電感式傳感器(同名42)課件

1、傳感器原理及應用電感式傳感器先看一個實驗電感式傳感器:是利用線圈的自感或互感變化實現(xiàn)非電量轉(zhuǎn)換的一種裝置電感式傳感器的工作原理及作用如下框圖位移、振動、壓力、應變、流量、力、力矩、重量、密度等被測非電量電感變換元件（確定關(guān)系）電感變化量DL、DM被測電路（確定關(guān)系）可用電量U, I, f電感式傳感器各種電感式傳感器傳感器原理及應用第5章 電感式傳感器非接觸式位移傳感器測厚傳感器電感粗糙度儀接近式傳感器電感傳感器測量滾珠直徑，實現(xiàn)按誤差分裝塞選傳感器原理及應用第5章 電感式傳感器 電感式傳感器是一種機電轉(zhuǎn)換裝置，在自動控制設(shè)備中廣泛應用。電感式傳感器利用電磁感應定律將被測量（如位移、壓力、流量、

2、振動）轉(zhuǎn)換為電感的自感或互感的變化。 按結(jié)構(gòu)原理電感式傳感器可分為： 自感式 互感式 電渦流式主要內(nèi)容： 5.1 變磁阻式電感傳感器 (自感式） 5.2 差動變壓器式電感傳感器 （互感式） 5.3 電渦流式傳感器 5.4 電感式傳感器的應用 傳感器原理及應用第5章 電感式傳感器5.1 變磁阻式傳感器（自感式）1. 組成 由線圈、鐵芯及銜鐵三部分組成DxDdDRmDL標度變換2 工作原理線圈中電感量 線圈總磁鏈,單位：韋伯；I 通過線圈的電流，單位：安培；W 線圈的匝數(shù)；F 穿過線圈的磁通IW 磁動勢Rm 磁路總磁阻，單位：1/亨。(5-1) 對于變隙式傳感器， 因為氣隙很小，所以可以認為氣隙中

3、的磁場是均勻的。 若忽略磁路磁損， 則磁路總磁阻為 式中： 1鐵芯材料的導磁率；2銜鐵材料的導磁率； l1磁通通過鐵芯的長度；l2磁通通過銜鐵的長度； S1鐵芯的截面積； S2銜鐵的截面積； 0空氣的導磁率； S0氣隙的截面積； 氣隙的厚度。 (5-2)通常氣隙磁阻遠大于鐵芯和銜鐵的磁阻， 即 （5-3） 則式（5-2）可寫為 （5-4） 聯(lián)立式（5-1）及式（5-4）， 可得 （5-5） a)氣隙型 b)截面型 c)螺管型電感式傳感器原理圖變氣隙型傳感器變截面型傳感器 線圈中放入圓形銜鐵 可變自感 螺管型傳感器。變磁阻式傳感器又分為:5.1.2 輸出特性(變氣隙式）通常氣隙的磁阻遠大于鐵芯和

4、銜鐵的磁阻 L與之間是非線性關(guān)系 5.1.2 輸出特性(變氣隙式）(續(xù)） 銜鐵位移引起的電感變化為氣隙厚度變化時，L與為反比關(guān)系0LL0 L0+L L0-L電感初始氣隙0 處, 初始電感量為特性曲線非線性/ 1時，用泰勒級數(shù)展開。5.1.2 輸出特性(變氣隙式）(續(xù)）/ 1時，可將前式用泰勒級數(shù)展開,求出電感增量銜鐵下移時電感的相對增量增大銜鐵上移時電感的相對增量減小 對上式作線性處理5.1.2 輸出特性(變氣隙式）(續(xù)） / 2LC 且w2LCRc)時可以消除正交分量,輸出可寫為變壓器式交流電橋檢測電路 電橋的兩臂是傳感器線圈阻抗臂、另外兩個臂是交流變壓器次級線圈各占1/2，交流供電。 橋路

