機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)-第七章

第七章：

電感式傳感器石河子大學(xué)機(jī)械(jīxiè)電氣工程學(xué)院電氣工程系石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院干燥(gānzào)技術(shù)與裝備實(shí)驗(yàn)室《機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)》精品資料第七章 電感式傳感器內(nèi)容提示(tíshì)：7.1自感傳感器7.2差動(dòng)變壓器傳感器7.3電感傳感器的應(yīng)用7.4電渦流傳感器精品資料第七章 電感式傳感器電感傳感器是利用線圈自感或互感量系數(shù)的變化來實(shí)現(xiàn)非電量(diànliàng)測(cè)量的一種裝置。電感傳感器的分辨力高，但響應(yīng)速度慢。電感傳感器種類很多，可分為自感式和互感式兩大類。人們習(xí)慣上講的電感傳感器通常是指自感式傳感器，而互感式傳感器是利用變壓器原理，又往往做成差動(dòng)式，故常被稱為差動(dòng)變壓器式傳感器。精品資料7.1自感(zìɡǎn)傳感器將一只380V交流接觸器線圈與交流毫安表串聯(lián)后，接到機(jī)床用控制變壓器的36V交流電壓源上。這時(shí)毫安表的示值約為幾十毫安。用手慢慢將接觸器的活動(dòng)鐵心(tiěxīn)（稱為銜鐵）往下按，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)毫安表的讀數(shù)逐漸減小。當(dāng)銜鐵與固定鐵心(tiěxīn)之間的氣隙等于零時(shí)，毫安表的讀數(shù)只剩下十幾毫安。精品資料7.1自感(zìɡǎn)傳感器F220V準(zhǔn)備(zhǔnbèi)工作精品資料7.1自感(zìɡǎn)傳感器氣隙變小，電感(diànɡǎn)變大，電流變小精品資料7.1自感(zìɡǎn)傳感器當(dāng)鐵心的氣隙較大時(shí)，磁路的磁阻Rm也較大，線圈的電感量L和感抗(ɡǎnkànɡ)XL較小，所以電流I較大。當(dāng)鐵心閉合時(shí)，磁阻變小、電感變大，電流減小。精品資料7.1自感(zìɡǎn)傳感器7.1.1電感傳感器的基本(jīběn)工作原理RM——磁阻，它包括鐵芯磁阻和氣隙的磁阻，即精品資料7.1.1電感傳感器的基本工作(gōngzuò)原理鐵磁材料(cáiliào)各段的磁阻之和，當(dāng)鐵芯一定時(shí)，其值為一定。li

——各段鐵芯長(zhǎng)度；μi——各段鐵芯的磁導(dǎo)率；Si——各段鐵芯的截面積；Rd

——空氣隙的磁阻，Rd=2d/m0S精品資料7.1.1電感(diànɡǎn)傳感器的基本工作原理即可得電感(diànɡǎn)為因?yàn)殍F磁材料其磁阻與空氣隙磁阻相比較小，計(jì)算時(shí)可忽略不計(jì)，這時(shí)有精品資料7.1.1電感傳感器的基本(jīběn)工作原理由上式可知，當(dāng)線圈及鐵芯一定時(shí)，匝數(shù)N為常數(shù)，若改變?chǔ)模庀逗穸龋┗騍（氣隙面積(miànjī)），L值就會(huì)引起相應(yīng)的變化。電感傳感器就是利用這一原理制成的。根據(jù)以上原理，自感傳感器常被制成以下三種形式：變隙式、變面積(miànjī)（變截面）式和螺線管式。精品資料7.1.2變隙式電感(diànɡǎn)傳感器輸入輸出是非線性關(guān)系，氣隙越小靈敏度越高，為了保證一定的線性度，變隙式電感傳感器只能(zhīnénɡ)工作在一段很小的區(qū)域，因而只能(zhīnénɡ)用于測(cè)量微小位移。精品資料7.1.3變面積(miànjī)式電感傳感器理論上電感量L與氣隙截面積A成正比，輸入輸出呈線性關(guān)系，靈敏度為常數(shù)(chángshù)。但由于漏感等原因，即使在A=0時(shí)，仍有較大的電感，所以其線性區(qū)較小，靈敏度較低。