傳感器第5章

1、第5章電感式傳感器 第5章電感式傳感器 5.1自感式傳感器自感式傳感器 5.2差動變壓器式傳感器差動變壓器式傳感器 5.3電渦流式傳感器電渦流式傳感器 5.4感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器 思考題與習(xí)題思考題與習(xí)題 第5章電感式傳感器 5.1自感式傳感器自感式傳感器5.1.1工作原理工作原理自感式傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換成線圈的自感L變化，通過一定的電路轉(zhuǎn)換成電壓或電流輸出，圖5.1所示為自感式傳感器的原理圖。第5章電感式傳感器 圖5.1自感式傳感器原理圖第5章電感式傳感器 盡管在鐵芯與銜鐵之間存在一個(gè)空氣間隙，但由于其值不大，所以磁路是封閉的。根據(jù)電感的定義，線圈中的自感可由下式確定式中：、N線圈的總磁鏈

2、和匝數(shù)；I流過線圈的電流；Rm磁路的總磁阻。m2RNINIL(5.1) 第5章電感式傳感器 由于空氣間隙d較小，可認(rèn)為氣隙磁場是均勻的，如果忽略磁路鐵損，那么總磁阻為式中：li、 mi、Ai各段導(dǎo)磁體的長度、磁導(dǎo)率和截面積； d 、 m0、A空氣間隙的長度、磁導(dǎo)率(m0=4p107 H/m)和截面積。(5.2) AAlR0n1iiiim2mdm第5章電感式傳感器 將磁阻Rm代入式(5.1)中可得由于鐵芯和銜鐵通常是用高導(dǎo)磁材料制成的，如電工純鐵、鎳鐵合金或硅鐵合金等，而且工作在非飽和狀態(tài)下，其磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于空氣間隙的磁導(dǎo)率，故式(5.3)可簡化為(5.3) n1i0iii22AAlNLmdmdm

3、202ANL (5.4) 第5章電感式傳感器 5.1.2結(jié)構(gòu)類型結(jié)構(gòu)類型1. 變氣隙式自感傳感器變氣隙式自感傳感器如果保持氣隙磁通截面積A不變，則自感L為氣隙長度的單值函數(shù)，可構(gòu)成變氣隙式自感傳感器，其特性曲線如圖5.2所示。設(shè)初始狀態(tài)氣隙長度為0，則自感為當(dāng)銜鐵向上移動d時(shí)，氣隙減少為d=d0d，則自感變?yōu)?5.5) 00202dmANL )(2002ddmANL(5.6) 第5章電感式傳感器 圖5.2變氣隙式自感傳感器特性曲線第5章電感式傳感器 自感變化量為當(dāng)時(shí)，將式(5.7)展開成泰勒級數(shù)形式，即(5.7) )/1 (2)(20000020020dddddmddmLANANLLL0dd)

4、()(1 3020000ddddddddLL(5.8) 第5章電感式傳感器 同理，當(dāng)銜鐵向下移動時(shí)，氣隙增大為d=d0+d。自感變化量為若忽略式(5.8)和式(5.9)中的高次項(xiàng), 則DLL0(d/d0)，L與d成正比，因此高次項(xiàng)的存在是產(chǎn)生非線性誤差的主要原因。其靈敏度S為(5.9) )()(1 3020000ddddddddLL00ddLLS(5.10) 第5章電感式傳感器 為了減小非線性誤差，在實(shí)際測量中多采用差動式結(jié)構(gòu)，如圖5.3所示。由兩個(gè)完全相同的電感線圈共用一個(gè)銜鐵及相應(yīng)磁路組成。銜鐵與被測件相連，測量時(shí)被測件上下移動，帶動銜鐵以相同的位移上下移動，使兩個(gè)磁回路中的磁阻發(fā)生大小相