5、輸出電壓為： 當銜鐵在中間位置：Z1 = Z2 = Z， U0 = 0 變壓器式交流電橋檢測電路（續(xù)）銜鐵上下移動相同距離時，輸出電壓大小相等方向相反，相差180，要判斷銜鐵方向就是判斷信號相位，可采用相敏檢波電路解決。該電路最大特點是輸出阻抗較小，其輸出阻抗為 當銜鐵偏移時，Z1Z2，輸出電壓為 當銜鐵偏向另一方向 Z1Z2，輸出電壓為 5.1.4 變磁阻式傳感器的應用 變隙式原始氣隙0可取得很小, 0 = 0.10.5mm, 當 =1m 時，L/L0可達 1/100 1/500。 變隙式傳感器靈敏度高，缺點是非線性嚴重,自由行程小，工藝制作難。壓力測量圖5-10 變隙電感式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖

6、 壓力測量（續(xù)）圖5-11 變隙式差動電感壓力傳感器 被測壓力經(jīng)過位移、電壓兩次轉(zhuǎn)換輸出5.1.4 變磁阻式傳感器的應用（續(xù)） 游標卡尺分辨率為0.02mm; 千分尺分辨率為0.01mm; 現(xiàn)代機械加工要求測量工具的分辨率高于公差的一個數(shù)量級，傳統(tǒng)工具無法實現(xiàn)，電感傳感器的分辨率可達0.01m ,可優(yōu)于要求公差。新型測量工具設(shè)計結(jié)構(gòu)示意圖5.2 差動變壓器式傳感器（互感式）把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感變化的傳感器稱為互感式傳感器。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且次級繞組用差動形式連接，故稱差動變壓器式傳感器。變隙式變面積式 螺線管式次級次級骨架初級銜鐵次級次級初級變隙式差動變壓

7、器圖 5-14 差動變壓器式傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖 (a) (b)變隙式差動變壓器; 螺線管式差動變壓器圖 4-11 差動變壓器式傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖(c)、(d) 螺線管式差動變壓器; 變面積式差動變壓器圖 4-11 差動變壓器式傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖(e)、(f)變面積式差動變壓器 螺線管式差動變壓器結(jié)構(gòu)和工作原理差動變壓器的結(jié)構(gòu)形式較多，應用最多的是螺線管式差動變壓器(介紹三節(jié)式)，可測量1100mm 范圍內(nèi)機械位移。次級次級骨架初級銜鐵次級次級初級5.2.1 工作原理 初級線圈L1，次級線圈L2a、L2b須反相連接，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)相等差動輸出

8、電壓為零：并且有兩線圈電動勢相等線圈同名端連接5.2.1 工作原理（續(xù)） 差動變壓器的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，輸出電壓大小、極性隨銜鐵位移變化 若銜鐵上移 若銜鐵下移 輸出電壓與輸入同相輸出電壓與輸入反相5.2.2 基本特性 由此得到輸出電壓有效值為 ： 差動變壓器輸出電壓與互感的差值成正比。根據(jù)電磁感應定律，次級感應電動勢分別為輸出電壓次級開路時，初級電流 代入上式5.2.2 基本特性（續(xù)） 鐵芯在中間位置時 鐵芯向上移（右移）輸出與E2a同極性； 差動變壓器輸出交流電壓，存在相位問題，負-表示反相。 鐵芯向下移（左移）輸出與E2b同極性；5.2.2

