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1、第一节第一节 自感式传感器自感式传感器 观看一个小实验F F220V准备工作第1页/共38页2023/2/172电感传感器的基本工作电感传感器的基本工作原理演示原理演示气隙变小，电感变大，电流变小。气隙变小，电感变大，电流变小。F F第2页/共38页 当将一只380V380V交流接触器线圈与交流毫安表串联后，接到控制变压器的36V36V交流电压源上，这时毫安表的示值约为几十毫安。用手慢慢将接触器的活动铁心（称为衔铁）往下按，我们会发现毫安表的读数逐渐减小。当衔铁与固定铁心之间的气隙等于零时，毫安表的读数只剩下十几毫安。当铁心的气隙较大时，磁路的磁阻R Rm m也较大，线圈的电感量L L和感抗X
2、L XL 较小，所以电流I I 较大。当铁心闭合时，气隙变小，磁阻变小、电感变大，电流减小。第3页/共38页一、工作原理 变磁阻式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料（硅钢片、坡莫合金）制成，铁芯和衔铁之间有气隙，厚度为，传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。自感传感器的工作原理自感传感器的工作原理第4页/共38页根据电磁感应定义，线圈中电感量可由下式确定：式中：线圈总磁链；II通过线圈的电流；NN线圈的匝数；穿过线圈的磁通。由磁路欧姆定律
3、，得：式中：RmRm磁路总磁阻。第5页/共38页 因为气隙很小，所以可以认为气隙中的磁场是均匀的。若忽略磁损，则磁路总磁阻为：式中:1 1铁芯材料的导磁率；2 2衔铁材料的导磁率；L L1 1磁通通过铁芯的长度；L L2 2磁通通过衔铁的长度；A A1 1铁芯的截面积；A A2 2衔铁的截面积；0 0空气的导磁率；气隙的厚度；A A0 0气隙的截面积。第6页/共38页 通常 ，气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻，即：可近似为：联立可得：上式表明，当线圈匝数为常数时,电感L仅仅是磁路中磁阻Rm的函数，只要改变、A0或0 均可导致电感变化，因此变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度的传感器、变气隙面积A0的
4、传感器和变磁导率0的传感器。使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器。第7页/共38页自感式电感传感器常见的形式自感式电感传感器常见的形式 变隙式变隙式 变截面式变截面式 螺线螺线管式管式 请分析电感量L L与气隙厚度、气隙的有效截面积A A及材料磁导率之间的关系，并讨论有关线性度的问题。第8页/共38页 输出特性 设电感传感器初始气隙为0 0,初始电感量为L L0 0,衔铁位移引起的气隙变化量为，从下式可知L L与之间是非线性关系，特性曲线如图所示，初始电感量为：第9页/共38页 请分析：灵敏度、线性度有何变化曲线1 1、2 2为L L1 1、L L2 2 的特性，3 3为差动特性 在变隙式差动
5、电感传在变隙式差动电感传感器中，当衔铁随被测量移感器中，当衔铁随被测量移动而偏离中间位置时，两个动而偏离中间位置时，两个线圈的电感量一个增加，一线圈的电感量一个增加，一个减小，形成差动形式。个减小，形成差动形式。1-1-差动线圈 2-2-铁心 3-3-衔铁 4-4-测杆 5-5-工件 差动电感传感器的特点第10页/共38页第11页/共38页 当衔铁上移时，上部分铁心与衔铁的气隙减小，即=0 0-，则此时输出电感为L=L=L L0 0+L+L，代入上式式并整理，得：当/01/01时,可将上式用台劳级数展开成级数形式为：由上式可求得电感增量LL和相对增量L/LL/L0 0的表达式,即 第12页/共
6、38页 而下部分铁心与衔铁的气隙增大，即=0+=0+，则此时输出电感为L=L0-L，代入式子式并整理，得：对上面两式作求差，忽略高次项，可得：灵敏度为：当衔铁下移时，情况刚好相反。第13页/共38页 从结构图可以看出，差动式电感传感器对外界影响，如温度的变化、电源频率的变化等基本上可以互相抵消，衔铁承受的电磁吸力也较小，从而减小了测量误差。差动式电感传感器的特性 从曲线图可以看出，差动式电感传感器的线性较好，且输出曲线较陡，灵敏度约为非差动式电感传感器的两倍。第14页/共38页 测量转换电路的作用是将电感量的变化转换成电压或电流的变化，以便用仪表指示出来。因激励电源为交流电源，若仅采用电桥电路
7、和普通的检波电路，则只能判别位移的大小，却无法判别输出的相位和位移的方向。如果在输出电压送到指示仪前，经过一个能判别相位的检波电路，则不但可以反映位移的大小（的幅值），还可以反映位移的方向（的相位）。这种检波电路称为相敏检波电路。测量转换电路第15页/共38页相敏检波相敏检波输出特性曲线输出特性曲线 a a）非相敏检波 b b）相敏检波 11理想特性曲线 22实际特性曲线 第16页/共38页实测得到的实测得到的 相敏检波电相敏检波电路的特性曲路的特性曲线线 通过调零电路，可使输出曲线平移到原点。标定位移时的实验数据及曲线第17页/共38页第二节 差动变压器式传感器 电源中用到的“单相变压器”有