5、等、方向相反的變化，線圈的自感量一個(gè)增加，另一個(gè)減小，形成差動式結(jié)構(gòu)。使用時(shí)，兩個(gè)電感線圈接在交流電橋的相鄰橋臂上，另外兩個(gè)橋臂上接固定電阻R1和R2。第5章電感式傳感器 圖5.3差動式變氣隙自感傳感器第5章電感式傳感器 當(dāng)銜鐵向上下移動時(shí)，兩個(gè)線圈的自感變化量L1與L2大小相等、符號相反，總自感變化量L=L1L2=L1+ L2，即差動式結(jié)構(gòu)的靈敏度S為(5.11) 004020002)()(1 2ddddddddLLL002ddLLS(5.12) 第5章電感式傳感器 比較以上各式可得出如下結(jié)論：(1) 差動式結(jié)構(gòu)比單個(gè)線圈的靈敏度提高一倍；(2) 差動式結(jié)構(gòu)的非線性誤差小，比單個(gè)線圈的線性度

6、提高約一個(gè)數(shù)量級。變氣隙式自感傳感器的靈敏度高，對電路的放大倍數(shù)要求低。但是非線性嚴(yán)重，為了減小非線性，量程必須限制在較小范圍內(nèi)，通常為氣隙長度的1/5以下，并且這種傳感器制造裝配比較困難。第5章電感式傳感器 2. 變面積式自感傳感器變面積式自感傳感器變面積式自感傳感器的結(jié)構(gòu)如圖5.4所示。氣隙長度保持不變，鐵芯與銜鐵之間的相對覆蓋面積(即磁通截面)隨被測量的改變而改變，從而引起線圈的自感量變化。第5章電感式傳感器 圖5.4變面積式自感傳感器第5章電感式傳感器 設(shè)初始磁通截面(即鐵芯截面)的面積為A=ab(a、b為鐵芯截面的長度和寬度)，當(dāng)銜鐵沿鐵芯截面長度方向上下移動x時(shí)，自感量L為靈敏度S

7、為)(202xabNLdmdm202bNxLS(5.13) (5.14) 第5章電感式傳感器 3. 螺管式自感傳感器螺管式自感傳感器圖5.5所示為螺管式自感傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。在線圈中放入圓柱形銜鐵，當(dāng)銜鐵左、右移動時(shí)，自感量也將發(fā)生相應(yīng)變化。第5章電感式傳感器 圖5.5螺管式自感傳感器第5章電感式傳感器 單線圈螺管式傳感器的自感變化量可近似表示為式中：lc、rc、lc銜鐵的長度、半徑和位移量；l、r線圈的長度和半徑(通常要求螺管線圈 )；r導(dǎo)磁體相對磁導(dǎo)率。)11()(11r2cccc0mrrllllLLrl (5.15) 第5章電感式傳感器 為了提高靈敏度與線性度，多采用差動螺管式自感傳感

8、器，其結(jié)構(gòu)如圖5.5(c)所示，磁場強(qiáng)度分布曲線如圖5.5(d)所示。設(shè)銜鐵長度為2lc、半徑為rc，線圈長度為2l、半徑為r，當(dāng)銜鐵向左或向右移動lc時(shí)，兩個(gè)線圈的自感變化量L1與L2大小相等、符號相反，總自感變化量為(5.16) )11()(112r2cccc021mrrllllLLLL第5章電感式傳感器 差動螺管式自感傳感器的自感變化量L與銜鐵的位移量lc成正比，其靈敏度比單線圈螺管式提高一倍。它具有以下特點(diǎn)：(1) 線性范圍和量程較大，但空氣隙大、磁路磁阻大，其靈敏度較低；(2) 磁路大部分為空氣，易受外界磁場干擾；(3) 為達(dá)到一定的自感量，線圈的匝數(shù)較多，線路分布電容大；(4) 線

9、圈的骨架尺寸和形狀必須穩(wěn)定，否則會影響其線性和穩(wěn)定性；(5) 制造裝配方便，批量生產(chǎn)的互換性強(qiáng)，應(yīng)用越來越多。第5章電感式傳感器 5.1.3信號調(diào)理電路信號調(diào)理電路1. 調(diào)幅電路調(diào)幅電路1) 變壓器電橋圖5.6(a)所示為變壓器電橋原理圖，Z1和Z2為傳感器兩個(gè)線圈的阻抗，接在電橋的相鄰兩臂，另外兩臂為電源變壓器次級線圈的一半，電壓為u/2。輸出空載電壓為2121ouZZZuu(5.17) 第5章電感式傳感器 圖5.6變壓器電橋第5章電感式傳感器 初始平衡狀態(tài)下Z1=Z2=Z0，uo=0。當(dāng)銜鐵偏離中間位置時(shí)，設(shè)Z1=Z0Z， ，代入式(5.17)得(5.18) ZZZ020o2 ZZuu第5

