第5章電感式傳感器1

1、主要內容：主要內容： 5.1 5.1 變磁阻式電感傳感器變磁阻式電感傳感器 5.2 5.2 差動變壓器式電感傳感器差動變壓器式電感傳感器 5.3 5.3 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 各種電感式傳感器各種電感式傳感器非接觸式位移傳感器非接觸式位移傳感器測厚傳感器測厚傳感器電電感感粗粗糙糙度度儀儀接近式開關接近式開關121122002mllRSSS ：氣隙厚度；：氣隙厚度； 1 、2 、0 ：鐵芯：鐵芯磁通經過鐵心和銜鐵的長度磁通經過鐵心和銜鐵的長度; S1 S2 S0 : 鐵心，銜鐵和鐵心，銜鐵和 氣隙的截面積。氣隙的截面積。 線圈電感量可按下式計算線圈電感量可按下式計算：式中：式中：N 為線

2、圈匝數(shù)為線圈匝數(shù) ； 變磁阻式傳感器又分為：變磁阻式傳感器又分為： 變變氣隙厚度氣隙厚度型（型（） 變變氣隙截面積氣隙截面積型（型（S S0 0）2200/2mNSLNR002mRS可見只要改變氣隙厚度或氣隙截面積就可以改變可見只要改變氣隙厚度或氣隙截面積就可以改變。 角度角度截面積截面積厚度厚度 下面以下面以變氣隙厚度型變氣隙厚度型進行討論進行討論220000000000/22()(1/)1/NSNSLLLL 200002NSL0 0LL0 L0+L L0-L22002NSNLRm量為量為特性曲線非線性特性曲線非線性/ 1 1 時，可將前式用泰勒級數(shù)展開時，可將前式用泰勒級數(shù)展開, ,求出電

3、感增量求出電感增量23000001()()LLLL2230000000-1()()() +LL F 銜鐵銜鐵下移下移時電感的相對增量時電感的相對增量增大增大F 銜鐵銜鐵上移上移時電感的相對增量時電感的相對增量減小減小22300000001()()()LL 滿足滿足/ / Z Z2 2，輸出電壓為正輸出電壓為正 02ULUL 當銜鐵右移時當銜鐵右移時 Z Z1 1 Z Z2 2，輸出電壓為，輸出電壓為負負120112122222ZZUUUUZULUZZZZZZL22() /2ZRL02ULUL 當銜鐵在中間位置當銜鐵在中間位置：Z1 = Z2 ， U0 = 0 01+-TTjwLjwLjwL j

4、wcUU被測壓力經過位移、被測壓力經過位移、電壓兩次轉換輸出電壓兩次轉換輸出F游標卡尺游標卡尺分辨率為分辨率為0.02mm; 千分尺千分尺分辨率為分辨率為0.01mm?，F(xiàn)代機械加工。現(xiàn)代機械加工要求測量工具的分辨率高于公差的一個數(shù)量級（要求測量工具的分辨率高于公差的一個數(shù)量級（m），傳統(tǒng)工具無），傳統(tǒng)工具無法實現(xiàn)，電感傳感器的分辨率可達法實現(xiàn)，電感傳感器的分辨率可達0.01m，可優(yōu)于要求公差?？蓛?yōu)于要求公差。0可取得很小可取得很小, 0 = 0.10.5mm, 當當 =1m 時，時，L / L0可達可達 1/100 1/500。靈敏度高靈敏度高； 缺點是非線性嚴重，自由行程小，工藝制作難。缺點

5、是非線性嚴重，自由行程小，工藝制作難。測量工具結構示意圖測量工具結構示意圖測量工具結構示意圖測量工具結構示意圖電感式游標卡尺、千分尺、深度尺、高度尺電感式游標卡尺、千分尺、深度尺、高度尺結構結構塑料骨架上繞制線圈塑料骨架上繞制線圈, ,中間初級，兩邊次級中間初級，兩邊次級, ,鐵芯在鐵芯在骨架中間可上下移動骨架中間可上下移動; ;這種傳感器根據(jù)這種傳感器根據(jù)變壓器變壓器的基本原理制成，并將次級的基本原理制成，并將次級線圈繞組用線圈繞組用差動形式差動形式連接。連接。差動變壓器的結構形式較多差動變壓器的結構形式較多, ,應用最多的是應用最多的是螺線管螺線管式式差動變壓器差動變壓器( (介紹三節(jié)式介

