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1、第第4 4章章 电感式传感器电感式传感器第1页/共139页基于电感式传感器的自动检测系统第2页/共139页原理结构特性测量电路具体应用 电感式传感器主要内容及学习要求第3页/共139页电感式传感器特点n主要特点：结构简单、工作可靠；灵敏度高，能分辨0.01m0.01m的位移变化；测量精度高、零点稳定、输出功率较大；可实现信息的远距离传输、记录、显示和控制；在工业自动控制系统中被广泛采用。n主要缺点：灵敏度、线性度和测量范围相互制约；传感器自身频率响应低，不适用于快速动态测量。提示：电测量法的普遍优点提示：在讲课过程中会解释提示：结合电感式滚珠直径自动筛选装置第4页/共139页电感式传感器基本原
2、理第5页/共139页电感式传感器分类课后思考：电涡流式传感器为什么是高频反射/低频透射？提示：贯穿深度第6页/共139页 4.1 4.1 自感式电感传感器自感式电感传感器 4.2 4.2 互感式电感传感器互感式电感传感器 4.3 4.3 电涡流式电感传感器电涡流式电感传感器第4 4章 电感式传感器第7页/共139页类型结构、原理特性测量电路具体应用 自感式电感传感器4.1 自感式电感传感器第8页/共139页4.1 自感式电感传感器n自感式电感传感器原理及类型自感式电感传感器原理及类型n自感式电感传感器特性自感式电感传感器特性单磁路变隙式电感传感器特性单磁路变隙式电感传感器特性差动变隙式电感传感
3、器特性差动变隙式电感传感器特性n自感式电感传感器测量电路自感式电感传感器测量电路n自感式电感传感器应用自感式电感传感器应用提示1：电感式传感器一般用于测量微位移的原因提示2：电感式传感器，一般采用差动形式的原因提示3：相敏检波电路应用场合第9页/共139页自感式电感传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。n结构自感式电感传感器原理及类型铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成，在铁芯和衔铁之间有气隙，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。第10页/
4、共139页线圈中电感量可由下式确定：式中：线圈总磁链；I I通过线圈的电流；WW线圈的匝数；穿过线圈的磁通。由磁路欧姆定律，得 式中,R Rm m为磁路总磁阻。第11页/共139页 若气隙厚度若气隙厚度 很小很小 ，可以认为气隙中的磁场是均匀的。，可以认为气隙中的磁场是均匀的。若若忽略磁路磁损，忽略磁路磁损，则则磁路总磁阻磁路总磁阻为为 自感式电感传感器原理及类型 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；S S1 1铁芯的截面积；S S2 2衔铁的截面积；0 0空气的导磁率；0 0 4 4 10102 2H/m H/m S
5、 S0 0气隙的截面积；气隙的厚度。第12页/共139页 若气隙厚度若气隙厚度 很小很小 ，可以认为气隙中的磁场是均匀的。，可以认为气隙中的磁场是均匀的。若若忽略磁路磁损，忽略磁路磁损，则则磁路总磁阻磁路总磁阻为为 一般导磁体的磁阻远小于气隙磁阻自感式电感传感器原理及类型第13页/共139页螺线管式（也可认为是改变有效线圈匝数 WW）变截面积 S S式变气隙厚度 式 n自感式电感式传感器几种常见型式自感式电感传感器原理及类型测量线位移测量角位移第14页/共139页n动画演示自感式电感传感器原理及类型底色调整：点击右键，属性，修改背景色，由-1调整到0，关闭；然后再由0调整到-2，即可。但不能保
6、存，只能每次播放前提前修改。第15页/共139页F F交流接触器线圈交流接触器线圈交流毫安表交流毫安表机床用机床用控制变控制变压器的压器的36V36V交交流电压流电压源源n变隙式电感式传感器工作原理变隙式电感式传感器工作原理自感式电感传感器原理及类型第16页/共139页气隙变小，电感变大，电流变小动画演示自感式电感传感器原理及类型第17页/共139页L L与与 之间是非线性关系，之间是非线性关系，特性曲线特性曲线p单磁路变隙式电感传感器特性n单磁路变隙式电感传感器的L-L-特性n结构自感式电感传感器特性第18页/共139页设电感传感器初始电感量为设电感传感器初始电感量为 当当衔衔铁铁上上移移时
