第三章電感式傳感器

章節(jié)導(dǎo)入：

電感式傳感器：利用線圈自感或互感量系數(shù)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的一種裝置?？梢赃M(jìn)行如力、壓力、壓差、加速度、振動(dòng)、工件尺寸均可測(cè)量。本章要點(diǎn)：1、自感式傳感器的結(jié)構(gòu)、工作原理。2、差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)、工作原理、測(cè)量電路重點(diǎn)掌握差動(dòng)螺線管式電感傳感器。3、掌握差動(dòng)相敏檢波電路以及一次儀表的相關(guān)知識(shí)。4、電感式傳感器的應(yīng)用。第三章電感式傳感器

10/24/20231傳感器工作原理：N：線圈匝數(shù)；A：氣隙的有效截面積；

0：真空磁導(dǎo)率；

：氣隙厚度。

電感量計(jì)算公式

：固定任意兩個(gè)量就可以進(jìn)行某一個(gè)量的測(cè)量：變隙式、變面積式、螺線管式第一節(jié)自感式傳感器10/24/20232自感式電感傳感器常見的形式

a)變隙式b)變截面式c)單線圈螺線管式

10/24/20233先看一個(gè)實(shí)驗(yàn)：

將一只380V交流接觸器線圈與交流毫安表串聯(lián)后，接到機(jī)床用控制變壓器的36V交流電壓源上，如圖所示。這時(shí)毫安表的示值約為幾十毫安。用手慢慢將接觸器的活動(dòng)鐵心（稱為銜鐵）往下按，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)毫安表的讀數(shù)逐漸減小。當(dāng)銜鐵與固定鐵心之間的氣隙等于零時(shí)，毫安表的讀數(shù)只剩下十幾毫安。

一、變隙式傳感器10/24/20234電感傳感器的基本工作原理演示F220V36V10/24/20235電感傳感器的基本工作原理演示氣隙變小，電感變大，電流變小10/24/20236一、變隙式傳感器工作原理：

從公式看出：

電感量與氣隙厚度成反比。與有效截面積A成正比。氣隙厚度大，電感量變小，感抗小，線路電流大；氣隙厚度小，電感量變大，感抗大，線路電流小。

N：線圈匝數(shù)；A：氣隙的有效截面積；

0：真空磁導(dǎo)率；

：氣隙厚度；f為電源頻率；XL：：感抗

電感量計(jì)算公式

：10/24/20237變隙式傳感器：靈敏度計(jì)算公式

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為初始?xì)庀逗穸萀0為初始電感量從公式看出：靈敏度與初始?xì)庀逗穸扔嘘P(guān)，呈非線性，測(cè)量較小位移較精確，為減小誤差實(shí)際測(cè)量多采用差動(dòng)形式。

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10/24/20238二、變面積式電感傳感器的基本工作原理

線性區(qū)較小，靈敏度較低，使用少。三、單線圈螺線管式電感傳感器單線圈螺線管式電感傳感器，當(dāng)銜鐵工作在螺線管的中部時(shí)，可以認(rèn)為線圈內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度是均勻的，此時(shí)線圈電感量L與銜鐵插入深度l大致成正比。特點(diǎn)與應(yīng)用范圍：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作容易，但靈敏度稍低，適用于測(cè)量稍大一點(diǎn)的位移。10/24/20239四、差動(dòng)電感傳感器的特性

1、結(jié)構(gòu)如圖

1-差動(dòng)線圈2-鐵心3-銜鐵4-測(cè)桿5-工件

差動(dòng)電感傳感器的結(jié)構(gòu)要求是兩個(gè)導(dǎo)磁體的幾何尺寸完全相同，材料性能完全相同；兩個(gè)線圈的電氣參數(shù)（電感、匝數(shù)、直流電阻、分布電容）和幾何尺寸完全相同。10/24/202310四、差動(dòng)電感傳感器的特性

2、特性

在變隙式差動(dòng)電感傳感器中，當(dāng)銜鐵隨被測(cè)量移動(dòng)而偏離中間位置時(shí)，兩個(gè)線圈的電感量一個(gè)增加，一個(gè)減小，形成差動(dòng)形式。抵消溫度、噪聲干擾，從而減小測(cè)量誤差。