9、基本特性（續(xù)）差動變壓器輸出電壓和位移的關(guān)系1.差動變壓器輸出電壓幅值取決于線圈互感M，即銜鐵在線圈中移動的距離X，而U0與Ui的相位決定銜鐵的移動方向；2. 輸出電壓U0與激勵電壓Ui有關(guān)，應盡可能大；U0與激勵頻率成正比，中頻應用在4001000Hz；3. 輸出電壓的正、負（反相）結(jié)果，經(jīng)相敏檢波后輸出曲線反行程翻轉(zhuǎn)為過零直線； 差動變壓器靈敏度可達 0.15V/mm；其中包括三個內(nèi)容: 傳感器類型、轉(zhuǎn)換電路、電源。出廠測定靈敏度規(guī)定：電源1V，銜鐵位移1m的輸出電壓U0動變壓器結(jié)構(gòu)形式5.2.3 零點殘余電壓 理論上講，鐵芯處于中間位置時輸出電壓應為零，而實際輸出U00，在零點上總有一個

10、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。零點殘余電壓危害： 使傳感器輸出特性在零點附近的范圍內(nèi)不靈敏，限制著分辨力的提高。 零點殘余電壓太大，將使線性度變壞，靈敏度下降，甚至會使放大器飽和，堵塞有用信號通過，致使儀器不再反映被測量的變化。產(chǎn)生零點殘余電壓的原因（1）由于兩個二次測量線圈的等效參數(shù)不對稱，使其輸出的基波感應電動勢的幅值和相位不同，調(diào)整磁芯位置時，也不能達到幅值和相位同時相同。（2）由于鐵芯的B-H特性的非線性，產(chǎn)生高次諧波不同，不能互相抵消。減小零點殘余電壓措施： （1）在設(shè)計和工藝上，力求做到磁路對稱，線圈對稱。鐵芯材料要均勻，要經(jīng)過熱處理去除機

11、械應力和改善磁性。兩個二次側(cè)線圈窗口要一致，兩線圈繞制要均勻一致。一次側(cè)線圈繞制也要均勻。（2）采用拆圈的實驗方法來減小零點殘余電壓。其思路是，由于兩個二次側(cè)線圈的等效參數(shù)不相等，用拆圈的方法，使兩者等效參數(shù)相等。（3）在電路上進行補償。線路補償主要有：加串聯(lián)電阻，加并聯(lián)電容，加反饋電阻或反饋電容等。5.2.4差動變壓器式傳感器測量電路 能辨別移動方向 消除零點殘余電壓 （1）差動整流電路 （2）相敏檢波電路 差動整流電路 差動變壓器輸出交流信號,為正確反映位移大小和方向，常采用差動整流電路和相敏檢波電路。 差動整流電路輸入一交流信號時，無論極性如何，整流電路的輸出電壓始終為 U0 = UAO

12、-UBO上繞組輸出始終為 U24 下繞組輸出始終為 U68R0為調(diào)零電阻 整流電路的輸出電壓大小極性與鐵心位置有關(guān)： 鐵心T在中間位置時，U24 = U68 ，U0 = 0 ; 鐵心T上移， U24 U68 ，U0 0 ； 鐵心T下移， U24 U68 ，U0 0 。差動整流電路（續(xù)）集成相敏檢波電路差動變壓器輸出與差動放大器連接 輸出正負電壓的結(jié)果由相敏檢波后反行程旋轉(zhuǎn) 由，工作曲線為過零點的直線。 相敏檢波前后輸出特性集成相敏檢波電路（續(xù)）5.2.5 差動變壓器式傳感器應用1. 力和力矩的測量2. 微小位移的測量3. 壓力測量4. 加速度傳感器力和力矩的測量優(yōu)點：承受軸向力時應力分布均勻；

13、當長徑比較小時，受橫向偏心的分力的影響較小。1線圈2銜鐵3彈性元件壓力測量 微壓力傳感器 1-接頭；2-膜盒；3-底座；4-線路板；5-差動變壓器線圈；6-銜鐵；7-罩殼；8-插頭；9-通孔傳感器與彈性敏感元件（膜片、膜盒和彈簧管等）相結(jié)合，可以組成開環(huán)壓力傳感器和閉環(huán)力平衡式壓力計 液位測量沉筒式液位計將水位變化轉(zhuǎn)換成位移變化，再轉(zhuǎn)換為電感的變化，差動變壓器的輸出反映液位高低。電感測厚儀（二極管相敏檢波電路) L1、L2傳感器作兩個橋臂；C1、C2為另外兩個橋臂；D1-D4組成相敏整流器;磁飽和變壓器T提供橋壓。 被測厚度正常時，L1= L2，Uc=Ud，IM= 0； 設(shè)厚度變化，T上移，L

