智能傳感與檢測(cè)技術(shù) 教案 3-1 3.1 自感式傳感器3.2 變氣隙式自感傳感器

《智能傳感與檢測(cè)技術(shù)》課程教案授課題目（章節(jié)）第3章電感式傳感器3.1自感式傳感器3.2變氣隙式自感傳感器建議課時(shí)2授課方式理論知識(shí)講授+課堂提問(wèn)討論+多媒體演示所屬專(zhuān)業(yè)教學(xué)目標(biāo)掌握自感式傳感器的測(cè)量原理掌握變氣隙式自感傳感器的測(cè)量原理了解單線圈和差動(dòng)兩種變氣隙式自感傳感器的特性教學(xué)重點(diǎn)1.自感式傳感器的測(cè)量原理2.變氣隙式自感傳感器的測(cè)量原理教學(xué)難點(diǎn)1.自感式傳感器的測(cè)量原理2.變氣隙式自感傳感器的測(cè)量原理參考教材《智能傳感與檢測(cè)技術(shù)》徐小華主編機(jī)械工業(yè)出版社ISBN978-7-111-76072-6教學(xué)內(nèi)容『新課導(dǎo)入』電感式傳感器利用電磁感應(yīng)把被測(cè)的物理量如位移、壓力、流量、振動(dòng)等的變化轉(zhuǎn)換成線圈的自感系數(shù)和互感系數(shù)的變化，再由電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出，實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換。電感式傳感器主要用于位移測(cè)量和可以轉(zhuǎn)換成位移變化的機(jī)械量（如張力、壓力、壓差、加速度、振動(dòng)、應(yīng)變、流量、厚度、液位、比重、轉(zhuǎn)矩等）的測(cè)量。『授課內(nèi)容』3.1自感式傳感器自感式傳感器（見(jiàn)圖3-1）又稱(chēng)電感式位移傳盛器，是由鐵芯、線圈和銜鐵構(gòu)成的，是將直線或角位移的變化轉(zhuǎn)換為線圈電感量變化的傳感器。鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料制成。這種傳感器的線圈匝數(shù)和材料磁導(dǎo)率都是一定的，其電感量的變化是由于位移輸入量導(dǎo)致線圈磁路的幾何尺寸變化而引起的。當(dāng)把線圈接入測(cè)量電路并接通激勵(lì)電源時(shí)，就可獲得正比于位移輸入量的電壓或電流輸出。在鐵芯和銜鐵之間有氣隙，傳感器的運(yùn)動(dòng)部分與銜鐵相連，當(dāng)銜鐵移動(dòng)時(shí)，氣隙厚度發(fā)生改變，引起磁路中磁阻變化，從而導(dǎo)致電感線圈的電感值變化，因此只要能測(cè)出這種電感量的變化，就能確定銜鐵位移量的大小和方向。根據(jù)電感定義，線圈中電感量可表示為（3-1）根據(jù)磁路歐姆定律，有（3-2）式(3-1)與式(3-2)兩式聯(lián)立得（3-3）當(dāng)氣隙很小時(shí)，可以認(rèn)為氣隙中的磁場(chǎng)是均勻的。若忽略磁路磁損，則磁路總磁阻為（3-4）通常氣隙磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻，即于是式（3-4）可寫(xiě)為（3-5）聯(lián)立式（3-3）及式（3-5），可得（3-6）式（3-6）表明：當(dāng)線圈匝數(shù)為常數(shù)時(shí)，電感量?jī)H僅是磁路總磁阻的函數(shù)，改變或均可導(dǎo)致電感量變化，因此自感式傳感器又可分為變氣隙厚度的傳感器和變氣隙面積的傳感器。3.2變氣隙式自感傳感器目前使用最廣泛的自感式傳感器是變氣隙式自感傳感器。其測(cè)量原理是：鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料如硅鋼片或鐵鎳合金制成，在鐵芯和銜鐵之間有氣隙，氣隙厚度為，傳感器的運(yùn)動(dòng)部分與銜鐵相連。當(dāng)銜鐵移動(dòng)時(shí)，氣隙厚度發(fā)生改變化，引起磁路總磁阻變化，從而導(dǎo)致電感線圈的電感值變化，因此只要能測(cè)出這種電感量的變化，就能確定銜鐵位移量的大小和方向。出式（3-6）知，與之間是非線性關(guān)系，特性曲線如圖3-2所示。當(dāng)銜鐵處于初始位置時(shí)，初始電感量為當(dāng)銜鐵上移時(shí)，傳感器氣隙厚度減小，即=-，則此時(shí)輸出電感為經(jīng)過(guò)一系列數(shù)學(xué)公式處理，最后作線性處理，即忽略高次項(xiàng)后，可得自感式傳感器的靈敏度為線性度為為了減小非線性誤差，實(shí)際測(cè)量中廣泛采用差動(dòng)式變氣隙式自感傳感器。由圖3-3可知，差動(dòng)式變氣隙式自感傳感器由兩個(gè)相同的電感線圈、和磁路組成。測(cè)量時(shí)，銜鐵通過(guò)導(dǎo)桿與被測(cè)體相連，當(dāng)被測(cè)體上下移動(dòng)時(shí)，導(dǎo)桿帶動(dòng)銜鐵也以相同的位移上下移動(dòng)，使兩個(gè)磁回路中磁阻發(fā)生大小相等、方向相反的變化，導(dǎo)致一個(gè)線圈的電感量增加，另一個(gè)線圈的電感量減小，形成差動(dòng)形式。經(jīng)過(guò)計(jì)算，差動(dòng)式變氣隙式自感傳感器靈敏度為線性度為【多媒體演示】多媒體課件見(jiàn)教材配套教學(xué)PPT『課堂小結(jié)』比較單線圈和差動(dòng)兩種變氣隙式自感傳感器的特性，可以得到如下結(jié)論。差動(dòng)式變氣隙式自感傳感器的靈敏度是單線圈式的兩倍，差動(dòng)式變氣隙式自感傳感器的線性度得