6、紹三節(jié)式),),可測量可測量1 1100mm 100mm 范圍范圍內機械位移。內機械位移。次次級級次次級級骨架骨架初初級級銜銜鐵鐵次次級級次次級級初初級級v把被測的非電量變化轉換成為線圈把被測的非電量變化轉換成為線圈互感互感量量的變化的傳感器稱為互感式傳感器。的變化的傳感器稱為互感式傳感器。差動變壓器結構形式差動變壓器結構形式 等效電路等效電路 初級線圈初級線圈L L1 1，次級線圈，次級線圈L L2a2a、L L2b2b須反相連接，保證差動形式須反相連接，保證差動形式 如果線圈完全對稱，并且鐵芯處于如果線圈完全對稱，并且鐵芯處于中間位置中間位置時兩線圈互感系數(shù)相等時兩線圈互感系數(shù)相等abMM

7、22abEE0220abUEE差動輸出電壓為零：差動輸出電壓為零：并且有兩線圈電動勢相等并且有兩線圈電動勢相等次級線圈同名端反向連接次級線圈同名端反向連接差動變壓器的輸出電壓差動變壓器的輸出電壓大小大小和和符號符號 反映了鐵心位移的大小和方向。反映了鐵心位移的大小和方向。 當鐵芯上下移動時，輸出電壓大小、極性隨鐵芯位移變化當鐵芯上下移動時，輸出電壓大小、極性隨鐵芯位移變化22,ababEEMM 若鐵芯上移若鐵芯上移 22,ababEEMM 若鐵芯下移若鐵芯下移 02211()()abiMMUUrL由此得到差動變壓器輸出電壓有效值為由此得到差動變壓器輸出電壓有效值為 ：02211()()abiM

8、MUUrL 差動變壓器輸出電壓與差動變壓器輸出電壓與互感的差值互感的差值成正比。成正比。21aaEj M I 21bbEj M I 根據(jù)電磁感應定律，次級感應電動勢與互感關系分別根據(jù)電磁感應定律，次級感應電動勢與互感關系分別為：為：2201ababEEjMMIU 輸出電壓輸出電壓次級開路時，初級電流次級開路時，初級電流 代入上式代入上式111/irj LUI022112,()iabUMMM UrL022112,()iabUMMMUrL 鐵芯向上移（右移）鐵芯向上移（右移）輸出電壓為正；輸出電壓為正；0,0abMM Uv差動變壓器輸出是被互感大小調制的交流差動變壓器輸出是被互感大小調制的交流電壓

9、，存在相位問題，有正負變化。電壓，存在相位問題，有正負變化。 鐵芯向下移（左移）鐵芯向下移（左移）輸出電壓為負輸出電壓為負； 鐵芯在中間位置時鐵芯在中間位置時 1.差動變壓器差動變壓器輸出電壓幅值取決于互感輸出電壓幅值取決于互感M，即鐵芯在線圈中移動的即鐵芯在線圈中移動的距離距離X， 鐵芯的移動方向鐵芯的移動方向決定決定U0的相位；的相位；2.輸出電壓的正、負（反相）結果，經相敏輸出電壓的正、負（反相）結果，經相敏檢波后輸出曲線反行程翻轉為過零直線；檢波后輸出曲線反行程翻轉為過零直線；3.輸出電壓輸出電壓U0與激勵電壓與激勵電壓Ui有關，應盡可能有關，應盡可能大；大；U0與激勵頻率成正比，中頻

10、在與激勵頻率成正比，中頻在4001000Hz；02211()()abiMMUUrL差動變壓器靈敏度可達差動變壓器靈敏度可達 0.15V/mm；性能包括三個內容性能包括三個內容: 傳感器類型、轉換電路、電源。傳感器類型、轉換電路、電源。出廠標定靈敏度規(guī)定：輸出電壓出廠標定靈敏度規(guī)定：輸出電壓U0 /1V/銜鐵位移銜鐵位移1m 討論討論差動變壓器輸出差動變壓器輸出電壓和位移的關系電壓和位移的關系理論上講，鐵芯處于中間位置時輸出電壓應為零，而實際理論上講，鐵芯處于中間位置時輸出電壓應為零，而實際輸出輸出 U000，在零點上總有一個最小的輸出電壓，這個鐵，在零點上總有一個最小的輸出電壓，這個鐵芯處于中

