測量技術(shù)基礎(chǔ)第06章電感式傳感器

1、測量技術(shù)基礎(chǔ),第六章 電感式傳感器,本章內(nèi)容：,變磁阻式傳感器 差動(dòng)變壓器式傳感器 電渦流式傳感器,定義：是一種利用線圈自感和互感的變化實(shí)現(xiàn)非電量電測的裝置。 感測量：位移、振動(dòng)、壓力、應(yīng)變、流量、比重等。,測量技術(shù)基礎(chǔ),優(yōu)點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡單、可靠，測量力小 銜鐵為0.520010-5N時(shí)，磁吸力為(110)10-5N。 分辨力高 機(jī)械位移：0.1m，甚至更?。唤俏灰疲?.1角秒。輸出信號(hào)強(qiáng)，電壓靈敏度可達(dá)數(shù)百mV/mm 。 重復(fù)性好，線性度優(yōu)良 在幾十m到數(shù)百mm的位移范圍內(nèi)，輸出特性的線性度較好，且比較穩(wěn)定。,不足： 存在交流零位信號(hào)，不宜于高頻動(dòng)態(tài)測量。,測量技術(shù)基礎(chǔ),一、工作原理及輸出特性

2、 二、常用典型結(jié)構(gòu) 三、測量電路 1、交流電橋 2、變壓器式交流電橋 3、諧振式測量電路 四、變磁阻式傳感器的應(yīng)用,6.1 變磁阻式傳感器,變磁阻式傳感器的基本工作原理演示,氣隙變小，電感變大，電流變小,F,6.1.1 變磁阻式傳感器工作原理,若線圈匝線為N，通入線圈中的電流為I ，每匝線圈產(chǎn)生的磁通為，由電感的定義有：,設(shè)磁路總磁阻為RM ，則磁通可表示為：,以上兩式聯(lián)立得,磁路總磁阻RM 可看成是由鐵芯磁阻RF 和空氣隙磁阻R 組成的，即,6.1.1 變磁阻式傳感器工作原理,而,一般RF R，故,其中，N線圈的匝數(shù)； A氣隙的截面積； 0 空氣的導(dǎo)磁率； 氣隙的厚度。,6.1.1 變磁阻式

3、傳感器工作原理,設(shè)自感傳感器的初始?xì)庀稙?，初始電感量為L0，銜鐵位移 引起的氣隙變化為，可得初始電感量為,當(dāng)銜鐵下移 時(shí)，傳感器氣隙增大，電感量變化為L1,6.1.2 變磁阻式傳感器輸出特性,電感量的相對(duì)變化為,當(dāng) 時(shí)，可將上式展開成泰勒級(jí)數(shù)形式,6.1.2 變磁阻式傳感器輸出特性,同理，當(dāng)銜鐵上移 時(shí)，電感量變化為L2的泰勒級(jí)數(shù)形式,忽略二次項(xiàng)以上的高次項(xiàng)，可得,傳感器的靈敏度為,6.1.2 變磁阻式傳感器輸出特性,在實(shí)際使用中，常采用兩個(gè)相同的傳感線圈共用一個(gè)銜鐵，構(gòu)成差動(dòng)式自感傳感器，兩個(gè)線圈的電氣參數(shù)和幾何尺寸要求完全相同。這種結(jié)構(gòu)除了可以改善線性、提高靈敏度外，對(duì)溫度變化、電源頻率

4、變化等的影響也可以進(jìn)行補(bǔ)償，從而減少了外界影響造成的誤差。,以變氣隙型差動(dòng)自感傳感器為例。當(dāng)磁路總氣隙改變 時(shí)，電感量的相對(duì)變化為,6.1.2 變磁阻式傳感器輸出特性,變隙式 變截面式 螺線管式,6.1.2 變磁阻式傳感器輸出特性,6.1.2 變磁阻式傳感器輸出特性,6.1.2 變磁阻式傳感器輸出特性,6.1.2 變磁阻式傳感器輸出特性,6.1.2 變磁阻式傳感器輸出特性,6.1.2 變磁阻式傳感器輸出特性,6.1.2 變磁阻式傳感器輸出特性,差動(dòng)式電感傳感器工作原理及輸出特性,6.1.4 電感式傳感器測量電路,軸向式電感測微器的內(nèi)部結(jié)構(gòu),1引線電纜 2固定磁筒 3銜鐵 4線圈 5測力彈簧 6