從靈敏度公式看出靈敏度為非差動(dòng)2倍。10/24/202311

曲線1、2為L(zhǎng)1、L2的特性，3為差動(dòng)特性

如圖單線圈電感傳感器與差動(dòng)式電感傳感器的特性比較，差動(dòng)式電感傳感器的線性范圍較大。

結(jié)論：差動(dòng)形式測(cè)量誤差小、線性范圍寬、靈敏度大。10/24/202312五、測(cè)量轉(zhuǎn)換電路

1、橋式測(cè)量轉(zhuǎn)換電路相鄰兩工作臂Z1、Z2是差動(dòng)電感傳感器的兩個(gè)線圈阻抗。另兩臂為激勵(lì)變壓器的二次繞組。輸入電壓約為10V左右，頻率約為數(shù)千赫，輸出電壓取自A、B兩點(diǎn)。阻抗為高品質(zhì)因數(shù)

10/24/20231310/24/202314當(dāng)銜鐵處于中間位置時(shí)橋路平衡：輸出電壓：Uo=0。當(dāng)銜鐵下移時(shí)：下線圈感抗增加，而上線圈感抗減小時(shí)。輸出電壓絕對(duì)值增大，其相位與激勵(lì)源同相。輸出電壓：銜鐵上移時(shí)：輸出電壓的相位與激勵(lì)源反相。

輸出電壓：10/24/2023152、相敏檢波電路：在橋路的輸出端接上普通儀表，顯示不出相位和銜鐵的位移方向如果輸出電壓在送到指示儀前經(jīng)過一個(gè)能判別相位的檢波電路，則不但可以反映位移的大?。ǖ姆担€可以反映位移的方向（的相位）。這種檢波電路稱為相敏檢波電路。

相敏檢波電路的輸出電壓為直流，其極性由輸入電壓的相位決定。當(dāng)銜鐵向下位移時(shí)，檢流計(jì)的儀表指針正向偏轉(zhuǎn)。當(dāng)銜鐵向上位移時(shí)，儀表指針反向偏轉(zhuǎn)。采用相敏檢波電路，得到的輸出信號(hào)既能反映位移大小，也能反映位移方向。10/24/202316相敏檢波輸出特性曲線a）非相敏檢波b）相敏檢波1—理想特性曲線2—實(shí)際特性曲線

10/24/202317第二節(jié)差動(dòng)變壓器式傳感器

電源中用到的“單相變壓器”有一個(gè)一次線圈（又稱為初級(jí)線圈），有若干個(gè)二次線圈（又稱次級(jí)線圈）。當(dāng)一次線圈加上交流激磁電壓Ui后，將在二次線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓UO。

一、差動(dòng)變壓器式傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理

一次線圈銜鐵測(cè)桿二次線圈10/24/202318差動(dòng)變壓器式傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理

差動(dòng)變壓器式傳感器是把被測(cè)位移量轉(zhuǎn)換為一次線圈與二次線圈間的互感量M的變化的裝置。當(dāng)一次線圈接入激勵(lì)電源之后，二次線圈就將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)兩者間的互感量變化時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也相應(yīng)變化。由于兩個(gè)二次線圈采用差動(dòng)接法，故稱為差動(dòng)變壓器。目前應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)型式是螺線管式差動(dòng)變壓器。

差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)原理如圖。在線框上繞有一組輸入線圈（稱一次線圈）；在同一線框的上端和下端再繞制兩組完全對(duì)稱的線圈（稱二次線圈），它們反向串聯(lián)，組成差動(dòng)輸出形式。圖中標(biāo)有黑點(diǎn)的一端稱為同名端，通俗說(shuō)法是指線圈的“頭”。

10/24/202319二、差動(dòng)變壓器式傳感器的差動(dòng)連接方法

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：兩個(gè)二次線圈反向串聯(lián)，組成差動(dòng)輸出形式。二次線圈線圈N21、N22

的有關(guān)端點(diǎn)正確地連接起來(lái)10/24/202320差動(dòng)變壓器式傳感器的差動(dòng)連接方法

差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)形式較多,應(yīng)用最多的是螺線管式差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)：中間初級(jí)，兩邊次級(jí)鐵芯在骨架中間可上下移動(dòng)這種傳感器根據(jù)變壓器的基本原理制成，并將次級(jí)線圈繞組用差動(dòng)形式連接它可測(cè)量1—100mm范圍內(nèi)機(jī)械位移。次級(jí)次級(jí)骨架初級(jí)銜鐵次級(jí)次級(jí)初級(jí)10/24/202321三、靈敏度與線性度1、靈敏度