10、章電感式傳感器 2) 相敏整流電橋圖5.7(a)所示是一種帶相敏整流的電橋電路，電橋由差動式自感傳感器Z1、Z2和平衡電阻R1、R2(R1=R2)組成，VD1VD4構(gòu)成相敏整流器。電橋的一個(gè)對角線接交流電源u，另一個(gè)對角線接電壓表V，當(dāng)銜鐵處于中間位置時(shí)，Z1=Z2= Z0，輸出電壓uo=0，消除了零點(diǎn)殘余電壓的影響，其輸出特性曲線如圖5.7(b)所示。第5章電感式傳感器 圖5.7相敏整流電橋第5章電感式傳感器 2. 調(diào)頻電路調(diào)頻電路調(diào)頻電路也是一種常用的信號調(diào)理電路，如圖5.8(a)所示。把傳感器電感線圈L和固定電容C接入振蕩回路中，其振蕩頻率，當(dāng)L發(fā)生變化時(shí)振蕩頻率也隨之變化，根據(jù)f的大小

11、即可測出銜鐵的位移量。當(dāng)自感L發(fā)生的微小變化量為L時(shí)，頻率變化量f為LCf21LLfLLCCf/2)(423(5.19) 第5章電感式傳感器 圖5.8調(diào)頻電路第5章電感式傳感器 5.1.4自感式傳感器的應(yīng)用自感式傳感器的應(yīng)用1. 自感式壓力傳感器自感式壓力傳感器圖5.9所示為自感式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖，主要由C形彈簧管、鐵芯、銜鐵和線圈等構(gòu)成。當(dāng)被測壓力進(jìn)入C形彈簧管1時(shí)，彈簧管發(fā)生變形，其自由端產(chǎn)生位移，帶動與自由端剛性連接的銜鐵2發(fā)生移動，使傳感器線圈中的自感量一個(gè)增加另一個(gè)減小，產(chǎn)生大小相等、符號相反的變化量。自感量的變化通過電橋電路轉(zhuǎn)化為電壓輸出，并經(jīng)相敏檢波電路處理，使輸出信號與被

12、測壓力成正比，即傳感器輸出信號的大小取決于銜鐵位移量的大小，輸出信號的相位取決于銜鐵移動的方向。第5章電感式傳感器 圖5.9BYM型自感式壓力傳感器第5章電感式傳感器 2. 螺管式位移傳感器螺管式位移傳感器圖5.10所示為螺管式位移傳感器，測桿7可在滾動導(dǎo)軌6上作軸向移動，測桿上固定著銜鐵3。當(dāng)測桿移動時(shí)，帶動銜鐵在電感線圈4中移動，線圈放在圓筒形鐵芯2中，線圈配置成差動式結(jié)構(gòu)，當(dāng)銜鐵由中間位置向左移動時(shí)，左線圈的自感量增加，右線圈的自感量減少。兩個(gè)線圈分別用導(dǎo)線1引出，接入測量電路。另外，彈簧5施加測量力，密封套8防止塵土進(jìn)入，可換測頭9用螺紋固定在測桿上。第5章電感式傳感器 圖5.10螺管

13、式位移傳感器第5章電感式傳感器 5.2差動變壓器式傳感器差動變壓器式傳感器5.2.1工作原理工作原理差動變壓器的結(jié)構(gòu)如圖5.11(a)所示, 主要由線圈、銜鐵和絕緣框架組成，絕緣框架上繞一組初級線圈和兩組次級線圈，并在中間圓柱孔中放入銜鐵。當(dāng)初級線圈加入適當(dāng)頻率的激勵(lì)電壓u1時(shí)，兩個(gè)次級線圈中就會產(chǎn)生感應(yīng)電勢，感應(yīng)電勢的大小與線圈之間的互感M成正比。若兩個(gè)次級線圈的感應(yīng)電勢分別為e21和e22，輸出接成反極性串聯(lián)，如圖5.11(b)所示，則傳感器總輸出電壓u2=e21e22。第5章電感式傳感器 圖5.11差動變壓器原理及特性第5章電感式傳感器 5.2.2信號調(diào)理電路信號調(diào)理電路1. 差動整流電