14、1L2，Z1Z2正半周（a+，b-）時，D1、D4導通， I1I4 ；負半周（a-，b+）時，D2、D3導通， I3I2 ； 無論極性如何始終有 UdUc ,電流方向 若T下移L1 L2，Z1 Z2 UdUc ，電流方向電感式滾柱直徑分選示意 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）5.3 電渦流式傳感器 電渦流傳感器是一種非接觸式的線性化計量工具，在大型 旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)的在線監(jiān)測與故障診斷中得到廣泛應用。電渦流傳感器能準確測量被測體（必須是金屬導體）與探 頭端面之間靜態(tài)和動態(tài)的相對位移變化。電渦流式

15、傳感器最大的特點：能夠?qū)ξ灰?、厚度、表面?度、速度、應力、材料損傷等被測量進行非接觸式測量。電渦流傳感器目前主要應用于位移、振動、轉(zhuǎn)速、厚度等 機械量測量,另外可測材料、測溫度和電渦流探傷。 測振動 測軸心軌跡 測厚 測轉(zhuǎn)速5.3 電渦流式傳感器電渦流式傳感器基于電渦流效應工作，由于結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、頻率響應范圍寬，不受油污等介質(zhì)的影響，并能進行非接觸測量等優(yōu)點而各受重視。電渦流傳感器能準確測量被測體（必須是金屬導體）與探頭端面之間靜態(tài)和動態(tài)的相對位移變化。電渦流式傳感器最大的特點：能夠?qū)ξ灰?、厚度、轉(zhuǎn)速、振動、表面溫度、材料損傷等被測量進行非接觸式測量。電渦流傳感器目前主要應用于位移、振

16、動、轉(zhuǎn)速、厚度等機械量測量,另外可測材料、測溫度和電渦流探傷。電渦流傳感器工作原理傳感器線圈測量電路（非電量） 位移、振動、厚度、溫度、轉(zhuǎn)速、流量、應力、硬度、探傷.阻抗、電感、品質(zhì)因素Z、L、Q可用電量U、I、f電渦流傳感器就是利用電渦流效應來檢測導電物體的各種物理參數(shù)。5.3.1 電渦流效應由法拉第電磁感應原理可知,一個塊狀金屬導體置于變化的磁場中或在磁場中作用切割磁力線運動時，導體內(nèi)部會產(chǎn)生一圈圈閉和的電流，這種電流叫電渦流，這種現(xiàn)象叫做電渦流效應, 根據(jù)電渦流效應制作的傳感器稱電渦流傳感器。形成電渦流必須具備的兩個條件： 存在交變磁場 金屬導體處于交變磁場中 H2 I2金屬導體UAC電

17、渦流傳感器的結(jié)構(gòu)電渦流傳感器主要由產(chǎn)生交變磁場的通電線圈和置于線圈附近因而處于交變磁場中的金屬導體兩部分組成。金屬導體也可以是被測對象本身。1234561 線圈 2 框架 3 襯套4 支架 5 電纜 6 插頭主要由一個安置在框架上的扁平圓形線圈構(gòu)成。此線圈可以粘貼于框架上，或在框架上開一條槽溝，將導線繞在槽內(nèi)。下圖為CZF1型渦流傳感器的結(jié)構(gòu)原理，它采取將導線繞在聚四氟乙烯框架窄槽內(nèi)，形成線圈的結(jié)構(gòu)方式。5.3.2 等效電路分析 把一個扁平線圈置于金屬導體附近，當線圈中通以交變電流 I1時，線圈周圍空間產(chǎn)生交變磁場H1，當金屬導體靠近交變磁場中時，導體內(nèi)部就會產(chǎn)生渦流I2，按照楞次定律，這個渦