11、間位置時最小不為零的電壓稱為芯處于中間位置時最小不為零的電壓稱為零點殘余電壓零點殘余電壓。產生產生零點殘余電壓零點殘余電壓的原因是：的原因是： 1. 由于兩個次級線圈繞組電氣參數(shù)（由于兩個次級線圈繞組電氣參數(shù)（M互感；互感；L電感；電感；R內阻）不內阻）不 同，同，幾何尺寸工藝上很難保證完全相同，幾何尺寸工藝上很難保證完全相同， 2. 電源中高次諧波，線圈寄生電容的存在等，使實際的特性曲線總電源中高次諧波，線圈寄生電容的存在等，使實際的特性曲線總有最小輸出。有最小輸出。零點殘余電壓零點殘余電壓主要成分是頻率、幅度不同主要成分是頻率、幅度不同 的的基波、諧波基波、諧波.零點殘余電壓過大會使靈敏零

12、點殘余電壓過大會使靈敏 度下降，非線性誤差增大，放大器末級飽和，度下降，非線性誤差增大，放大器末級飽和， 因此是直接影響傳感器質量的參數(shù)。因此是直接影響傳感器質量的參數(shù)。為減小零點殘余電壓的影響為減小零點殘余電壓的影響 變壓器工藝上采取措施，電路補償?shù)茸儔浩鞴に嚿喜扇〈胧?，電路補償?shù)? 為減小零點殘余電壓的影響，一般要用電路進行補為減小零點殘余電壓的影響，一般要用電路進行補償償, ,電路補償?shù)姆椒ㄝ^多電路補償?shù)姆椒ㄝ^多, ,可采用以下方法?？刹捎靡韵路椒ā?串聯(lián)串聯(lián)電阻：消除兩次級繞組基波分量幅值上的差異；電阻：消除兩次級繞組基波分量幅值上的差異； 并聯(lián)并聯(lián)電阻電容：消除基波分量相差，減小諧波

13、分量；電阻電容：消除基波分量相差，減小諧波分量； 加反饋加反饋支路：初、次級間反饋，減小諧波分量；支路：初、次級間反饋，減小諧波分量； 相敏檢波電路相敏檢波電路對零點殘余誤差有很好的抑制作用。對零點殘余誤差有很好的抑制作用。 這些電路可單個使用也可綜合使用，需要通過實驗證實效果這些電路可單個使用也可綜合使用，需要通過實驗證實效果串串聯(lián)聯(lián)電電阻阻并并聯(lián)聯(lián)電電阻阻 哪個部分是傳感器？哪個部分是傳感器？ 二極管組成的是什么電路二極管組成的是什么電路? ? 電電阻阻R0、電容、電容C有有什么作用？什么作用？ 已知初級信號為正弦波（上已知初級信號為正弦波（上+ +下下- -），畫出次級信號波形；），畫出

14、次級信號波形； 分析整流電路的輸出電流電壓的方向，（上半周下半周）；分析整流電路的輸出電流電壓的方向，（上半周下半周）； 如果鐵芯上移，分析輸出電壓如果鐵芯上移，分析輸出電壓 U0 = UAO-UBO的極性。的極性。J 討論差動整流電路討論差動整流電路 （請同學回答問題（請同學回答問題） （1）差動整流電路）差動整流電路 差動變壓器輸出交流信號差動變壓器輸出交流信號, ,為正確反映為正確反映位移大小和方向，常采用位移大小和方向，常采用差動整流電路差動整流電路和和相敏檢波電路相敏檢波電路。 差動整流電路輸入一交流差動整流電路輸入一交流信號時，無論極性如何，整信號時，無論極性如何，整流電路的輸出電

15、壓始終為流電路的輸出電壓始終為 U0 = UAO-UBO 上繞組輸出始終為上繞組輸出始終為 U24 下繞組輸出始終為下繞組輸出始終為 U68 R0為調零電阻為調零電阻（1）差動整流電路）差動整流電路 整流電路的輸出電壓大小極性與鐵心位置有關：整流電路的輸出電壓大小極性與鐵心位置有關： 鐵心鐵心T在中間位置時，在中間位置時，U24 = U68 ， U0 = 0 ; 鐵心鐵心T上移，上移， U24 U68 ，U0 0 ； 鐵心鐵心T下移，下移， U24 U68 ， U0 0 。（1）差動整流電路）差動整流電路差動整流電路分析動畫演示：差動整流電路分析動畫演示：差分整流上線圈上半周差分整流上線圈上半