14、路差動整流電路差動整流電路是對差動變壓器兩個(gè)次級線圈的輸出電壓分別整流后進(jìn)行輸出，典型電路如圖5.12所示。圖5.12(a)和(b)用于低負(fù)載阻抗的場合，分別為全波和半波電流輸出。圖5.12(c)和(d)用于高負(fù)載阻抗的場合，分別為全波和半波電壓輸出?？烧{(diào)電阻Rp調(diào)整零點(diǎn)輸出電壓。第5章電感式傳感器 圖5.12差動整流電路第5章電感式傳感器 2. 相敏檢波電路相敏檢波電路相敏檢波電路是利用參考信號來鑒別被測信號的極性，參考信號與傳感器的激勵(lì)電壓由同一振蕩器供電，保證兩者同頻同相(或反相)。當(dāng)傳感器信號與參考信號同相時(shí)，相敏檢波電路的輸出電壓為正，反相時(shí)輸出電壓為負(fù)。相敏檢波電路輸出電壓的大小僅

15、與傳感器信號成比例，而與參考信號無關(guān)。這種檢波方法既反映被測信號的大小，又可以辨別其極性，常采用半波相敏檢波和全波相敏檢波電路。圖5.13(a)為開關(guān)式全波相敏檢波電路。第5章電感式傳感器 圖5.13開關(guān)式全波相敏檢波電路第5章電感式傳感器 若ur0，則u為低電平， 為高電平，V1截止，V2導(dǎo)通，運(yùn)算放大器A2的反相輸入端接地，傳感器信號u2從A2的同相輸入端輸入，輸出電壓uo為若ur0，則u為高電平， 為低電平，V1導(dǎo)通，V2截止，運(yùn)算放大器A2的同相輸入端接地，傳感器輸出電壓u2從A2的反相輸入端輸入，輸出電壓uo為u22476526o)1 (uuRRRRRRu22437ouuRRRuu(

16、5.21) (5.20) 第5章電感式傳感器 5.2.3零點(diǎn)殘余電壓零點(diǎn)殘余電壓1. 零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生的原因零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生的原因(1) 基波分量主要是傳感器兩次級線圈的電氣參數(shù)和幾何尺寸不對稱，以及構(gòu)成電橋另外兩臂的電器參數(shù)不一致，從而使兩個(gè)次級線圈感應(yīng)電勢的幅值和相位不相等，即使調(diào)整銜鐵位置，也不能同時(shí)使幅值和相位都相等；(2) 高次諧波主要由導(dǎo)磁材料磁化曲線的非線性引起。當(dāng)磁路工作在磁化曲線的非線性段時(shí)，激勵(lì)電流與磁通的波形不一致，導(dǎo)致了波形失真；同時(shí)，由于磁滯損耗和兩個(gè)線圈磁路的不對稱，造成了兩線圈中某些高次諧波成分，于是產(chǎn)生了零位電壓的高次諧波；(3) 激勵(lì)電壓中包含的高次諧波及外界

17、電磁干擾，也會產(chǎn)生高次諧波。第5章電感式傳感器 2. 零點(diǎn)殘余電壓的消除零點(diǎn)殘余電壓的消除根據(jù)零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生的原因，可以從以下幾方面進(jìn)行消除：(1) 從設(shè)計(jì)工藝上保證結(jié)構(gòu)對稱性。首先，要保證線圈和磁路的對稱性，要求提高銜鐵、骨架等零件的加工精度，線圈繞制要嚴(yán)格一致，必要時(shí)可選配線圈。采用磁路可調(diào)式結(jié)構(gòu)，保證磁路的對稱性。其次，鐵芯和銜鐵材料要均勻，應(yīng)選高導(dǎo)磁率、低矯頑磁力、低剩磁的導(dǎo)磁材料，如根據(jù)需要選用磁滯小的硅鋼片、鐵鎳合金等材料外(根據(jù)激勵(lì)電壓頻率選定)，還要經(jīng)過熱處理消除殘余機(jī)械應(yīng)力，以提高磁性能的均勻和穩(wěn)定性。另外，減小激勵(lì)電壓的諧波成分或利用外殼進(jìn)行電磁屏蔽，也能有效地減小高次諧

