第三章電感式傳感器

第三章電感式傳感器1第1頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月保持氣隙lδ不變傳感器線圈電感量：氣隙較小，認(rèn)為氣隙磁場均勻，忽略磁路鐵損：μ0---真空磁導(dǎo)率，μ0=4π×10-7(H/m)W---線圈匝數(shù)；S---磁通截面積；l----磁路長度；lδ---氣隙總長；μr---鐵心和銜鐵的相對磁導(dǎo)率；對同一傳感器線圈：W、μ0、S、l、μr均為常數(shù)，常數(shù)K=μ0W2S

線圈電感：電感的變化只與氣隙長度有關(guān)，非線性輸出靈敏度：氣隙：增大靈敏度---減小氣隙---受到工藝和結(jié)構(gòu)的限制。常取氣隙尺寸（即測量范圍）為δ=lδ/2=0.1~0.5mm。靈敏度：負(fù)號表示靈敏度隨著氣隙的增加而減小2、變面積型自感傳感器銜鐵沿水平方向移動磁通截面積S變化電感變化第2頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器線圈的電感：忽略氣隙磁通邊緣效應(yīng)線性輸出靈敏度：氣隙：增大靈敏度---減小氣隙---受到工藝和結(jié)構(gòu)的限制、邊緣效應(yīng)常取氣隙尺寸為δ=lδ/2=0.1~0.5mm（與變氣隙型相同）負(fù)號表示靈敏度隨著氣隙的增加而減小3、螺管型自感傳感器傳感器線圈的電感：g-比磁導(dǎo)傳感器的輸出靈敏度：特點(diǎn)：①由于氣隙大，磁路磁阻大，故靈敏度較前兩者低。 提高銜鐵與套筒的直徑比與長度比（結(jié)構(gòu)與非線性限制） 增加砸數(shù)（受到穩(wěn)定性限制）②若主磁通不變以及線圈繞阻排列均勻，可得到較大的線性范圍銜鐵深度線圈漏磁磁阻線圈電感第3頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月4、差動式自感傳感器單一式自感傳感器：由于線圈電流的存在，使銜鐵受到單向電磁力的作用， 輸出信號易受電源電壓和頻率波動、溫度變化等干擾 傳感器輸出的非線性限制了使用（變面積型傳感器） 不適于精密測量。差動式：由兩個單一形式的結(jié)構(gòu)對稱組合，改善其性能，變氣隙型差動傳感器：輸出靈敏度靈敏度提高了一倍。對電源電壓與頻率的波動以及溫度變化等外界干擾 也有補(bǔ)償作用，從而提高了傳感器的穩(wěn)定性。第4頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月5、自感傳感器的測量電路（1）測量電路組成：（2）測量電橋：傳感器線圈：Z1=r1+j

L1，Z2=r2+j

L2

Z1=Z+ΔZ，Z2=Z-ΔZ

初始狀態(tài)：r10=r20=r0，L10=L20=L0

外接電阻：R1=R2=R輸出電壓：傳感器測量電橋放大器相敏檢波濾波器振蕩器輸出近似線性E---振蕩器穩(wěn)幅極性：方向—相敏檢波第5頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月若銜鐵上移：Z1變大，Z2減小，

U正半周：D1、D4導(dǎo)通，D2、D3截止，UC<UD，輸出負(fù)電壓

U負(fù)半周：D1、D4截止，D2、D3導(dǎo)通，UC<UD，輸出負(fù)電壓隔直---減小直流漂移，高放大倍數(shù)，高阻抗（3）放大器：幅值放大，交流放大器，（4）相敏檢波電路：判斷銜鐵移動方向若銜鐵下移：Z1減小，Z2增大，

U正半周：D1、D4導(dǎo)通，D2、D3截止，UC>UD，輸出正電壓

U負(fù)半周：D1、D4截止，D2、D3導(dǎo)通，UC>UD，輸出正電壓初始狀態(tài)：Z1=Z2，輸出U0=0第6頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月理論上---當(dāng)銜鐵處于中間位置時，輸出為零實(shí)際上---零位不平衡，輸出零為電壓---電氣參數(shù)不對稱、幾何尺寸偏差（6）零殘電壓補(bǔ)償：（5）濾波電路：濾除交流信號---直流電壓危害：使提前放大器飽和；控制產(chǎn)生誤動作；伺服電機(jī)發(fā)熱---補(bǔ)償Ra：使線圈電阻相等，消除基波分量Rb：對某線圈分流，改變工作點(diǎn)減小二三級諧波C：補(bǔ)償次級線圈不對稱第7頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月二、互感式傳感器（差動變壓器）1、互感傳感器工作原理變壓器：閉合磁路初級、次級互感為常數(shù)一個次級互感傳感器：開磁路初級、次級互感隨銜鐵移動變化兩個次級（差動）U、I---初級線圈激勵電壓、電流，頻率ωL1,R1---初級線圈電感、電阻；L21,R21,L22,R22---兩個次級線圈電感、電阻；M1,M2---初級線圈與次級線圈1、2的互感；當(dāng)銜鐵處在中間位置時：M1=M2，輸出為零當(dāng)銜鐵偏離中間位置時：M1