16、周差分整流上線圈下半周差分整流上線圈下半周差分整流下線圈上半周差分整流下線圈上半周差分整流下線圈下半周差分整流下線圈下半周 鐵芯上移鐵芯上移 鐵芯下移鐵芯下移U0U0 差動整流電路的特點：結構簡單，可以不考慮差動整流電路的特點：結構簡單，可以不考慮相位調整相位調整 和和零點殘余電壓零點殘余電壓的影響的影響, ,分布電容影響小，便于遠距離分布電容影響小，便于遠距離 傳輸。傳輸。 差動變壓器式傳感器可直接用于位移測量，也可以測量差動變壓器式傳感器可直接用于位移測量，也可以測量與位移有關的任何機械量，如振動，加速度，應變等等。與位移有關的任何機械量，如振動，加速度，應變等等。 壓差計壓差計 當壓差變

17、化時，腔內膜當壓差變化時，腔內膜片位移使差動變壓器次級電片位移使差動變壓器次級電壓發(fā)生變化，輸出與位移成壓發(fā)生變化，輸出與位移成正比，與壓差成正比。正比，與壓差成正比。 沉筒式液位計將水位變化轉換成位移變化，沉筒式液位計將水位變化轉換成位移變化，再轉換為電感的變化，差動變壓器的輸出反映液再轉換為電感的變化，差動變壓器的輸出反映液位高低。位高低。差動變壓器結構形式差動變壓器結構形式 電感測厚儀電感測厚儀電感位移測量儀電感位移測量儀 測振動測振動 測軸心軌跡測軸心軌跡 測厚測厚 測轉速測轉速 金屬導體金屬導體UAC10 110 121R Ij L Ij MIU122220j MIR Ij L I1

18、01010ZRj L2221102222()M LLLRL222212211010222212222()()UM RM LZRjLIRLRL2221102222()M RRRRL2221102222()M LLLRL2221102222()M RRRRL222212211010222212222()()UM RM LZRjLIRLRL1( , ,)Zfd 金屬金屬扁平線圈扁平線圈渦流區(qū)渦流區(qū)r/ros1hrosjros /0z hzjj ehzzj0/je0j金屬金屬扁平線圈扁平線圈j21221osxIIxrv I1為線圈激勵電流，為線圈激勵電流，I2 為金屬導體中的等效電流（渦流）為金屬導體

19、中的等效電流（渦流）v x = 0 處，處，I2 = I1；x/ros= 1，I2 = 0.3I1,v I2 只有在只有在 x/ros ros時電渦流很弱了，所以測大位移時線圈直徑要大。時電渦流很弱了，所以測大位移時線圈直徑要大。x/rosI2/I11.01 2 3 4J要增加測量范圍需加大線圈直徑，傳感器要增加測量范圍需加大線圈直徑，傳感器體積增大體積增大,這是電渦流傳感器應用的局限性。這是電渦流傳感器應用的局限性。 1;2fL x C 001;2LfQRL x C2221102222()M LLLRL2221102222()M RRRRL 電渦流傳感器以其長期工作可靠性好、測量范圍寬、電渦

20、流傳感器以其長期工作可靠性好、測量范圍寬、靈敏度高、分辨率高、響應速度快、抗干擾力強、不靈敏度高、分辨率高、響應速度快、抗干擾力強、不受油污等介質的影響、結構簡單等優(yōu)點，在大型旋轉受油污等介質的影響、結構簡單等優(yōu)點，在大型旋轉機械狀態(tài)的在線監(jiān)測與故障診斷中得到廣泛應用。機械狀態(tài)的在線監(jiān)測與故障診斷中得到廣泛應用。在金屬板的上下方分別設有發(fā)射傳感器線圈在金屬板的上下方分別設有發(fā)射傳感器線圈L1和接收和接收傳感器線圈傳感器線圈L2，L1加低頻電壓加低頻電壓U1時，時，L1上產生交變磁上產生交變磁通。通。無金屬板時，磁通直接耦合至無金屬板時，磁通直接耦合至L2 ，L2產生感應電壓；產生感應電壓；如果

21、金屬板放置兩線圈之間，線圈如果金屬板放置兩線圈之間，線圈L1在金屬板中產生在金屬板中產生電渦流，磁場能量受到損耗，使達到電渦流，磁場能量受到損耗，使達到L2的磁通減弱，的磁通減弱，最終使最終使L2上感應電動勢減弱。上感應電動勢減弱。金屬板越厚，渦流磁能損失越多，下線圈金屬板越厚，渦流磁能損失越多，下線圈L2上感應電上感應電動勢輸出動勢輸出U2越小。通過測量越小。通過測量U2檢測金屬板的厚度。檢測金屬板的厚度。透射式渦流傳感器可檢測透射式渦流傳感器可檢測1100mm范圍。范圍。電渦流金屬板、帶材厚度測量 ，可，可 渦流非導電材渦流非導電材料厚度測量料厚度測量金屬鍍層厚金屬鍍層厚度測量度測量2.2