18、波；第5章電感式傳感器 (2) 選用合適的信號調(diào)理電路。消除零點(diǎn)殘余電壓的最有效的方法是在放大電路前加相敏檢波電路，不僅使輸出電壓能反映銜鐵移動的大小和方向，而且使零點(diǎn)殘余電壓減小到可以忽略不計(jì)的程度；(3) 在線路補(bǔ)償方面主要有：加串聯(lián)電阻消除零點(diǎn)殘余電壓的基波分量；加并聯(lián)電阻、電容消除零點(diǎn)殘余電壓的高次諧波分量；加反饋支路消除基波正交分量或高次諧波分量。第5章電感式傳感器 5.2.4差動變壓器式傳感器的應(yīng)用差動變壓器式傳感器的應(yīng)用差動變壓器式傳感器可以直接用于位移測量，也可以測量與位移有關(guān)的量，如力、力矩、加速度、振動、壓力、應(yīng)變等。1. 差動變壓器式壓力傳感器差動變壓器式壓力傳感器圖5.

19、14所示為差動變壓器式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖，主要由膜盒、隨膜盒的膨脹與收縮而移動的銜鐵、感應(yīng)線圈等組成。初級線圈與振蕩電路相連，產(chǎn)生交流激勵(lì)電壓，并在線圈周圍產(chǎn)生磁場，在兩個(gè)次級線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢。第5章電感式傳感器 圖5.14差動變壓器式壓力傳感器第5章電感式傳感器 2. 差動變壓器式加速度傳感器差動變壓器式加速度傳感器圖5.15所示為差動變壓器式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖，主要由懸臂梁和差動變壓器構(gòu)成。第5章電感式傳感器 圖5.15差動變壓器式加速度傳感器第5章電感式傳感器 3. 差動變壓器式位移傳感器差動變壓器式位移傳感器圖5.16所示為差動變壓器式位移傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖，可用于很多場合

20、下的微小位移測量。測頭1通過軸套2與測桿3連接，活動銜鐵4固定在測桿上。線圈架5上繞有三組線圈，中間是初級線圈，兩端是次級線圈，它們通過導(dǎo)線7與信號調(diào)理電路連接。線圈的外面有屏蔽筒8，用來防止外磁場的干擾。測桿用圓片彈簧9導(dǎo)向，用彈簧6獲得恢復(fù)力，為了防止灰塵侵入測桿，并裝有防塵罩10。第5章電感式傳感器 圖5.16差動變壓器式位移傳感器第5章電感式傳感器 5.3電渦流式傳感器電渦流式傳感器5.3.1電渦流效應(yīng)電渦流效應(yīng)如圖5.17所示，在一個(gè)金屬導(dǎo)體上方放置一個(gè)扁平線圈，當(dāng)線圈中通入交變電流i1時(shí)，線圈的周圍空間就產(chǎn)生了交變磁場H1，若將金屬導(dǎo)體置于此磁場范圍內(nèi)，則金屬導(dǎo)體中將產(chǎn)生感應(yīng)電流i

21、2。這種電流在金屬導(dǎo)體中是閉合的，呈旋渦狀，稱為電渦流或渦流。電渦流也將產(chǎn)生交變磁場H2，其方向與激勵(lì)磁場H1方向相反，由于磁場H2的反作用使導(dǎo)電線圈的有效阻抗發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。第5章電感式傳感器 圖5.17電渦流效應(yīng)原理圖第5章電感式傳感器 線圈阻抗的變化與金屬導(dǎo)體的電阻率、磁導(dǎo)率、幾何形狀、線圈的幾何參數(shù)、激勵(lì)電流以及線圈到金屬導(dǎo)體之間的距離x等參數(shù)有關(guān)。假設(shè)金屬導(dǎo)體是勻質(zhì)的，則金屬導(dǎo)體與線圈共同構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)，其物理性質(zhì)用磁導(dǎo)率、電阻率、尺寸因子r、距離x、激勵(lì)電流強(qiáng)度I和角頻率等參數(shù)來描述，線圈阻抗Z為Z=F(x, I, r, , , ) (5.22)第5章電感式傳感器