7、时，传传感感器器气气隙隙减减小小，即即=0 0-，则此时输出电感为则此时输出电感为L=LL=L0 0+L+L，得得 自感式电感传感器特性第19页/共139页当当/0 011时，上式可用台劳级数展开：时，上式可用台劳级数展开：可求得电感增量可求得电感增量LL和相对增量和相对增量L/LL/L0 0的表达式，即的表达式，即 自感式电感传感器特性第20页/共139页同理，当衔铁随被测体的初始位置向下移动同理，当衔铁随被测体的初始位置向下移动时，有时，有 忽略高次项后，可得忽略高次项后，可得 此处注意分析线性度对 0 0的要求自感式电感传感器特性第21页/共139页灵敏度为灵敏度为 结结论论：变变间间隙
8、隙式式电电感感传传感感器器的的测测量量范范围围与与灵灵敏敏度度及及线线性性度度相矛盾。相矛盾。n单磁路变隙式电感传感器的灵敏度单磁路变隙式电感传感器的灵敏度解决措施：解决措施：实际测量中广泛采用差动变隙式电感传感器实际测量中广泛采用差动变隙式电感传感器。思思考考题题：分分别别从从改改善善线线性性度度和和灵灵敏敏度度的的角角度度分分析析对对单单磁磁路路变隙式电感传感器的测量范围变隙式电感传感器的测量范围 0 0的要求？的要求？如何解决呢？如何解决呢？此处注意分析灵敏度对 0 0的要求回想电阻应变片式传感器灵敏度定义式自感式电感传感器特性第22页/共139页p差动变隙式电感传感器特性差动变隙式电感
9、传感器特性 n结构自感式电感传感器特性第23页/共139页 当衔铁往上移动当衔铁往上移动时，两个线圈的电感变化量时，两个线圈的电感变化量LL1 1、LL2 2n特性分析自感式电感传感器特性第24页/共139页差动传感器电感的总变化量差动传感器电感的总变化量对上式进行线性处理对上式进行线性处理,即忽略高次项得即忽略高次项得 自感式电感传感器特性第25页/共139页灵敏度灵敏度K K0 0为为？课课堂堂提提问问：比比较较单单线线圈圈式式和和差差动动式式两两种种变变间间隙隙电电感感传传感感器器的灵敏度特性的灵敏度特性自感式电感传感器特性第26页/共139页结论：结论：差动式变间隙电感传感器的灵敏度是
10、单线圈式的两倍。差动式变间隙电感传感器的灵敏度是单线圈式的两倍。忽忽略略高高次次项项时时，差差动动式式变变间间隙隙电电感感传传感感器器的的非非线线性性项项 单线圈电感传感器的非线性项单线圈电感传感器的非线性项 由于由于/01/0 MM2 2，因而E E2a2a增加，而E E2b2b减小。反之，E E2b2b增加，E E2a2a减小。因为U Uo o=E E2a2a-E E2b2b，所以当E E2a2a、E E2b2b 随着衔铁位移x x变化时，U Uo o也必将随x x而变化。.第65页/共139页两者U U0 0表达式推导过程相似，不再赘述，参考前者。第66页/共139页差动变压器输出电压的
11、特性曲线 2.2.基本特性 第67页/共139页图中实线为理论特性曲线，虚线曲线为实际特性曲线。当衔铁位于中心位置时，差动变压器输出电压并不等于零，我们把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压，记作 U Uo o，它的存在使传感器的输出特性不经过零点，造成实际特性与理论特性不完全一致。.第68页/共139页差动变压器式传感器测量电路 差动变压器的输出是交流电压，若用交流电压表测量，只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的方向。另外，其测量值中将包含零点残余电压。为了达到能辨别移动方向和消除零点残余电压的目的，实际测量时，常常采用差动整流电路和相敏检波电路。第69页/共139页n (1)(
12、1)差动整流电路 这种电路是把差动变压器的两个次级输出电压分别整流，然后将整流的电压或电流的差值作为输出。电压输出适用于高阻抗负载；电流输出适用于低阻抗负载 电阻R R0 0用于调整零点残余电压。第70页/共139页（a a）半波电压输出（b b）半波电流输出 （c c）全波电压输出（d d）全波电流输出 第71页/共139页 从图（c c）电路结构可知，不论两个次级线圈的输出瞬时电压极性如何，流经电容C C1 1的电流方向总是从2 2到4 4，流经电容C C2 2的电流方向总是从6 6到8 8，故整流电路的输出电压为 当衔铁在零位时，因为U U2424=U U6868，所以U U2 2=0=