差動(dòng)變壓器的靈敏度一般可達(dá)0.5~5V/mm，行程越小，靈敏度越高。為了提高靈敏度，勵(lì)磁電壓在10V左右為宜。電源頻率以1~10kHz為好。2、線性范圍差動(dòng)變壓器線性范圍約為線圈骨架長(zhǎng)度的1/10左右。能達(dá)到100mm以上。10/24/202322四、測(cè)量轉(zhuǎn)換電路

差動(dòng)變壓器的輸出電壓是交流分量，它與銜鐵位移成正比，其輸出電壓如用交流電壓表來(lái)測(cè)量時(shí)，無(wú)法判別銜鐵移動(dòng)的方向。解決辦法：（1）采用差動(dòng)相敏檢波電路（2）采用差動(dòng)整流電路10/24/20232310/24/2023242、Rp的作用：Rp用來(lái)微調(diào)電路平衡的。

分析測(cè)量轉(zhuǎn)換電路1、差動(dòng)整流電路：

差動(dòng)變壓器的二次電壓、分別經(jīng)VD1～VD4、VD5～VD8兩個(gè)普通橋式電路整流，變成直流電壓Uao和Ubo。由于Uao與Ubo是反向串聯(lián)的，該電路是以兩個(gè)橋路整流后的直流電壓之差作為輸出的，所以稱為差動(dòng)整流電路。Uc3=Uab=Uao-Ubo鐵芯T在中間位置：Uo=0T上移：Uo＞0T下移：Uo＜010/24/202325b圖是當(dāng)銜鐵上移時(shí)的各點(diǎn)輸出波形。當(dāng)差動(dòng)變壓器采用差動(dòng)整流測(cè)量電路時(shí)，應(yīng)恰當(dāng)設(shè)置一次線圈和二次線圈的匝數(shù)比，使、在銜鐵最大位移時(shí)，仍然能大于二極管死區(qū)電壓（0.5V）的10倍以上，才能克服二極管的正向非線性的影響，減小測(cè)量誤差。3、低通濾波電路：Ｃ3、Ｃ4、Ｒ3、Ｒ4組成低通濾波電路，其時(shí)間常數(shù)τ必須大于Ｕi周期的十倍以上。4、差動(dòng)減法放大器：A及R21、R22、Rf、R23組成差動(dòng)減法放大器，用于克服a、b兩點(diǎn)的對(duì)地共模電壓。10/24/202326第三節(jié)電感式傳感器的應(yīng)用

自感式電感傳感器和差動(dòng)變壓器式傳感器主要用于位移測(cè)量，凡是能轉(zhuǎn)換成位移變化量的參數(shù)，如力、壓力、壓差、加速度、振動(dòng)、工件尺寸均可測(cè)量。10/24/202327一、位移測(cè)量

軸向式電感測(cè)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(cè)力彈簧6—防轉(zhuǎn)銷7—鋼球?qū)к墸ㄖ本€軸承）8—測(cè)桿9—密封套10—測(cè)端11—被測(cè)工件12—基準(zhǔn)面10/24/202328軸向式電感測(cè)微器的外形

航空插頭紅寶石測(cè)頭測(cè)量過程測(cè)量時(shí)紅寶石（或鎢鋼）測(cè)端接觸被測(cè)被測(cè)物尺寸的微小變化使銜鐵在差動(dòng)線圈中產(chǎn)生位移，造成差動(dòng)線圈電感量的變化此電感變化通過電纜接到交流電橋，電橋的輸出電壓反映了被測(cè)體尺寸的變化測(cè)微儀器的最小量程為

3μm。其它感辨頭10/24/202329模擬式及數(shù)字式電感測(cè)微儀該儀表各檔量程為±3、±10、±30、±100um相應(yīng)指示表的分度值為0.1、0.5、1.5um分辨力達(dá)0.1um，精度為0.1%左右。10/24/202330二、電感式滾柱直徑分選裝置

1—?dú)飧?—活塞3—推桿4—被測(cè)滾柱5—落料管6—電感測(cè)微器7—鎢