M2，輸出與M1-M2成比，與銜鐵位移成正比傳感器開路輸出：W1、W2：初級、次級線圈匝數(shù)δ0：初始?xì)庀鼎う模恒曡F位移第8頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月2、互感傳感器結(jié)構(gòu)變氣隙型：a,b,c變面積型：d,e螺管型：f第9頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月3、互感傳感器測量電路（1）測量電路組成：（2）辨向解調(diào)電路：傳感器辨向解調(diào)放大器濾波器振蕩器輸出差動相敏檢波電路：差動整流電路：第10頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月三、電感傳感器的應(yīng)用1、電感式位移傳感器測量范圍：零點(diǎn)幾~幾百毫米線性度：0.5%，0.1%，0.05%，0.02%分辨力：0.1m~0.01

m，1nm(1)電感式位移傳感器：測端10：寶石球頭（瑪瑙）測桿8：上下軸向移動導(dǎo)軌7：滾動式---多排鋼珠，過盈，摩擦小，誤差小，精度高，壽命長滑動式---間隙（測桿-導(dǎo)套），易磨損，精度低，壽命低，大行程片簧式---無間隙，無摩擦，精度高，測力變化大，行程小，體積大磁芯3：螺管型線圈4：差動彈簧5：蝶簧，產(chǎn)生測力密封圈9：防塵，防水，防污第11頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)橫向電感式位移傳感器：測桿1：杠桿片簧鉸鏈14：支點(diǎn)，轉(zhuǎn)軸磁芯6：螺管型線圈5：差動彈簧11：產(chǎn)生測量力第12頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)電感式測厚儀:(4)差動變壓器式位移傳感器：輥輪1/3：測量，感受厚度變化測微螺桿4：傳遞位移杠桿7：傳遞位移，放大刻度盤5：初始距離（大數(shù)）測頭1：測桿5：導(dǎo)軌：片簧4彈簧9：產(chǎn)生測力磁芯7：線圈8：第13頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月壓力----彈性敏感元件（膜盒、膜片、波紋管）---位移---電感2、電感式壓力傳感器接頭1：前端 膜盒2：彈性元件，感受壓力變化磁芯6： 線圈5：電路板4：無需放大，解調(diào)，濾波 測量范圍：（-4~+6）*104Pa第14頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月力----彈性敏感元件（膜盒、膜片、波紋管）---變形---位移---電感3、電感式力傳感器加速度----質(zhì)量塊2（磁芯、銜鐵）---位移---電感4、電感式加速度傳感器1-線圈：2-磁芯：3-彈性體：3-片簧：導(dǎo)軌，彈性元件，彈簧剛度大，銜鐵質(zhì)量小---測量加速度彈簧剛度小，銜鐵質(zhì)量大---測量振幅第15頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月四、電渦流傳感器1、電渦流傳感器工作原理發(fā)起：20世紀(jì)70年代工作原理：電渦流效應(yīng)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，頻響寬，不受油污等介質(zhì)的影響應(yīng)用：測量---距離、位移、振動、厚度、溫度、轉(zhuǎn)速、硬度等參數(shù)變化：被測導(dǎo)體---幾何形狀、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率線圈---幾何參數(shù)、電流大小和頻率、其他---線圈與導(dǎo)體距離保持其他參數(shù)不變，只改變一個參數(shù)---測量，非線性：修正交變電流傳感器線圈被測導(dǎo)體交變磁場H1電渦流交變磁場H2電感、阻抗、品質(zhì)因數(shù)等變化第16頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月2、電渦流傳感器結(jié)構(gòu)（1）反射式電渦流傳感器：結(jié)構(gòu)：1-傳感器線圈：扁平，粘接銅、銀、合金2-框架：固定線圈，要求損耗小、電性能好、熱脹系數(shù)小高頻陶瓷、聚酰亞胺、環(huán)氧玻璃纖維、聚四氟乙烯3-襯套；4-支座；5-電纜；6-插頭：線圈外徑：外徑大：分布曲線平直---線性范圍大，分布曲線平坦---靈敏度低，外徑小：分布曲線彎曲---線性范圍小，分布曲線陡峭---靈敏度高，線性范圍：一般為線圈外徑的1/3~1/5線圈內(nèi)徑和厚度：影響較小，近距離時靈敏度略有變化線圈軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度分布提高靈敏度：：增加磁芯：減少匝數(shù)，提高Q值，擴(kuò)大測量范圍第17頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月被測導(dǎo)體：---傳感器的一部分---參數(shù)影響被測導(dǎo)體直徑的影響電渦流密度徑向分布電導(dǎo)率：電導(dǎo)率越高，靈敏度越高磁導(dǎo)率：磁導(dǎo)率越高，靈敏度越低，剩磁影響測量結(jié)果---消磁均勻性：鍍層，雜質(zhì)，厚度不均，干擾信號形狀：平面----曲面---曲率半徑D>3.5d：不影響測量結(jié)果；D=d：下降為70%電渦流分布---厚度：高頻激勵---表面薄層，徑向：有限范圍---渦流區(qū),渦流密度不等：D=d時：渦流密度最大D=1.8d：下降為5%D<0.4d：無電渦流（一般D>1.8d）厚度：t>0.2mm不影響（銅鋁：t>0.07mm）第18頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月激勵頻率：激勵頻率高：貫穿深度小，曲線陡峭，線性范圍小，靈敏度高,---測薄板；激勵頻率低：貫穿深度大，曲線平坦，線性范圍大，靈敏度低---測厚板。（2）透射式電渦流傳感器：原理：低頻激勵---貫穿深度大，適于測量金屬厚度h貫穿深度：材料特性：不同材料---電阻率不同---激勵頻率不同溫度變化---影響電阻率變化---影響測量結(jié)果---使導(dǎo)體溫度恒定結(jié)構(gòu)：發(fā)射線圈L1---激勵電壓U1；接收線圈L2---感應(yīng)電壓U2金屬板---厚度越大，渦流損耗越大，感應(yīng)電壓越小，ρ：導(dǎo)體材料電阻率f：激勵頻率第19頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月3、電渦流傳感器的應(yīng)用（1）電渦流測距傳感器：1-渦流板：被測導(dǎo)體2-傳感器：固定線圈3-浮子；傳遞液位測量金屬導(dǎo)體絕對距離，大量程：幾百毫米，分辨率0.1%小量程：十幾微米，分辨力幾十納米（2）電渦流厚度測距傳感器：應(yīng)用：測量金屬厚度，測量金屬導(dǎo)體鍍層厚度特點(diǎn)：非接觸，范圍寬，反應(yīng)快，適于在線檢測透射式：發(fā)射線圈---接收線圈反射式：兩個高頻反射式電渦流傳感器，對稱布局，板厚度變化---距離變化第20頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）電渦流溫度傳感器：在較小的溫度范圍內(nèi)，金屬導(dǎo)體的電阻率與溫度的關(guān)系結(jié)構(gòu)：1-補(bǔ)償線圈：補(bǔ)償環(huán)境溫度2-管架：基體，支撐固定3-測溫線圈：感受電阻率變化4-隔熱襯墊：隔熱，5-溫度敏感元件：電阻溫度系數(shù)大（磁性材料）特點(diǎn)：不受介質(zhì)影響（涂料、油、水）；可實(shí)現(xiàn)非接觸測問：輻射測溫（熱輻射）反應(yīng)快：熱慣性?。?ms）保持傳感器的機(jī)、電、磁各參數(shù)不變，輸出只受電阻率影響---溫度測量t、t0：溫度；α：電阻溫度系數(shù)（4）電渦流硬度傳感器：導(dǎo)體表面硬度---磁導(dǎo)率---電渦流強(qiáng)度用于：測量液體、氣體、水汽等溫度第21頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月五、感應(yīng)同步器1、感應(yīng)同步器工作原理特點(diǎn)：脈沖輸出---數(shù)字量，計(jì)數(shù)器抗干擾---穩(wěn)定，可靠無摩擦---繞組間隙，壽命長工藝好---平面繞組，易于接長安裝簡單，維護(hù)方便平面繞組：定尺繞組---固定，連續(xù)繞組，節(jié)距：W2=2(a2+b2)