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1、第三章电感式传感器1第1页，本讲稿共25页保持气隙l不变传感器线圈电感量：气隙较小，认为气隙磁场均匀，忽略磁路铁损：0-真空磁导率，0=410-7(H/m)W-线圈匝数；S-磁通截面积；l-磁路长度；l-气隙总长；r-铁心和衔铁的相对磁导率；对同一传感器线圈：W、0、S、l、r均为常数，常数 K=0W2S 线圈电感：电感的变化只与气隙长度有关，非线性输出灵敏度：气隙：增大灵敏度-减小气隙-受到工艺和结构的限制。常取气隙尺寸（即测量范围）为=l/2=0.10.5mm。灵敏度：负号表示灵敏度随着气隙的增加而减小2、变面积型自感传感器衔铁沿水平方向移动磁通截面积S变化电感变化第2页，本讲稿共25页传
2、感器线圈的电感：忽略气隙磁通边缘效应 线性 输出灵敏度：气隙：增大灵敏度-减小气隙-受到工艺和结构的限制、边缘效应 常取气隙尺寸为=l/2=0.10.5mm（与变气隙型相同）负号表示灵敏度随着气隙的增加而减小3、螺管型自感传感器传感器线圈的电感：g-比磁导 传感器的输出灵敏度：特点：由于气隙大，磁路磁阻大，故灵敏度较前两者低。提高衔铁与套筒的直径比与长度比（结构与非线性限制）增加砸数（受到稳定性限制）若主磁通不变以及线圈绕阻排列均匀，可得到较大的线性范围衔铁深度 线圈漏磁磁阻 线圈电感第3页，本讲稿共25页4、差动式自感传感器、差动式自感传感器单一式自感传感器：由于线圈电流的存在，使衔铁受到单
3、向电磁力的作用，输出信号易受电源电压和频率波动、温度变化等干扰 传感器输出的非线性限制了使用（变面积型传感器）不适于精密测量。差动式：由两个单一形式的结构对称组合，改善其性能，变气隙型差动传感器：输出灵敏度 灵敏度提高了一倍。对电源电压与频率的波动以及温度变化等外界干扰也有补偿作用，从而提高了传感器的稳定性。第4页，本讲稿共25页5、自感传感器的测量电路、自感传感器的测量电路（1）测量电路组成：）测量电路组成：（2）测量电桥：）测量电桥：传感器线圈：Z1=r1+jL1，Z2=r2+jL2 Z1=Z+Z，Z2=Z-Z 初始状态：r10=r20=r0，L10=L20=L0 外接电阻：R1=R2=R
4、输出电压：传感器测量电桥放大器相敏检波滤波器振荡器输出近似线性E-振荡器稳幅极性：方向相敏检波 第5页，本讲稿共25页若衔铁上移：Z1变大，Z2减小，U正半周：D1、D4导通，D2、D3截止，UCUD，输出负电压 U负半周：D1、D4截止，D2、D3导通，UCUD，输出正电压 U负半周：D1、D4截止，D2、D3导通，UCUD，输出正电压 初始状态：Z1=Z2，输出U0=0 第6页，本讲稿共25页理论上-当衔铁处于中间位置时，输出为零实际上-零位不平衡，输出零为电压-电气参数不对称、几何尺寸偏差（6）零残电压补偿：（5）滤波电路：滤除交流信号-直流电压 危害：使提前放大器饱和；控制产生误动作；
5、伺服电机发热-补偿Ra：使线圈电阻相等，消除基波分量Rb：对某线圈分流，改变工作点 减小二三级谐波C：补偿次级线圈不 对称第7页，本讲稿共25页二、互感式传感器（差动变压器）1、互感传感器工作原理变 压 器：闭合磁路 初级、次级互感为常数 一个次级互感传感器：开磁路 初级、次级互感随衔铁移动变化 两个次级（差动）U、I-初级线圈激励电压、电流，频率L1,R1-初级线圈电感、电阻；L21,R21,L22,R22-两个次级线圈电感、电阻；M1,M2-初级线圈与次级线圈1、2的互感；当衔铁处在中间位置时：M1=M2，输出为零当衔铁偏离中间位置时：M1M2，输出与M1-M2成比，与衔铁位移成正比传感器