5、防轉(zhuǎn)銷 7鋼球?qū)к墸ㄖ本€軸承） 8測桿 9密封套 10測端 11被測工件 12基準(zhǔn)面,1、位移測量,6.1.5 電感式傳感器的應(yīng)用,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）,2、電感式滾柱直徑分選裝置,6.1.5 電感式傳感器的應(yīng)用,2. 電感式滾柱直徑分選裝置（外形）,滑道,分選倉位,（參考中原量儀股份有限公司資料）,6.1.5 電感式傳感器的應(yīng)用,測微儀,圓柱滾子,1標(biāo)準(zhǔn)靠模樣板 2測端（靠模輪） 3電感測微器 4銑刀龍門框架 5立柱 6伺服電動(dòng)機(jī) 7銑刀 8毛坯,3、電感傳感器在仿形機(jī)床中的應(yīng)用,6.1.5 電感式傳

6、感器的應(yīng)用,該圓度計(jì)采用旁向式電感測微頭,4、電感式不圓度計(jì)原理,6.1.5 電感式傳感器的應(yīng)用,電感式不圓度測量系統(tǒng)外形（參考洛陽匯智測控技術(shù)有限公司資料）,旋轉(zhuǎn)盤,測量頭,6.1.5 電感式傳感器的應(yīng)用,不圓度測量打印,6.1.5 電感式傳感器的應(yīng)用,1壓力輸入接頭 2波紋膜盒 3電纜 4印制線路板 5差動(dòng)線圈 6銜鐵 7電源變壓器 8罩殼 9指示燈 10密封隔板 11安裝底座,5、壓力測量,6.1.5 電感式傳感器的應(yīng)用,第六章 電感式傳感器,本章內(nèi)容：,變磁阻式傳感器 差動(dòng)變壓器式傳感器 (互感型） 電渦流式傳感器,測量技術(shù)基礎(chǔ),一、工作原理及等效電路 二、基本特性 三、測量電路 1、

7、差動(dòng)整流電路 2、相敏檢波電路 3、零點(diǎn)殘余電壓及其補(bǔ)償 四、差動(dòng)變壓器式傳感器應(yīng)用,6.2 差動(dòng)變壓器式傳感器,互感式傳感器的工作原理類似于變壓器的工作原理。主要包括有銜鐵、初級(jí)繞組、次級(jí)繞組和線圈框架等。初級(jí)繞組、次級(jí)繞組的耦合能隨銜鐵的移動(dòng)而變化，即繞組間的互感隨被測位移的改變而變化。 由于在使用時(shí)兩個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸和參數(shù)完全相同的次級(jí)繞組采用反向串接，以差動(dòng)方式輸出，所以又把這種傳感器稱為差動(dòng)變壓器式電感傳感器，通常簡稱為差動(dòng)變壓器。 初級(jí)繞組作為差動(dòng)變壓器激勵(lì)用，相當(dāng)于變壓器的原邊，而次級(jí)繞組相當(dāng)于變壓器的副邊。,6.2.1 工作原理及等效電路,工作原理：互感現(xiàn)象,1-活動(dòng)銜鐵；2-導(dǎo)磁外

8、殼；3-骨架；4-匝數(shù)為1的初級(jí)繞組；5-匝數(shù)為2a的次級(jí)繞組； 6-匝數(shù)為2b的次級(jí)繞組,螺線管式差動(dòng) 變壓器結(jié)構(gòu),6.2.1 工作原理及等效電路,差動(dòng)變壓器等效電路,6.2.1 工作原理及等效電路,當(dāng)差動(dòng)變壓器的銜鐵處于中間位置時(shí)，理想條件下其輸出電壓為零。但實(shí)際上，當(dāng)使用橋式電路時(shí)，在零點(diǎn)仍有一個(gè)微小的電壓值(從零點(diǎn)幾mV到數(shù)十mV)存在，稱為零點(diǎn)殘余電壓。如圖是擴(kuò)大了的零點(diǎn)殘余電壓的輸出特性。,零點(diǎn)殘余電壓的存在造成零點(diǎn)附近的不靈敏區(qū)；零點(diǎn)殘余電壓輸入放大器內(nèi)會(huì)使放大器末級(jí)趨向飽和，影響電路正常工作等。,1、零點(diǎn)殘余電壓,6.2.2 基本特性,圖中e1為差動(dòng)變壓器初級(jí)的激勵(lì)電壓，e20