8、一个一次线圈（又称为初级线圈），有若干个二次线圈（又称次级线圈）。当一次线圈加上交流激磁电压U Ui i后，将在二次线圈中产生感应电压U UO O。在全波整流电路中，两个二次线圈串联，总电压等于两个二次线圈的电压之和。第18页/共38页 差动变压器的结构原理如下图所示。在线框上绕有一组输入线圈（称一次线圈）；在同一线框的上端和下端再绕制两组完全对称的线圈（称二次线圈），它们反向串联，组成差动输出形式。图中标有黑点的一端称为同名端，通俗说法是指线圈的“头”。差动变压器式传感器的工作原理 差动变压器式传感器是把被测位移量转换为一次线圈与二次线圈间的互感量M M 的变化的装置。当一次线圈接入激励电源
9、之后，二次线圈就将产生感应电动势，当两者间的互感量变化时，感应电动势也相应变化。由于两个二次线圈采用差动接法，故称为差动变压器。目前应用最广泛的结构型式是螺线管式差动变压器。第19页/共38页差动变压器式传感器的等效电路结构特点：两个二次线圈反向串联，组成差动输出形式。差动变压器的灵敏度一般可达0.5-5V/mm0.5-5V/mm，行程越小，灵敏度越高。为了提高灵敏度，励磁电压在10V10V左右为宜。电源频率以1-10kHz1-10kHz为好。差动变压器线性范围约为线圈骨架长度的1/101/10左右。第20页/共38页测量电路（以差动整流为例）第21页/共38页差动整流的特点差动整流的特点 上
10、图中的RPRP是用来微调电路平衡的，VDVD1 1-VD-VD4 4、VDVD5 5-VD-VD8 8组成普通桥式整流电路，3 3、4 4、3 3、4 4组成低通滤波电路，1 1及2121、2222、f f、2323组成差动减法放大器，用于克服a a、b b两点的对地共模电压。电路是以两个桥路整流后的直流电压之差作为输出的，所以称为差动整流电路。它不但可以反映位移的大小（电压的幅值），还可以反映位移的方向。第22页/共38页第三节第三节 电感式传感器的应用电感式传感器的应用 一、位移测量一、位移测量 轴向式电感测微器的外形 红宝石测头航空插头测头第23页/共38页轴向式电感测微器的内部结轴向式
11、电感测微器的内部结构构11引线电缆22固定磁筒 33衔铁44线圈 55测力弹簧66防转销 77钢球导轨88测杆99密封套 1010测端1111被测工件1212基准面 圆柱滚子测微仪测微仪第24页/共38页电感式滚柱直径分选装置电感式滚柱直径分选装置 滚柱直径分选装置11气缸 22活塞 33推杆 44被测滚柱 55落料管 66电感测微器 77钨钢测头 88限位挡板 99电磁翻板 1010容器（料斗）第25页/共38页滑道分选仓位电感式滚柱直径分选装置（外形）落料振动台落料振动台滑道11个分选仓位第26页/共38页二、电感传感器在仿形机床中的应用二、电感传感器在仿形机床中的应用 11标准靠模样板
12、22测端(靠模轮)3)3电感测微器 44铣刀龙门框架 55立柱 66伺服电动机 77铣刀 88毛坯第27页/共38页仿形铣床外形仿形铣床外形 仿形头主轴仿形机床采用 闭环工作方式第28页/共38页三、电感式不圆度计原理三、电感式不圆度计原理 该圆度计采用该圆度计采用旁向式电感测微头旁向式电感测微头第29页/共38页电感式不圆度测试系电感式不圆度测试系统统旋转盘测量头旁向式电感测微旁向式电感测微头头第30页/共38页不圆度测量打印不圆度测量打印第31页/共38页电感式轮廓仪电感式轮廓仪 旁向式电感测微头第32页/共38页四、压力测量四、压力测量 11压力输入接头22波纹膜盒33电缆44印制线路板
13、55差动线圈66衔铁77电源变压器88罩壳99指示灯1010密封隔板1111安装底座第33页/共38页压力测量用的膜盒压力测量用的膜盒 膜盒由两片波纹膜片焊接而成。所谓波纹膜片是一种压有同心波纹的圆形薄膜。当膜片四周固定，两侧面存在压差时，膜片将弯向压力低的一侧，因此能够将压力变换为直线位移。第34页/共38页五、电感传感器在粗糙度测量中的应用五、电感传感器在粗糙度测量中的应用 手持式粗糙度仪手持式粗糙度仪 触针触针:金刚石圆锥；金刚石圆锥；针尖圆弧半径：针尖圆弧半径：5m5m；可存储可存储500500个粗糙度参数值及个粗糙度参数值及4 4组轮廓数据；组轮廓数据；可进行粗糙度参数的打印；可进行粗糙度参数的打印；可对外圆、内孔、轴肩、圆锥面等各种复杂可对外圆、内孔、轴肩、圆锥面等各种复杂 表面进行测试；表面进行测试；第35页/共38页粗糙度仪外形粗糙度仪外形金刚石测头粗糙度测量结果打印第36页/共38页本章作业本章作业第3题、第4题、第9题休休 息息 一一 下下第37页/共38页2023/2/1738感谢您的观看！第38页/共38页