13、0；当衔铁在零位以上时，因为U U2424 U U6868 ，则U U2 2 00；而当衔铁在零位以下时，则有U U2424 U U6868，则U U2 2 0若电路外加电流源，则电路谐振时电压达到最大值。第102页/共139页 其中 驱动点导纳为第103页/共139页 1.1.谐振条件 式中 称为电路的谐振角频率。与RLCRLC串联电路相同。当 时,Y Y(j(j)=)=G G=1/=1/R R，电压u u(t t)和电流i i(t t)同相，电路发生谐振。因此，RLCRLC并联电路谐振的条件是 第104页/共139页 2.2.谐振时的电压 RLCRLC并联电路谐振时，导纳Y Y(j(j 0
14、 0)=)=G G=1/=1/R R，具有最小值。若端口外加电流源 ，电路谐振时的电压为 电路谐振时电压达到最大值。第105页/共139页涡流式传感器的应用 1.1.低频透射式涡流厚度传感器第106页/共139页透射式涡流厚度传感器结构原理图 第107页/共139页在被测金属板的上方设有发射传感器线圈L L1 1，在被测金属板下方设有接收传感器线圈L L2 2。当在L L1 1上加低频电压U U1 1时，L L1 1上产生交变磁通 1 1，若两线圈间无金属板，则交变磁通直接耦合至L L2 2中，L L2 2产生感应电压U U2 2。如果将被测金属板放入两线圈之间，则L L1 1线圈产生的磁场将
15、导致在金属板中产生电涡流,并将贯穿金属板，此时磁场能量受到损耗，使到达L L2 2的磁通将减弱为 1 1，从而使L L2 2产生的感应电压U U2 2下降。金属板越厚，涡流损失就越大，电压U U2 2就越小。因此，可根据U U2 2电压的大小得知被测金属板的厚度。透射式涡流厚度传感器的检测范围可达1 1100 mm100 mm，分辨率为0.1 m0.1 m，线性度为1%1%。.第108页/共139页2.2.高频反射式涡流厚度传感器 高频反射式涡流测厚仪测试系统图 第109页/共139页双涡流传感器构成的高频反射式涡流测厚仪测试系统第110页/共139页双涡流传感器构成的高频反射式涡流测厚仪测试
16、系统第111页/共139页 为了克服带材不够平整或运行过程中上下波动的影响，在带材的上、下两侧对称地设置了两个特性完全相同的涡流传感器S S1 1和S S2 2。S S1 1和S S2 2与被测带材表面之间的距离分别为x x1 1和x x2 2。若带材厚度不变，则被测带材上、下表面之间的距离总有x x1 1+x x2 2=常数的关系存在。两传感器的输出电压之和为2 2U Uo o，数值不变。如果被测带材厚度改变量为 ，则两传感器与带材之间的距离也改变一个 ，两传感器输出电压此时为2 2U Uo oU U。U U经放大器放大后，通过指示仪表即可指示出带材的厚度变化值。带材厚度给定值与偏差指示值的
17、代数和就是被测带材的厚度。第112页/共139页 3.3.电涡流式转速传感器 图示为电涡流式转速传感器工作原理图。在软磁材料制成的输入轴上加工一键槽，在距输入表面d d0 0处设置电涡流传感器，输入轴与被测旋转轴相连。电涡流式转速传感器工作原理图 第113页/共139页 当被测旋转轴转动时，电涡流传感器与输出轴的距离变为d d0 0+d d。由于电涡流效应，使传感器线圈阻抗随 d d的变化而变化，这种变化将导致振荡谐振回路的品质因数发生变化，它们将直接影响振荡器的电压幅值和振荡频率。因此，随着输入轴的旋转，从振荡器输出的信号中包含有与转速成正比的脉冲频率信号。该信号由检波器检出电压幅值的变化量
18、，然后经整形电路输出频率为f fn n的脉冲信号。该信号经电路处理便可得到被测转速。这种转速传感器可实现非接触式测量，抗污染能力很强，可安装在旋转轴近旁长期对被测转速进行监视。最高测量转速可达600,000r/min600,000r/min。第114页/共139页 4.4.涡流式传感器进行零件计数涡流式传感器进行零件计数第115页/共139页测量封口机工作间隙测量封口机工作间隙间隙越大，电涡流越小第116页/共139页转速测量转速测量 若转轴上开若转轴上开z z 个槽个槽(或齿或齿)，频率计的读数为，频率计的读数为f f（单位为（单位为HzHz），），则转轴的转速则转轴的转速n n（单位为（单