18、流總是企圖抵消原磁場的變化,產(chǎn)生反抗H1的交變磁場H2。 渦流線圈結(jié)構(gòu)非常簡單，但要定量分析是很困難的，可根據(jù)實際情況建立一個模型，求出模型的等效電路參數(shù)。(5-42) 電感L2表示金屬板對渦流呈現(xiàn)的電感效應.電阻R2表示在金屬板上的渦流損耗互感系數(shù)M表示L2與原線圈L1之間的相互作用.R1為原線圈L的損耗電阻5.3.2 等效電路分析(續(xù)）根據(jù)基爾霍夫第二定律，可列出如下方程式中：線圈激磁電流角頻率；R1、L1線圈電阻和電感； L2短路環(huán)等效電感； R2短路環(huán)等效電阻； M互感系數(shù)。5.3.2 等效電路分析（續(xù)）等效電感解方程得到金屬靠近后傳感器（初級線圈）的等效阻抗等效電阻5.3.2 等效電

19、路分析（續(xù)）式中：Req線圈受電渦流影響后的等效電阻 Leq線圈受電渦流影響后的等效電感 線圈的等效品質(zhì)因數(shù)Q值為 M互感系數(shù)隨線圈與導體間距離的減小而增大。當x M Leq， Req在理論和實測中都證明，線圈的感抗XL的變化比R的變化大得多，此時流過線圈的電流i1是增大的。線圈的品質(zhì)因素Q(Q=XL/R=wL/R)，與等效電感成正比，與等效電阻（高頻時的等效電阻比直流電阻大得多）成反比，當電渦流增大，Q下降很多，可以通過測量Q值的變化來間接判斷電渦流的大小。5.3.2 等效電路分析（續(xù)）當電渦流線圈與金屬板距離x減小，電渦流線圈的等效電感減小，等效電阻增大，流過電渦路線圈的電流i1增大。5.

20、3.2 等效電路分析（續(xù)）5.3.3 電渦流傳感器的應用 電渦流傳感器以其長期工作可靠性好、測量范圍寬、靈敏度高、分辨率高、響應速度快、抗干擾力強、不受油污等介質(zhì)的影響、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，在大型旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)的在線監(jiān)測與故障診斷中得到廣泛應用。 電渦流傳感器的應用主要是通過位移變化測量其他各種物理量 （1）測厚：低頻透射式渦流厚度傳感器高頻反射式渦流厚度傳感器 （2）測轉(zhuǎn)速； （3）測位移、測振動； （4）電渦流探傷； （5）金屬零件計數(shù)、尺寸檢測、光潔度檢測。5.3.3 渦流式傳感器的應用被 測 參 數(shù)變 換 量特 征位移、厚度、振動 （1） 非接觸測量，連續(xù)測量 （2） 受剩磁的影響。表面溫度

21、、電解質(zhì)濃度、材質(zhì)判別、速度（溫度） （1） 非接觸測量，連續(xù)測量； （2） 對溫度變化進行補償應力、硬度（1） 非接觸測量，連續(xù)測量； （2） 受剩磁和材質(zhì)影響探傷 可以定量測量1.測厚（低頻透射式渦流厚度傳感器） 在金屬板的上下方分別設(shè)有發(fā)射傳感器線圈L1和接收傳感器線圈L2，L1加低頻電壓U1時，L1上產(chǎn)生交變磁通。 無金屬板時，磁通直接耦合至L2 ，L2產(chǎn)生感應電壓； 如果金屬板放置兩線圈之間，線圈L1在金屬板中產(chǎn)生電渦流，磁場能量受到損耗，使達到L2的磁通減弱，最終使L2上感應電動勢減弱。 金屬板越厚，渦流磁能損失越多，下線圈L2上感應電動勢輸出U2越小。通過測量U2檢測金屬板的厚度

