，可在各種惡劣條件下使用。,位移測量儀,位移測量包含： 偏心、間隙、位置、傾斜、彎曲、變形、移動、圓度、沖擊、偏心率、沖程、寬度等。 來自不同應用領域的許多量都可歸結為位移或間隙變化。,數(shù)顯位移測量儀及探頭,420mA電渦流位移傳感器外形（參考德國圖爾克公司資料）,偏心和振動檢測,測量彎曲、波動、變形,對橋梁、絲桿等機械結構的振動測量，須使用多個傳感器。,測量金屬薄膜、板材厚度電渦流測厚儀,測量冷軋板厚度,導向輥的材料可以用金屬制作嗎？,二、轉速測量,若轉軸上開z 個槽(或齒)，頻率計的讀數(shù)為f（單位為Hz），則轉軸的轉速n（單位為r/min）的計算公式為,齒輪轉速測量,例： 下圖中，設齒數(shù)z =48，測得頻率 f=120H