9、包含基波同相成分、基波正交成分，二次及三次諧波和幅值較小的電磁干擾等。,1、零點(diǎn)殘余電壓,6.2.2 基本特性,零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生原因,a、基波分量由于差動(dòng)變壓器兩個(gè)次級(jí)繞組不可能完全一致，因此它的等效電路參數(shù)（互感M、自感L及損耗電阻R）不可能相同，從而使兩個(gè)次級(jí)繞組的感應(yīng)電勢數(shù)值不等。又因初級(jí)線圈中銅損電阻及導(dǎo)磁材料的鐵損和材質(zhì)的不均勻，線圈匝間電容的存在等因素，使激勵(lì)電流與所產(chǎn)生的磁通相位不同。,1、零點(diǎn)殘余電壓,6.2.2 基本特性,零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生原因,b、高次諧波高次諧波分量主要由導(dǎo)磁材料磁化曲線的非線性引起。由于磁滯損耗和鐵磁飽和的影響，使得激勵(lì)電流與磁通波形不一致產(chǎn)生了非正弦(主

10、要是三次諧波)磁通，從而在次級(jí)繞組感應(yīng)出非正弦電勢。另外，激勵(lì)電流波形失真，因其內(nèi)含高次諧波分量，這樣也將導(dǎo)致零點(diǎn)殘余電壓中有高次諧波成分。,1、零點(diǎn)殘余電壓,6.2.2 基本特性,a從設(shè)計(jì)和工藝上保證結(jié)構(gòu)對(duì)稱性 為保證線圈和磁路的對(duì)稱性，首先，要求提高加工精度，線圈選配成對(duì)，采用磁路可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。其次，應(yīng)選高磁導(dǎo)率、低矯頑力、低剩磁感應(yīng)的導(dǎo)磁材料。并應(yīng)經(jīng)過熱處理，消除殘余應(yīng)力，以提高磁性能的均勻性和穩(wěn)定性。由高次諧波產(chǎn)生的因素可知，磁路工作點(diǎn)應(yīng)選在磁化曲線的線性段。,消除零點(diǎn)殘余電壓方法,1、零點(diǎn)殘余電壓,6.2.2 基本特性,b、選用合適的測量線路,采用相敏檢波電路不僅可鑒別銜鐵移動(dòng)方向，而

11、且把銜鐵在中間位置時(shí)，因高次諧波引起的零點(diǎn)殘余電壓消除掉。如圖，采用相敏檢波后銜鐵反行程時(shí)的特性曲線由1變到2，從而消除了零點(diǎn)殘余電壓。,消除零點(diǎn)殘余電壓方法,1、零點(diǎn)殘余電壓,6.2.2 基本特性,c采用補(bǔ)償線路 (1) 由于兩個(gè)次級(jí)線圈感應(yīng)電壓相位不同，并聯(lián)電容可改變其一的相位，也可將電容C改為電阻，如圖(a)。由于R的分流作用將使流入傳感器線圈的電流發(fā)生變化，從而改變磁化曲線的工作點(diǎn)，減小高次諧波所產(chǎn)生的殘余電壓。圖(b)中串聯(lián)電阻R可以調(diào)整次級(jí)線圈的電阻分量。,調(diào)相位式殘余電壓補(bǔ)償電路,6.2.2 基本特性,(2) 并聯(lián)電位器W用于電氣調(diào)零，改變兩次級(jí)線圈輸出電壓的相位，如圖所示。電容

12、C(0.02F)可防止調(diào)整電位器時(shí)使零點(diǎn)移動(dòng)。,c采用補(bǔ)償線路,6.2.2 基本特性,(2) 相敏檢波電路,6.2.3 差動(dòng)變壓器傳感器測量電路,(b) 差動(dòng)變壓器激磁電壓波形,(d) 相敏檢波解調(diào)電壓波形,(c) 差動(dòng)變壓器輸出電壓波形,(e) 相敏檢波輸出電壓波形,被測位移變化波形圖,(2) 相敏檢波電路,6.2.3 差動(dòng)變壓器傳感器測量電路,案例1：板的厚度測量,6.2.4 差動(dòng)變壓器傳感器應(yīng)用,第六章 電感式傳感器,變磁阻式傳感器 差動(dòng)變壓器式傳感器 電渦流式傳感器,本章內(nèi)容：,測量技術(shù)基礎(chǔ),一、工作原理 二、基本特性 三、電渦流形成范圍 1、電渦流徑向形成范圍 2、電渦流強(qiáng)度與距離的

13、關(guān)系 3、電渦流的軸向貫穿深度 四、電渦流式傳感器的應(yīng)用,6.3 電渦流式傳感器,電渦流效應(yīng)演示,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，流過電渦流線圈的電流 i1 增大。,6.3.1 電渦流式傳感器工作原理,干凈、高效的電磁爐,6.3.1 電渦流式傳感器工作原理,集膚效應(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，電渦流滲透的深度就越淺，集膚效應(yīng)越嚴(yán)重。,當(dāng)高頻（100kHz左右）信號(hào)源產(chǎn)生的高頻電壓施加到一個(gè)靠近金屬導(dǎo)體附近的電感線圈L1時(shí)，將產(chǎn)生高頻磁場H1。如被測導(dǎo)體置于該交變磁場范圍之內(nèi)時(shí)，被測導(dǎo)體就產(chǎn)生電渦流i2。i2在金屬導(dǎo)體的縱深方