22、。 透射式渦流傳感器可檢測1100mm范圍。1.測厚（高頻反射式渦流厚度傳感器） 為克服帶材不平或因振動引起的干擾，可采用兩個電渦流傳感器S1、S2 分別放置在被測金屬兩側(cè)，同時檢測兩個方向距離X1、X2。電渦流金屬板、帶材厚度測量 當厚度不變時，兩傳感器與上下表面距離 x1+ x2 = 常數(shù); 傳感器輸出電壓之和（假設(shè)為 2U），數(shù)值不變； 當厚度變化 時, 輸出電壓 = 2UU ,可將U放大輸出顯示帶材厚度變化。 實際應用時，給定厚度 ，當厚度變化時與厚度變化值的代數(shù)和就是被測帶材厚度。 2.電渦流探傷 由于趨膚效應，導體表面電渦流密度最大，表面信息量最大，可采用電渦流傳感器測量金屬表面缺

23、陷，當導體表面存在缺陷時會引起金屬的電阻率、磁導率的變化；可用于金屬表面裂紋、熱處理裂紋、焊接處質(zhì)量探傷。 探傷時傳感器與被測金屬保持距離不變，如果有裂紋導體電阻率會發(fā)生變化，渦流損耗的改變引起渦流強度變化使電路輸出電壓變化?；疖囓囕喠鸭y檢測傳感器安裝應覆蓋車輪裂紋輸出信號車輪周長開始結(jié)束機械振動測量機械振動測量含有幅值、相位和頻率的信息。旋轉(zhuǎn)機械的運動狀態(tài)主要取決于核心轉(zhuǎn)軸，而電渦流傳感器能直接非接觸測量轉(zhuǎn)軸的狀態(tài)，對諸如轉(zhuǎn)子的不平衡、不對中、軸承磨損、軸裂紋及發(fā)生摩擦等機械問題的早期判定，可提供關(guān)鍵的信息。電渦流傳感器目前廣泛應用于電力、石油、化工、冶金等行業(yè),對汽輪機、水輪機、鼓風機、壓

24、縮機、空分機、齒輪箱、大型冷卻泵等大型旋轉(zhuǎn)機械軸的徑向振動、軸向位移、鍵相器、軸轉(zhuǎn)速、脹差、偏心、以及轉(zhuǎn)子動力學研究和零件尺寸檢驗等。各種形式的電渦流傳感器1位移測量(a) 汽輪機主軸的軸向位移測量示意圖(b) 磨床換向閥、先導閥的位移測量示意圖(c) 金屬試件的熱膨脹系數(shù)測量示意圖 2 振幅測量(a)汽輪機和空氣壓縮機常用的監(jiān)控主軸的徑向振動的示意圖(b)測量發(fā)動機渦輪葉片的振幅的示意圖(c) 通常使用數(shù)個傳感器探頭并排地安置在軸附近振動測量測量懸臂梁的振幅及頻率汽輪機葉片測試偏心和振動檢測通過測量間隙來測量徑向跳動測量彎曲、波動、變形對橋梁、絲杠等機械結(jié)構(gòu)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導向輥可以用金屬制作嗎？測量冷軋板厚度測量尺寸、公差及零件識別通過測量間隙來測定熱膨脹引起的上下平移測量封口機工作間隙間隙越大，電渦流越小測量注塑機開合模的間隙移位的標定方法使用千分尺，逐一對照測量電路的輸出電壓及熟顯表讀數(shù)，列出對照表，存入計算機，從而達到線性化的目的。4轉(zhuǎn)速測量 f頻率值(Hz)； n旋轉(zhuǎn)體的槽(齒)數(shù)； N被測軸的轉(zhuǎn)速(rmin)。 圖5-32所示為電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器工作原理圖。在軟磁材料制成的輸入軸上加工一鍵槽，在距輸入表面d