精品資料7.1.4螺線管式電感(diànɡǎn)傳感器螺管式自感傳感器的特點(diǎn)：①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造裝配容易；②由于空氣間隙大，磁路的磁阻高，因此靈敏度低，但測(cè)量(cèliáng)范圍廣；③由于磁路大部分為空氣，易受外部磁場(chǎng)干擾；④因螺管可以做的較長(zhǎng)，故宜于測(cè)量(cèliáng)較大位移；⑤要求線圈框架尺寸和形狀必須穩(wěn)定，否則影響其線性和穩(wěn)定性精品資料7.1.5差動(dòng)電感(diànɡǎn)傳感器以上三種電感傳感器由于線圈中通有交流勵(lì)磁電流，因而銜鐵始終承受電磁吸力，會(huì)引起振動(dòng)及附加誤差，而且非線性誤差較大；另外，外界的干擾如電源電壓(diànyā)頻率的變化，溫度的變化都使輸出產(chǎn)生誤差。精品資料7.1.5差動(dòng)電感(diànɡǎn)傳感器精品資料7.1.5差動(dòng)電感(diànɡǎn)傳感器從結(jié)構(gòu)圖可以看出，差動(dòng)式電感傳感器對(duì)外界影響，如溫度的變化、電源頻率的變化等基本上可以互相抵消(dǐxiāo)，銜鐵承受的電磁吸力也較小，從而減小了測(cè)量誤差。從曲線圖可以看出，差動(dòng)式電感傳感器的線性較好，且輸出曲線較陡，靈敏度約為非差動(dòng)式電感傳感器的兩倍。精品資料7.2差動(dòng)變壓器傳感器7.2.1差動(dòng)變壓器的工作(gōngzuò)原理精品資料7.2.1差動(dòng)變壓器的主要(zhǔyào)特性差動(dòng)變壓器的靈敏度一般可達(dá)0.5~5V/mm，行程越小，靈敏度越高。為了提高靈敏度，勵(lì)磁電壓在10V左右為宜。電源頻率以1~10kHz為易。差動(dòng)變壓器線性范圍約為線圈骨架長(zhǎng)度的1/10左右。由于差動(dòng)變壓器中間部分磁場(chǎng)是均勻(jūnyún)的且較強(qiáng)，所以只有中間部分線性較好。通常會(huì)采用特殊的繞制方式（兩頭圈數(shù)多，中間圈數(shù)少）來提高線性范圍。精品資料7.3電感(diànɡǎn)傳感器的應(yīng)用7.3.1位移(wèiyí)測(cè)量精品資料7.3.1位移(wèiyí)測(cè)量各檔量程(liángchéng)為±3μm、±10μm、±30μm±100μm分辨力可達(dá)0.1μm精品資料7.3.1位移(wèiyí)測(cè)量精品資料7.3.1位移(wèiyí)測(cè)量精品資料7.3.1位移(wèiyí)測(cè)量精品資料精品資料7.3.2電感式圓度儀精品資料7.3.2電感式圓度儀精品資料7.3.3壓力(yālì)測(cè)量精品資料7.4電渦流(wōliú)傳感器7.4.1電渦流傳感器的工作原理(yuánlǐ)（電渦流效應(yīng)）

當(dāng)電渦流線圈與金屬板的距離x減小時(shí)，電渦流線圈的等效電感L減小，等效電阻R增大。感抗XL的變化比R的變化大得多，流過電渦流線圈的電流i1增大。精品資料7.4.1電渦流(wōliú)傳感器的工作原理電渦流效應(yīng)金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中時(shí)，導(dǎo)體表面就會(huì)有感應(yīng)電流產(chǎn)生。電流的流線在金屬體內(nèi)自行閉合，這種由電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生的旋渦狀感應(yīng)電流稱為(chēnɡwéi)電渦流，這種現(xiàn)象稱為(chēnɡwéi)電渦流效應(yīng)。形成電渦流必須具備的兩個(gè)條件：存在交變磁場(chǎng)導(dǎo)電體處于交變磁場(chǎng)中精品資料7.4.1電渦流傳感器的工作(gōngzuò)原理集膚效應(yīng)導(dǎo)體中產(chǎn)生的電渦流(wōliú)i2在金屬導(dǎo)體的縱深方向并不是均勻分布的，而只集中在金屬導(dǎo)體的表面，這稱為集膚效應(yīng)（也稱趨膚效應(yīng)）。