14、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)）。,6.3.1 電渦流式傳感器工作原理,等效阻抗分析,檢測深度與激勵(lì)源頻率有何關(guān)系？,電渦流線圈受電渦流影響時(shí)的等效阻抗Z為：,如果控制上式中的i1、f、r不變，電渦流線圈的阻抗Z就成為哪個(gè)非電量的單值函數(shù)？屬于接觸式測量還是非接觸式測量？,6.3.1 電渦流式傳感器工作原理,等效阻抗與非電量的測量,檢測深度的控制：由于存在集膚效應(yīng)，電渦流只能檢測導(dǎo)體表面的各種物理參數(shù)。改變激勵(lì)源頻率 ，可控制檢測深度。,多種用途：可以用來檢測與表面電導(dǎo)率有關(guān)的表面溫度、表面裂紋等參數(shù)，或者用來檢測與材料磁導(dǎo)率 有關(guān)的材料型號(hào)、表面硬

15、度等參數(shù)。,6.3.1 電渦流式傳感器工作原理,間距x的測量：如果固定其他因素不變，僅改變間距x，電渦流線圈的阻抗Z就成為間距x的單值函數(shù)，可用于非接觸測量距離或位移。,6.3.1 電渦流式傳感器工作原理,電磁爐的工作原理,高頻電流通過勵(lì)磁線圈，產(chǎn)生交變磁場，在鐵質(zhì)鍋底會(huì)產(chǎn)生無數(shù)的電渦流使鍋底自行發(fā)熱，燒開鍋內(nèi)的食物。,6.3.1 電渦流式傳感器工作原理,電渦流傳感器簡化模型,1 傳感器線圈 2 短路環(huán) 3 被測金屬導(dǎo)體,6.3.2 電渦流式傳感器基本特性,電渦流傳感器等效電路,6.3.2 電渦流式傳感器基本特性,1、電渦流徑向形成范圍,6.3.2 電渦流式傳感器基本特性,電渦流強(qiáng)度與距離歸一

16、化曲線,2、電渦流強(qiáng)度與距離的關(guān)系,6.3.2 電渦流式傳感器基本特性,電渦流密度軸向分布曲線,3、電渦流的軸向貫穿深度,6.3.2 電渦流式傳感器基本特性,位移測量包含： 偏心、間隙、位置、傾斜、彎曲、變形、移動(dòng)、圓度、沖擊、偏心率、沖程、寬度等等。來自不同應(yīng)用領(lǐng)域的許多量都可歸結(jié)為位移或間隙變化。,數(shù)顯位移測量儀及探頭,1、位移測量,6.3.3 電渦流傳感器的應(yīng)用,6.3.3 電渦流傳感器的應(yīng)用,V系列電渦流位移傳感器性能一覽表,6.3.3 電渦流傳感器的應(yīng)用,電渦流位移傳感器的距離與輸出電壓特性曲線,6.3.3 電渦流傳感器的應(yīng)用,某渦流傳感器的輸入（mm）輸出（V）特性曲線,偏心和振動(dòng)

17、檢測,6.3.3 電渦流傳感器的應(yīng)用,6.3.3 電渦流傳感器的應(yīng)用,軸的徑向振動(dòng)測量,6.3.3 電渦流傳感器的應(yīng)用,測量金屬薄膜,測量冷軋板厚度,6.3.3 電渦流傳感器的應(yīng)用,高頻反射式渦流測厚儀測試系統(tǒng)圖,6.3.3 電渦流傳感器的應(yīng)用,測量尺寸、公差及零件識(shí)別,通過測量間隙來測定熱膨脹引起的上下平移,6.3.3 電渦流傳感器的應(yīng)用,3、轉(zhuǎn)速測量,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)，轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速n：,6.3.3 電渦流傳感器的應(yīng)用,例：圖中，設(shè)齒數(shù)z =48，測得頻率f=120Hz，求該齒輪的轉(zhuǎn)速n。,3、轉(zhuǎn)速測量,6.3.3 電渦流傳感器的應(yīng)用,4、鍍層厚度測量,由于存在集膚效應(yīng)，鍍層或箔層越薄，電渦流越小。測量前，可先用電渦流測厚儀對(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，以便測量時(shí)對(duì)照。,6.3.3 電