智能傳感與檢測技術(shù) 教案 第3章 電感式傳感器

《智能傳感與檢測技術(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+課堂提問討論+多媒體演示所屬專業(yè)教學(xué)目標(biāo)掌握自感式傳感器的測量原理掌握變氣隙式自感傳感器的測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.自感式傳感器的測量原理2.變氣隙式自感傳感器的測量原理教學(xué)難點(diǎn)1.自感式傳感器的測量原理2.變氣隙式自感傳感器的測量原理參考教材《智能傳感與檢測技術(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）的測量?！菏谡n內(nèi)容』3.1自感式傳感器自感式傳感器（見圖3-1）又稱電感式位移傳盛器，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)，電感量僅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。測量時(shí)，銜鐵通過導(dǎo)桿與被測體相連，當(dāng)被測體上下移動(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到明顯改善。為了使輸出特性得到有效改善，構(gòu)成差動(dòng)的兩個(gè)變氣隙式自感傳感器在結(jié)構(gòu)尺寸、材料、電氣參數(shù)等方面均應(yīng)完全一致?！鹤鳂I(yè)布置』P25頁中一、填空題和二、簡答題?！航虒W(xué)后記』授課題目（章節(jié)）第3章電感式傳感器3.3互感式傳感器3.4電渦流式傳感器3.5電感式傳感器的應(yīng)用3.5.1變氣隙電感式壓力傳感器3.5.2電渦流式傳感器建議課時(shí)2授課方式理論知識(shí)講授+課堂提問討論+多媒體演示所屬專業(yè)教學(xué)目標(biāo)掌握互感式和電渦流式傳感器的測量原理了解變氣隙電感式壓力傳感器和電渦流式傳感器的應(yīng)用教學(xué)重點(diǎn)1.互感式和電渦流式傳感器的測量原理2.變氣隙電感式壓力傳感器和電渦流式傳感器的應(yīng)用教學(xué)難點(diǎn)互感式和電渦流式傳感器的測量原理參考教材《智能傳感與檢測技術(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』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(jí)繞組用差動(dòng)形式連接，故又稱差動(dòng)變壓器式傳感器。『授課內(nèi)容』3.3互感式傳感器差動(dòng)變壓器式傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-4所示。圖3-4a、b所示的為變氣隙式差動(dòng)變壓器傳感器；圖3-4c、d所示的為螺管式差動(dòng)變壓器傳感器；圖3-4e、f所示的為變面積式差動(dòng)變壓器傳感器。【多媒體演示】多媒體課件見教材配套教學(xué)PPT在非電量測量中，應(yīng)用最多的是螺管式差動(dòng)變壓器傳感器，它可以測量1～100mm機(jī)械位移，并具有測量精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。3.4電渦流式傳感器根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，金屬導(dǎo)體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈漩渦狀流動(dòng)的感應(yīng)電流，稱之為電渦流，這種現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)?；陔姕u流效應(yīng)制成的傳感器稱為電渦流式傳感器，其原理圖如圖3-5所示。電渦流式傳感器由于具有測量范圍大、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強(qiáng)、可以實(shí)現(xiàn)非接觸式測量等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域，可以用來測量位移、振幅、尺寸、厚度、熱膨脹系數(shù)、軸心軌跡和金屬件探傷等。3.5電感式傳感器的應(yīng)用3.5.1變氣隙電感式壓力傳感器3.5.2電渦流式傳感器『課堂小結(jié)』在非電量測量中，應(yīng)用最多的是螺管式差動(dòng)變壓器傳感器，它可以測量1～100mm機(jī)械位移，并具有測量精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、性