22、對磁場而言，其變化頻率越高，渦流的趨膚效應(yīng)越顯著，渦流穿透深度愈小。穿透深度h與線圈的激勵(lì)頻率f、金屬導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性質(zhì)有關(guān)，即fhm(5.23) 第5章電感式傳感器 1. 高頻反射式電渦流傳感器高頻反射式電渦流傳感器高頻反射式電渦流傳感器的結(jié)構(gòu)比較簡單，主要由一個(gè)安裝在框架上的線圈構(gòu)成，稱為電渦流探頭。線圈繞成扁平圓形，可以粘貼于框架上，也可在框架上開一條槽溝，將導(dǎo)線繞在槽內(nèi)，形成一個(gè)線圈。線圈的導(dǎo)線一般采用高強(qiáng)度漆包銅線，若要求高一些可用銀或銀合金線，若工作在較高溫度下則用高溫漆包線。圖5.18所示為CZF1型渦流式傳感器的結(jié)構(gòu)簡圖，它就是將導(dǎo)線繞在聚四氟乙烯框架槽溝內(nèi)，形成線圈的結(jié)構(gòu)方式

23、。第5章電感式傳感器 圖5.18CZF1型渦流式傳感器的結(jié)構(gòu)簡圖第5章電感式傳感器 2. 低頻透射式電渦流傳感器低頻透射式電渦流傳感器低頻透射式電渦流傳感器采用低頻激勵(lì)，貫穿深度較大，適用于測量金屬材料的厚度，其工作原理如圖5.19所示。 第5章電感式傳感器 圖5.19低頻透射式電渦流傳感器原理圖第5章電感式傳感器 5.3.2信號調(diào)理電路信號調(diào)理電路1. 電橋電路電橋電路電橋電路是一種常用的簡單電路。通常把線圈的阻抗作為電橋的一個(gè)橋臂，或用兩個(gè)相同的電渦流線圈組成差動形式。初始狀態(tài)電橋平衡，測量時(shí)由于線圈阻抗發(fā)生變化，使電橋失去平衡，用電橋輸出電壓的大小來反映被測量的變化。第5章電感式傳感器

24、2. 諧振電路諧振電路諧振電路是將固定電容與傳感器線圈并聯(lián)，構(gòu)成并聯(lián)諧振回路。無被測金屬導(dǎo)體時(shí)，傳感器調(diào)諧到某一諧振頻率f0。當(dāng)被測金屬導(dǎo)體接近(或遠(yuǎn)離)傳感器線圈時(shí)，回路將失諧。 若載波頻率一定，則傳感器線圈的電感量L發(fā)生變化，從而使LC回路的等效阻抗發(fā)生變化，利用測量阻抗來確定被測量的大小。諧振電路通常有兩種方式，即定頻測距式(也稱為恒定頻率調(diào)幅式)和調(diào)頻測距式(也稱為調(diào)頻調(diào)幅式)。第5章電感式傳感器 圖5.20(a)所示為定頻測距式電路原理圖。圖中傳感器線圈L和固定電容器C是諧振回路的基本元件，穩(wěn)頻穩(wěn)幅正弦波振蕩器的輸出信號經(jīng)由電阻R加到諧振回路上。傳感器線圈L感應(yīng)的高頻電磁場作用于金屬

25、板表面，由于表面的渦流反射作用，使L的電感量發(fā)生變化，并使回路失諧，從而改變了檢波電壓的大小。第5章電感式傳感器 圖5.20諧振電路原理圖第5章電感式傳感器 5.3.3電渦流式傳感器的應(yīng)用電渦流式傳感器的應(yīng)用1. 電渦流式位移傳感器電渦流式位移傳感器電渦流式傳感器可用來測量各種形式的位移量，測量范圍大約為05 mm，分辨率可達(dá)測量范圍的0.1%，圖5.21所示為電渦流式位移傳感器的測量原理圖。其中圖5.21(a)為汽輪機(jī)主軸的軸向位移測量，圖5.21(b)為先導(dǎo)閥的位移測量，圖5.21(c)為金屬試件的熱膨脹系數(shù)測量。第5章電感式傳感器 圖5.21電渦流式位移傳感器的測量原理圖第5章電感式傳感