集膚效應(yīng)與激勵(lì)源頻率f、工件的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率等有關(guān)。頻率f越高，電渦流(wōliú)的滲透的深度就越淺，集膚效應(yīng)越嚴(yán)重。精品資料7.4.1電渦流傳感器的工作(gōngzuò)原理等效阻抗(zǔkàng)分析電渦流線圈受電渦流影響時(shí)的等效阻抗(zǔkàng)Z的函數(shù)表達(dá)式為：Z=R+jωL=f（i1、f、、、r、x）精品資料7.4.1電渦流(wōliú)傳感器的工作原理檢測(cè)深度的控制：由于存在集膚效應(yīng)，電渦流只能檢測(cè)導(dǎo)體表面的各種物理參數(shù)。改變f，可控制檢測(cè)深度。激勵(lì)源頻率一般設(shè)定在100kHz~1MHz。頻率越低，檢測(cè)深度越深。間距x的測(cè)量：如果控制上式中的i1、f、、、r不變，電渦流線圈的阻抗(zǔkàng)Z就成為間距x的單值函數(shù)，這樣就成為非接觸地測(cè)量位移的傳感器。多種用途：如果控制x、i1、f不變，就可以用來檢測(cè)與表面電導(dǎo)率有關(guān)的表面溫度、表面裂紋等參數(shù)，或者用來檢測(cè)與材料磁導(dǎo)率有關(guān)的材料型號(hào)、表面硬度等參數(shù)。精品資料7.4.1電渦流傳感器的工作(gōngzuò)原理精品資料7.4.1電渦流傳感器的工作(gōngzuò)原理要求(yāoqiú)鍋體具有較好的導(dǎo)磁性精品資料7.4.2電渦流傳感器的結(jié)構(gòu)(jiégòu)與特性精品資料7.4.2電渦流(wōliú)傳感器的結(jié)構(gòu)與特性 1—電渦流線圈2—探頭殼體3—?dú)んw上的調(diào)節(jié)螺紋4—印制線路板5—夾持螺母6—電源指示燈 7—閾值指示燈8—輸出屏蔽電纜(diànlǎn)線9—電纜(diànlǎn)插頭精品資料7.4.2電渦流傳感器的結(jié)構(gòu)(jiégòu)與特性CZF-1系列(xìliè)傳感器的性能探頭的直徑越大，測(cè)量范圍越大，但分辨力就越差，靈敏度降低精品資料7.4.2電渦流傳感器的結(jié)構(gòu)(jiégòu)與特性被測(cè)物體材料、形狀和大小對(duì)靈敏度的影響對(duì)于非磁性材料，被測(cè)體的電導(dǎo)率越高，靈敏度越高對(duì)于磁性材料，其靈敏度要視被測(cè)金屬的具體情況而定當(dāng)被測(cè)體為圓盤狀物體的平面時(shí)，物體的直徑應(yīng)大于線圈直徑的2倍以上，否則靈敏度將降低當(dāng)被測(cè)體為圓柱體的圓弧面時(shí)，其直徑應(yīng)為線圈直徑的4倍以上應(yīng)保證被測(cè)體的厚度在0.2mm以上此外，在測(cè)量時(shí)，傳感器線圈周圍除被測(cè)到體外，應(yīng)盡量避開其他導(dǎo)體，以免干擾磁場(chǎng)，引起線圈的附加(fùjiā)損失精品資料7.4.2電渦流傳感器的結(jié)構(gòu)(jiégòu)與特性大直徑(zhíjìng)電渦流探雷器精品資料7.4.3電渦流(wōliú)傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路調(diào)頻(diàopín)（FM）式電路(100kHz~1MHz）當(dāng)電渦流線圈與被測(cè)體的距離x改變時(shí)，電渦流線圈的等效電感量L也隨之改變，引起LC振蕩器的輸出頻率變化，此頻率可直接用計(jì)算機(jī)測(cè)量。如果要用模擬儀表進(jìn)行顯示或記錄時(shí)，必須使用鑒頻器，將f轉(zhuǎn)換為電壓UO。精品資料7.4.3電渦流傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換(zhuǎnhuàn)電路精品資料7.4.4電渦流(wōliú)傳感器的應(yīng)用位移測(cè)量電渦流位移傳感器是一種輸出為模擬電壓的電子器件。