6、开路输出：W1、W2：初级、次级线圈匝数0：初始气隙 ：衔铁位移第8页，本讲稿共25页2、互感传感器结构变气隙型：a,b,c 变面积型：d,e 螺管型：f第9页，本讲稿共25页3、互感传感器测量电路（1）测量电路组成：（2）辨向解调电路：传感器辨向解调放大器滤波器振荡器输出差动相敏检波电路：差动整流电路：第10页，本讲稿共25页三、电感传感器的应用1、电感式位移传感器测量范围：零点几几百毫米线性度：0.5%，0.1%，0.05%，0.02%分辨力：0.1m 0.01 m，1nm(1)电感式位移传感器：测端10：宝石球头（玛瑙）测杆8：上下轴向移动 导轨7：滚动式-多排钢珠，过盈，摩擦小，误差小
7、，精度高，寿命长 滑动式-间隙（测杆-导套），易磨损，精度低，寿命低，大行程 片簧式-无间隙，无摩擦，精度高，测力变化大，行程小，体积大 磁芯3：螺管型 线圈4：差动 弹簧5：蝶簧，产生测力 密封圈9：防尘，防水，防污第11页，本讲稿共25页(2)横向电感式位移传感器：横向电感式位移传感器：测杆1：杠杆 片簧铰链14：支点，转轴磁芯6：螺管型 线圈5：差动弹簧11：产生测量力 第12页，本讲稿共25页(3)电感式测厚仪电感式测厚仪:(4)差动变压器式位移传感器：差动变压器式位移传感器：辊轮1/3：测量，感受厚度变化测微螺杆4：传递位移杠杆7：传递位移，放大刻度盘5：初始距离（大数）测头1：测杆
8、5：导轨：片簧4 弹簧9：产生测力 磁芯7：线圈8：第13页，本讲稿共25页 压力 -弹性敏感元件（膜盒、膜片、波纹管）-位移 -电感2、电感式压力传感器接头1：前端 膜盒2：弹性元件，感受压力变化磁芯6：线圈5：电路板4：无需放大，解调，滤波测量范围：（-4 +6）*104Pa第14页，本讲稿共25页 力 -弹性敏感元件（膜盒、膜片、波纹管）-变形 -位移 -电感3、电感式力传感器 加速度-质量块2（磁芯、衔铁）-位移 -电感4、电感式加速度传感器1-线圈：2-磁芯：3-弹性体：3-片簧：导轨，弹性元件，弹簧刚度大，衔铁质量小-测量加速度弹簧刚度小，衔铁质量大-测量振幅第15页，本讲稿共25
9、页四、电涡流传感器1、电涡流传感器工作原理 发起：20世纪70年代 工作原理：电涡流效应特点：结构简单，灵敏度高，频响宽，不受油污等介质的影响应用：测量-距离、位移、振动、厚度、温度、转速、硬度等参数变化：被测导体-几何形状、电导率、磁导率 线圈-几何参数、电流大小和频率、其他-线圈与导体距离保持其他参数不变，只改变一个参数-测量，非线性：修正交变电流传感器线圈被测导体交变磁场H1电涡流交变磁场H2电感、阻抗、品质因数等变化第16页，本讲稿共25页2、电涡流传感器结构（1）反射式电涡流传感器：结构：1-传感器线圈：扁平，粘接 铜、银、合金 2-框架：固定线圈，要求损耗小、电性能好、热胀系数小
10、高频陶瓷、聚酰亚胺、环氧玻璃纤维、聚四氟乙烯 3-衬套；4-支座；5-电缆；6-插头：线圈外径：外径大：分布曲线平直-线性范围大，分布曲线平坦-灵敏度低，外径小：分布曲线弯曲-线性范围小，分布曲线陡峭-灵敏度高，线性范围：一般为线圈外径的1/31/5线圈内径和厚度：影响较小，近距离时灵敏度略有变化线圈轴向磁感应强度分布提高灵敏度：增加磁芯：减少匝数，提高Q值，扩大测量范围第17页，本讲稿共25页被测导体：-传感器的一部分-参数影响被测导体直径的影响电涡流密度径向分布电导率：电导率越高，灵敏度越高 磁导率：磁导率越高，灵敏度越低，剩磁影响测量结果-消磁 均匀性：镀层，杂质，厚度不均，干扰信号 形