26、器 2. 電渦流式振幅傳感器電渦流式振幅傳感器電渦流式傳感器可以無接觸地測量各種振動的幅值，圖5.22所示為電渦流式振幅傳感器的測量原理圖。 圖5.22電渦流式振幅傳感器的測量原理圖第5章電感式傳感器 3. 電渦流式厚度傳感器電渦流式厚度傳感器電渦流式傳感器可以無接觸地測量金屬板厚度和非金屬板的鍍層厚度，圖5.23(a)所示為電渦流式厚度傳感器的測量原理圖。 第5章電感式傳感器 圖5.23電渦流式厚度傳感器的測量原理圖第5章電感式傳感器 4. 電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器由于電渦流式傳感器具有動態(tài)非接觸測量的特點(diǎn)，所以可以很方便地測量轉(zhuǎn)速，圖5.24所示為電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器的測量原理圖

27、。其中圖5.24(a)是在一個(gè)旋轉(zhuǎn)體上開一條或數(shù)條槽，圖5.24(b)是做成齒狀。在旋轉(zhuǎn)體旁邊安裝一個(gè)傳感器探頭，當(dāng)旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動時(shí)，傳感器探頭將輸出周期性變化的電壓，此電壓經(jīng)放大整形后用頻率計(jì)指示出頻率值。此頻率值f與槽(齒)數(shù)Z及被測轉(zhuǎn)速n的關(guān)系式為Zfn60min)/r (5.24) 第5章電感式傳感器 圖5.24電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器的測量原理圖第5章電感式傳感器 5. 渦流探傷渦流探傷電渦流式傳感器可以用于焊接部位的探傷，還可以檢查金屬材料的表面裂紋、砂眼、氣泡、熱處理裂痕等。測量時(shí)，被測物體與傳感器線圈之間作平行相對運(yùn)動，距離保持不變，在測量線圈上就會產(chǎn)生調(diào)制頻率信號，此頻率取決于相對運(yùn)動

28、的速度和導(dǎo)體中物理性質(zhì)的變化速度。如有裂紋、缺陷出現(xiàn)時(shí)，傳感器線圈的阻抗發(fā)生變化，于是傳感器的信號產(chǎn)生突變，由此可以確定裂紋、缺陷的部位，達(dá)到探傷的目的。另外，電渦流式傳感器還可以探測地下埋設(shè)的管道或金屬體，包括探測帶金屬零件的地雷等。探雷時(shí)，在正常情況下，探雷傳感器的耳機(jī)中沒有聲音，當(dāng)探測到金屬物體時(shí)，耳機(jī)中便會傳出聲音報(bào)警。第5章電感式傳感器 5.4感感 應(yīng)應(yīng) 同同 步步 器器5.4.1結(jié)構(gòu)類型與工作原理結(jié)構(gòu)類型與工作原理1. 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)感應(yīng)同步器按其用途可分為直線感應(yīng)同步器和圓感應(yīng)同步器兩大類，前者用于直線位移的測量，后者用于角位移的測量。1) 直線感應(yīng)同步器直線感應(yīng)同步器由定尺和滑尺組成

29、，如圖5.25所示。定尺和滑尺上均有印刷電路繞組，定尺為一組均勻分布的單相連續(xù)繞組，滑尺為兩組節(jié)距相等、空間相差90交替排列的分段繞組，S為正弦繞組，C為余弦繞組。使用時(shí)定尺安裝在不動部件上，滑尺安裝在運(yùn)動部件上，兩尺平面繞組相對放置，并留有微小間隙(0.25 mm左右)，滑尺相對定尺移動。第5章電感式傳感器 圖5.25直線感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)第5章電感式傳感器 2) 圓感應(yīng)同步器圓感應(yīng)同步器又稱旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器，它由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，如圖5.26所示。在轉(zhuǎn)子上分布著單相連續(xù)繞組，繞組的導(dǎo)電片沿圓周的徑向分布；在定子上分布著兩相扇形的分段繞組。定子和轉(zhuǎn)子的截面構(gòu)造與直線感應(yīng)同步器相同，為防止靜電感應(yīng)