22、.電渦流探傷電渦流探傷由于趨膚效應，導體表面電渦流密度最大，表面信息量最大，可采由于趨膚效應，導體表面電渦流密度最大，表面信息量最大，可采用電渦流傳感器測量金屬表面缺陷，當導體表面存在缺陷時會引起用電渦流傳感器測量金屬表面缺陷，當導體表面存在缺陷時會引起金屬的電阻率金屬的電阻率、磁導率、磁導率的變化；可用于金屬表面裂紋、熱處理裂的變化；可用于金屬表面裂紋、熱處理裂紋、焊接處質量探傷。紋、焊接處質量探傷。探傷時傳感器與被測金屬保持距離不變，如果有裂紋導體電阻率會探傷時傳感器與被測金屬保持距離不變，如果有裂紋導體電阻率會發(fā)生變化，渦流損耗的改變引起渦流強度變化使電路輸出電壓變化。發(fā)生變化，渦流損耗

23、的改變引起渦流強度變化使電路輸出電壓變化?；疖囓囕喠鸭y檢測火車車輪裂紋檢測傳感器安裝傳感器安裝應覆蓋車輪應覆蓋車輪裂紋輸出信號裂紋輸出信號車輪周長車輪周長開始開始結束結束渦流軸心軌跡測量渦流軸心軌跡測量 軸心軌跡測量實驗裝置軸心軌跡測量實驗裝置軸心軌跡是轉子運行時軸心的位置，忽略軸的圓度誤差，可以將軸心軌跡是轉子運行時軸心的位置，忽略軸的圓度誤差，可以將兩個電渦流位移傳感器探頭安裝為相互成兩個電渦流位移傳感器探頭安裝為相互成90度，并調整好兩個探度，并調整好兩個探頭到主軸的距離（約頭到主軸的距離（約1.6mm）。）。調整時，使從前置電路輸出的信號剛好為調整時，使從前置電路輸出的信號剛好為0mV

24、，轉子啟動后兩個，轉子啟動后兩個傳感器測量的就是它在兩個垂直方向傳感器測量的就是它在兩個垂直方向( X、Y )上的瞬時位移，合上的瞬時位移，合成為李沙育圖就是轉子的軸心運動軌跡。成為李沙育圖就是轉子的軸心運動軌跡。3.3.軸心軌跡測量軸心軌跡測量 軸心軌跡測量實驗裝置軸心軌跡測量實驗裝置3.3.軸心軌跡測量軸心軌跡測量利薩如（李沙育）圖形 渦流軸心渦流軸心 軌跡測量軌跡測量振動的振振動的振幅測量幅測量5.5.渦流轉速測量渦流轉速測量 被測體是金屬或磁性齒輪被測體是金屬或磁性齒輪 可計算出齒輪每分鐘轉速可計算出齒輪每分鐘轉速 N = （f / n） 60 f 為檢測的頻率為檢測的頻率; n齒數(shù)；

25、齒數(shù)； 工業(yè)常用工業(yè)常用 60齒，齒， N = f4.4.渦流振動測量渦流振動測量 通過被測體與傳感通過被測體與傳感器間的位移變化進行器間的位移變化進行振動檢測。振動檢測。感應線圈感應線圈感應線圈感應線圈 1. 什么是零點殘余電壓？什么是零點殘余電壓？2. 什么是電渦流效應？什么是電渦流效應？ 3. 電感測厚儀原理與電路如下圖所示，電感測厚儀原理與電路如下圖所示，L1、L2為傳感器電為傳感器電感作兩個橋臂；感作兩個橋臂；C1、C2為固定電容作另外兩個橋臂；為固定電容作另外兩個橋臂；D1-D4組成相敏整流器；磁飽和變壓器組成相敏整流器；磁飽和變壓器 T 提供橋壓。試提供橋壓。試分析電路工作原理，說明當鋼板厚度增加時，電流表分析電路工作原理，說明當鋼板厚度增加時，電流表（M）上的電流方向（用尖頭表示出來）。上的電流方向（用尖頭表示出來）。 圖為螺線管式差動變壓器通過測量位移檢測非電信號的圖為螺線管式差動變壓器通過測量位移檢測非電信號的等效電路結構示意圖，請分析并回答下列問題：等效電路結構示意圖，請分析并回答下列問題：（1）當銜鐵位于中心位置時，