11、 状：平面-曲面-曲率半径 D3.5d：不影响测量结果；D=d：下降为70%电涡流分布-厚度：高频激励-表面薄层，径向：有限范围-涡流区,涡流密度不等：D=d时：涡流密度最大 D=1.8d：下降为5%D1.8d）厚 度：t0.2mm 不影响 （铜铝：t0.07mm）第18页，本讲稿共25页激励频率：激励频率高：贯穿深度小，曲线陡峭，线性范围小，灵敏度高,-测薄板；激励频率低：贯穿深度大，曲线平坦，线性范围大，灵敏度低-测厚板。（2）透射式电涡流传感器：原理：低频激励-贯穿深度大，适于测量金属厚度h贯穿深度：材料特性：不同材料-电阻率不同-激励频率不同 温度变化-影响电阻率变化-影响测量结果-使
12、导体温度恒定结构：发射线圈L1-激励电压U1；接收线圈L2-感应电压U2 金属板-厚度越大，涡流损耗越大，感应电压 越小，：导体材料电阻率f：激励频率第19页，本讲稿共25页3、电涡流传感器的应用（1）电涡流测距传感器：1-涡流板：被测导体 2-传感器：固定线圈 3-浮子；传递液位 测量金属导体绝对距离，大量程：几百毫米，分辨率0.1%小量程：十几微米，分辨力几十纳米（2）电涡流厚度测距传感器：应用：测量金属厚度，测量金属导体镀层厚度特点：非接触，范围宽，反应快，适于在线检测透射式：发射线圈-接收线圈反射式：两个高频反射式电涡流传感器，对称布局，板厚度变化-距离变化第20页，本讲稿共25页（3
13、）电涡流温度传感器：在较小的温度范围内，金属导体的电阻率与温度的关系结构：1-补偿线圈：补偿环境温度 2-管架：基体，支撑固定 3-测温线圈：感受电阻率变化 4-隔热衬垫：隔热，5-温度敏感元件：电阻温度系数大（磁性材料）特点：不受介质影响（涂料、油、水）；可实现非接触测问：辐射测温（热辐射）反应快：热惯性小（1ms）保持传感器的机、电、磁各参数不变，输出只受电阻率影响-温度测量t、t0：温度；：电阻温度系数（4）电涡流硬度传感器：导体表面硬度-磁导率-电涡流强度用于：测量液体、气体、水汽等温度第21页，本讲稿共25页五、感应同步器1、感应同步器工作原理 特点：脉冲输出-数字量，计数器 抗干扰
14、-稳定，可靠 无摩擦-绕组间隙，寿命长 工艺好-平面绕组，易于接长 安装简单，维护方便平面绕组：定尺绕组-固定，连续绕组，节距：W2=2(a2+b2)滑尺绕组-移动，断续绕组，节距：W1=2(a1+b1)相差：W2/4-90 正弦绕组，余弦绕组应用：测量位移、激励：滑尺绕组，正弦电压感应：定尺绕组，电磁耦合，感应电势，频率-与激励电压相同；幅值-激励频率，耦合长度，间隙，两个绕组的相对位置，周期第22页，本讲稿共25页2、感应同步器结构形式 直线型:旋转型标准长度：定尺250mm，滑尺100mm，测量长度150mm3、感应同步器的接长 接 长：误差增大，输出电势减弱第23页，本讲稿共25页六、压磁式传感器压磁效应：外力-铁磁材料-磁弹性能-磁化强度矢量改变-磁导率变化特点：输出功率大；抗干扰能力强，可用于 恶劣工作环境；工作可靠：长期运行 精度低：低于1%FS 频响差：12kHz用于：测力，称重，扭矩第24页，本讲稿共25页作作 业业 1、请推导螺管型差动电感传感器的电感及灵敏度公式。第25页，本讲稿共25页