30、，在轉(zhuǎn)子繞組的表面也粘結(jié)絕緣層的鋁箔，定子和轉(zhuǎn)子之間也留有微小間隙。轉(zhuǎn)子作為激勵(lì)繞組，加上交流激勵(lì)電壓；定子的正弦、余弦繞組作為輸出繞組。定子和轉(zhuǎn)子可以直接安裝在機(jī)械設(shè)備上，也可以將它們組裝在一起，通過聯(lián)軸器與機(jī)械運(yùn)動軸聯(lián)接起來。第5章電感式傳感器 圖5.26圓感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)第5章電感式傳感器 2. 工作原理工作原理以直線型感應(yīng)同步器為例。當(dāng)滑尺的兩個(gè)繞組(激勵(lì)繞組)各供給一個(gè)交流激勵(lì)電壓時(shí)，則定尺上的繞組由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象而產(chǎn)生與激勵(lì)電壓同頻率的感應(yīng)電勢。感應(yīng)電勢與位置的關(guān)系如圖5.27所示。 第5章電感式傳感器 圖5.27感應(yīng)電勢與兩繞組相對應(yīng)位置的關(guān)系第5章電感式傳感器 5.4.2信號調(diào)

31、理電路信號調(diào)理電路1. 鑒幅型電路鑒幅型電路鑒幅型電路是在滑尺的正弦、余弦繞組上供給同頻率、同相位但不同幅值的激勵(lì)電壓，通過輸出感應(yīng)電勢的幅值來鑒別被測位移的大小。設(shè)滑尺上正弦、余弦繞組的激勵(lì)電壓分別為us=Uscost (5.25) uc=Uccost (5.26)第5章電感式傳感器 兩個(gè)激勵(lì)繞組分別在定尺繞組上產(chǎn)生的感應(yīng)電勢為式中：K比例常數(shù)；W繞組節(jié)距(見圖5.25)；x滑尺與定尺的相對位移。xWtKUep2sinsinssxWtKUep2cossincc(5.28) (5.27) 第5章電感式傳感器 定尺繞組上的總感應(yīng)電勢為采用函數(shù)變壓器使激勵(lì)電壓幅值為Us=Umcos (5.30)U

32、c=Umsin (5.31)則式(5.29)變?yōu)槭街校簒=2x/W滑尺與定尺之間的相對位移角。(5.29) )2cos2sin(sincscsxWUxWUtKeeepptKUt-xWKUepsin)sin(sin)2sin(xmm(5.32) 第5章電感式傳感器 設(shè)初始狀態(tài)x=，e=0。當(dāng)滑尺相對定尺移動x，使x變化為x，則式(5.32)變?yōu)?5.33) txWKUtKUepsin)2(sin)sin(mxm第5章電感式傳感器 2. 鑒相型電路鑒相型電路鑒相型電路是在滑尺的正弦、余弦繞組上供給頻率相同、幅值相同、相位差為90的交流激勵(lì)電壓，通過檢測感應(yīng)電勢的相位來鑒別被測位移量的大小。設(shè)滑尺上正弦、余弦繞組的激勵(lì)電壓分別為us=Umsint (5.34) uc=Umcost (5.35)兩個(gè)激勵(lì)繞組分別在定尺繞組上產(chǎn)生的感應(yīng)電勢分別為(5.36) xWtKUep2sincosms第5章電感式傳感器 定尺上的總感應(yīng)電勢(5.37) xWtKUep2cossinmc)sin()2sin(xmmcsptKUxWtKUeee(5.38) 第5章電感式傳感器 5.4.3感應(yīng)同步器的應(yīng)用感應(yīng)同步器的應(yīng)用1. 點(diǎn)位控制系統(tǒng)點(diǎn)位控制系統(tǒng)點(diǎn)位控制系統(tǒng)主要是控制刀具或工作臺從某一加工點(diǎn)到另一加工點(diǎn)之間的準(zhǔn)確定位，而對點(diǎn)與點(diǎn)之間所經(jīng)過的軌跡不加控制。利用感應(yīng)同步器作點(diǎn)位控制的檢測反饋元