接通電源后，在電渦流探頭的有效面（感應(yīng)工作面）將產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)。當(dāng)金屬物體接近此感應(yīng)面時(shí)，金屬表面將吸取電渦流探頭中的高頻振蕩能量，使振蕩器的輸出幅度線性地衰減，根據(jù)衰減量的變化，可地計(jì)算出與被檢物體的距離、振動(dòng)等參數(shù)(cānshù)。這種位移傳感器屬于非接觸測(cè)量，工作時(shí)不受灰塵等非金屬因素的影響，壽命較長(zhǎng)，可在各種惡劣條件下使用。精品資料7.4.4電渦流(wōliú)傳感器的應(yīng)用4~20mA電渦流位移(wèiyí)傳感器外形精品資料7.4.4電渦流(wōliú)傳感器的應(yīng)用齊平式電渦流位移(wèiyí)傳感器外形齊平式傳感器安裝時(shí)可以不高出安裝面，不易被損害。精品資料7.4.4電渦流(wōliú)傳感器的應(yīng)用零件(línɡjiàn)的識(shí)別精品資料7.4.4電渦流(wōliú)傳感器的應(yīng)用轉(zhuǎn)速的測(cè)量(cèliáng)若轉(zhuǎn)軸上開z個(gè)槽(或齒)，頻率計(jì)的讀數(shù)為f（單位為Hz），則轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速n（r/min）的計(jì)算公式為精品資料7.4.4電渦流(wōliú)傳感器的應(yīng)用鍍層厚度測(cè)量由于存在集膚效應(yīng)，鍍層或箔層越薄，電渦流越小。測(cè)量前，可先用電渦流測(cè)厚儀對(duì)標(biāo)準(zhǔn)厚度的鍍層和銅箔作出“厚度-輸出”電壓的標(biāo)定曲線，以便(yǐbiàn)測(cè)量時(shí)對(duì)照。精品資料7.4.4電渦流(wōliú)傳感器的應(yīng)用電渦流式通道安全檢查門安檢門的內(nèi)部設(shè)置有發(fā)射線圈和接收線圈。當(dāng)有金屬物體通過時(shí)，交變磁場(chǎng)就會(huì)在該金屬導(dǎo)體表面產(chǎn)生電渦流，會(huì)在接收線圈中感應(yīng)出電壓，計(jì)算機(jī)根據(jù)感應(yīng)電壓的大小、相位來判定金屬物體的大小。在安檢門的側(cè)面還安裝一臺(tái)“軟x光”掃描儀，它對(duì)人體、膠卷無害(wúhài)，用軟件處理的方法，可合成完整的光學(xué)圖像。精品資料7.4.5接近(jiējìn)開關(guān)接近開關(guān)又稱無觸點(diǎn)行程開關(guān)。它能在一定(yīdìng)的距離（幾毫米至幾十毫米）內(nèi)檢測(cè)有無物體靠近。當(dāng)物體與其接近到設(shè)定距離時(shí)，就可以發(fā)出“動(dòng)作”信號(hào)。精品資料7.4.5接近(jiējìn)開關(guān)接近開關(guān)(kāiguān)的外形精品資料7.4.5接近(jiējìn)開關(guān)常用的接近(jiējìn)開關(guān)有電渦流式（俗稱電感接近(jiējìn)開關(guān)）、電容式、磁性干簧開關(guān)、霍爾式、光電式、微波式、超聲波式等。精品資料7.4.5接近(jiējìn)開關(guān)電渦流式接近開關(guān)俗稱電感接近開關(guān)，屬于一種開關(guān)量輸出(shūchū)的位置傳感器。它由LC高頻振蕩器和放大處理電路組成，利用金屬物體在接近這個(gè)能產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)的振蕩感辨頭時(shí)，使物體內(nèi)部產(chǎn)生渦流。這個(gè)渦流反作用于接近開關(guān)，使接近開關(guān)振蕩能力衰減，內(nèi)部電路的參數(shù)發(fā)生變化，由此識(shí)別出有無金屬物體接近，進(jìn)而控制開關(guān)的通或斷。這種接近開關(guān)所能檢測(cè)的物體必須是導(dǎo)電性能良好的金屬物體。精品資料7.4.5接近(jiējìn)開關(guān)接近開關(guān)的常用(chánɡyònɡ)術(shù)語(yǔ)