19、位为r/minr/min）的计算公式为）的计算公式为 第117页/共139页电动机转速测量电动机转速测量第118页/共139页电涡流式通道安全检查门电涡流式通道安全检查门 安安检检门门的的内内部部设设置置有有发发射射线线圈圈和和接接收收线线圈圈。当当有有金金属属物物体体通通过过时时，交交变变磁磁场场就就会会在在该该金金属属导导体体表表面面产产生生电电涡涡流流，会会在在接接收收线线圈圈中中感感应应出出电电压压，计计算算机机根根据据感感应应电电压压的的大大小小、相相位位来来判判定定金金属属物物体体的的大大小小。在在安安检检门门的的侧侧面面还还安安装装一一台台“软软x x光光”扫扫描描仪仪，它它对对
20、人人体体、胶胶卷卷无无害害，用用软软件件处处理理的的方方法法，可合成完整的光学图像。可合成完整的光学图像。第119页/共139页安检门演示当有金属物体穿越安检门时报警第120页/共139页大直径电涡流探雷器大直径电涡流探雷器 第121页/共139页大直径电涡流探雷器大直径电涡流探雷器在涡流中捉雷在涡流中捉雷利用金属的涡流效应穴实心利用金属的涡流效应穴实心导体在交流电场中会感应产生涡电流使导体发热雪导体在交流电场中会感应产生涡电流使导体发热雪探测地雷。这种探雷器能辐射出电磁场，当探头靠探测地雷。这种探雷器能辐射出电磁场，当探头靠近金属壳或使用金属引信、电路等部件的地雷时便近金属壳或使用金属引信、
21、电路等部件的地雷时便受激产生涡电流，涡电流又产生新的电磁场作用于受激产生涡电流，涡电流又产生新的电磁场作用于探头，从而引起振荡器频率发生变化，使探雷器的探头，从而引起振荡器频率发生变化，使探雷器的报警装置报警装置 耳机中的声调改变，探雷手便可判耳机中的声调改变，探雷手便可判断出是否有地雷。熟练的探雷手还能根据声调大小、断出是否有地雷。熟练的探雷手还能根据声调大小、变化特征辨别出是什么类型的地雷。变化特征辨别出是什么类型的地雷。第122页/共139页电涡流表面探伤电涡流表面探伤 手持式裂纹测量仪手持式裂纹测量仪油管探伤油管探伤第123页/共139页滚子涡流探伤机滚子涡流探伤机 滚滚子子涡涡流流探
22、探伤伤机机是是由由计计算算机机控控制制的的轴轴承承滚滚子子表表面面微微裂裂纹纹探探伤伤的的专专用用设设备备，可可探探出深出深 30m30m的表面微小裂纹。的表面微小裂纹。（参考无锡市通达滚子有限公司资料）第124页/共139页手提式探伤仪外形手提式探伤仪外形（参考厦门爱德华检测设备有限公司资料）（参考厦门爱德华检测设备有限公司资料）第125页/共139页掌上型电涡流探伤仪掌上型电涡流探伤仪第126页/共139页用掌上型电涡流探伤仪检测飞机裂纹用掌上型电涡流探伤仪检测飞机裂纹第127页/共139页台式电涡流探伤仪台式电涡流探伤仪第128页/共139页420mA420mA电涡流位移传感器外形电涡流
23、位移传感器外形（参考德国图尔克公司资（参考德国图尔克公司资料）料）第129页/共139页齐平式电涡流位移传感器外形齐平式电涡流位移传感器外形（参考德国图尔克公司资料）（参考德国图尔克公司资料）齐平式传感器安装时可以不高出安装面，不易被损害。第130页/共139页V V系列电涡流位移传感器外形系列电涡流位移传感器外形（参考浙江洞头开关厂资（参考浙江洞头开关厂资料）料）齐平式第131页/共139页小 结 主线：主线：传感器结构、类型传感器结构、类型特性特性测量电路测量电路应用应用第132页/共139页类型类型测量电路测量电路应用应用小 结 第133页/共139页变隙式差动变压器螺线管式差动变压器p
24、互感式传感器零点残余电压小 结 第134页/共139页低频透射高频反射p电涡流式传感器贯穿深度h h小 结 第135页/共139页作 业1 1、电感式传感器的测量电路中需要有相敏检波，其作、电感式传感器的测量电路中需要有相敏检波，其作用是什么？应变式传感器的测量电路中是否一定要有用是什么？应变式传感器的测量电路中是否一定要有相敏检波？为什么？相敏检波？为什么？2 2、差动变压器式传感器的零点残余电压产生的原因是、差动变压器式传感器的零点残余电压产生的原因是什么？怎样减小和消除它的影响？什么？怎样减小和消除它的影响？第136页/共139页作 业3 3、已知一差动整流电桥电路如图所示。电路由差动电感传、已知一差动整流电桥电路如图所示。电路由差动电感传感器感器Z1Z1、Z2Z2及平衡电阻及平衡电阻R1R1、R2R2（R1=R2R1=R2）组成。桥路的）组成。桥路的一个对角接有交流电源一个对角接有交流电源UiUi，另一个对角线为输出端，另一个对角线为输出端UoUo，试，试分析该电路的工作原理。分析该电路的工作原理。第137页/共139页Thanks For Your Attention The End第138页/共139页感谢您的观看！第139页/共139页