第4章电感式传感器资料

第4章电感式传感器2020/2/122一、教学目标1、知识目标（1）了解自感式传感器工作原理、转换电路与使用方法。（2）掌握差动变压器式传感器的工作原理、转换电路。（3）掌握电涡流式传感器的工作原理和实际应用方法。二、教学重点和难点1、重点：电感式传感器的工作原理和应用。2、难点：电感式传感器的测量电路。三、教学学时6学时电磁感应原理因磁通量变化产生感应电动势的现象，闭合电路的一部分导体在磁场里做切割磁感线的运动时，导体中就会产生电流，这种现象叫电磁感应。公式的来历：diULdtnnEttttLiLiidiELLttdt2020/2/125利用电磁感应原理将被测非电量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈自感量L或互感量M的变化,再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出,这种装置称为电感式传感器。1.优点:结构简单,工作可靠,测量精度高,零点稳定,输出功率较大等一系列优点,这种传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制,在工业自动控制系统中被广泛采用。2.缺点:是灵敏度、线性度和测量范围相互制约,传感器自身频率响应低,不适用于快速动态测量。电感式传感器特点：电感式传感器种类很多,本章主要介绍自感式、差动变压器式（互感式）、电涡流式传感器这三大类传感器。2020/2/1284.1自感式传感器4.1.1自感式传感器的工作原理先看一个实验：将一只380V交流接触器线圈与交流毫安表串联后，接到机床用控制变压器的36V交流电压源上，如图4-1所示。这时毫安表的示值约为几十毫安。用手慢慢将接触器的活动铁心（称为衔铁）往下按，我们会发现毫安表的读数逐渐减小。当衔铁与固定铁心之间的气隙等于零时，毫安表的读数只剩下十几毫安。——把被测信号的变化转化成自感的变化2020/2/129电感传感器的基本工作原理演示F220V准备工作2020/2/1210电感传感器的基本工作原理演示气隙变小，电感变大，电流变小F2020/2/12112210mmmNNLRRR10mmRR20mNLR0002mRAlRs2002ANL2020/2/1213电感量计算公式：请分析电感量L与气隙厚度及气隙的有效截面积A之间的关系，并讨论有关线性度的问题。N：线圈匝数；A：气隙的有效截面积；0：真空磁导率；o：气隙厚度。2002NAL2020/2/1214自感式电感传感器常见的形式变隙式变截面式螺线管式2020/2/1215变隙式自感传感器的测量范围与灵敏度及线性度是相矛盾的，因此变隙式自感式传感器适用于测量微小位移场合。为了减小非线形误差，实际中广泛采用差动变隙式电感传感器。L-δ特性曲线1.变隙式变隙式传感器特点：灵敏度高，非线性严重，为限制线性误差，示值范围小，因衔铁在运动方向上受铁心的限制，自由行程小，制造和装配困难。2020/2/1217由上式可知理论上电感量L与气隙截面积A成正比。202NAL2.变截面式图4-4变截面式自感传感器的输出特性1—实际输出特性；2—理想输出特性变截面式传感器特点：灵敏度低具有较好的线性度，测量范围可稍大一点。2020/2/12193.螺线管式1）电感量L与衔铁插入深度l1成正比（在螺线管中部时）2）适应于测量较大位移3）灵敏度较低螺线管式传感器特点：灵敏度比变面积式更低，但示值范围大，线性度也较好，得到广泛应用。上述三种传感器的线圈中均通有交流励磁电流，因而衔铁始终承受电磁吸力，会引起附加误差，且非线性误差较大。另外，外界的干扰(如电源电压、频率、温度的变化)也会使输出产生误差，所以在实际工作中常采用差动形式，这样既可以提高传感器的灵敏度，又可以减小测量误差。2020/2/1222差动电感传感器的特点在变隙式差动电感传感器中，当衔铁随被测量移动而偏离中间位置时，两个线圈的电感量一个增加，一个减小，形成差动形式。1-差动线圈2-铁心3-衔铁4-测杆5-工件曲线1、2为L1、L2的特性，3为差动特性2020/2/1224差动式电感传感器的特性从曲线图可以看出，差动式电感传感器的线性较好，且输出曲线较陡，灵敏度约为非差动式电感传感器的两倍。从结构图可以看出，差动式电感传感器对外界影响，如温度的变化、电源频率的变化等基本上可以互相抵消，衔铁承受的电磁吸力也较小，从而减小了测量误差。2020/2/12254.1.2自感式传感器的测量转换电路测量转换电路的作用是将电感量的变化转换成电压或电流的变化，以便用仪表指示出来。但若仅采用电桥电路和普通的检波电路，则只能判别位移的大小，却无法判别输出的相位和位移的方向。如果在输出电压送到指示仪前，经过一个能判别相位的检波电路，则不但可以反映位移的大小（幅值），还可以反映位移的方向（相位）。这种检波电路称为相敏检波电路。2020/2/12261.变压器式交流电桥变压器式交流电桥测量电路如图3-5所示,电桥两臂Z1、Z2为传感器线圈阻抗,另外两桥臂为交流变压器次级线圈的1/2阻抗。当负截阻抗为无穷大时,桥路输出电压222112212UZZZZUZZUZU当传感器的衔铁处于中间位置,即Z1=Z2=Z时有=0,电桥平衡。0U图4-7变压器式交流电桥2020/2/1227当传感器衔铁下移时,此时Z1=Z-ΔZ,Z2=Z+ΔZ从上两式可知,衔铁上下移动相同距离时,输出电压的大小相等,但方向(相位)相反,由于是交流电压,输出指示无法判断位移方向,必须配合相敏检波电路来解决。0ULLUZZUU220当传感器衔铁上移时,即Z1=Z+ΔZ,Z2=Z-ΔZLLUZZUU220相敏检波电路2020/2/1228当衔铁偏离中间位置而使Z1=Z+ΔZ增加，则Z2=Z-ΔZ减少。这时当电源u上端为正，下端为负时，VD1、VD4导通，电阻R1上的压降大于R2上的压降，电压表V输出上端为正，下端为负；当u上端为负，下端为正时，VD2、VD3导通，R1上压降则大于R2上的压降，电压表V输出上端为负，下端为正。2020/2/1229非相敏整流和相敏整流电路输出电压比较(a)非相敏整流电路；（b）相敏整流电路使用相敏整流，输出电压U0能反映衔铁位移的大小和方向。2020/2/1230图4-8交流电桥测量电路Z1Z2Z3＝RZ4＝RoUU2.交流电桥式测量电路2020/2/1231图4-8所示为交流电桥测量电路,把传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂Z1和Z2,另外二个相邻的桥臂用纯电阻代替,对于高Q值（Q=ωL/R）的差动式电感传感器,其输出电压式中:L0——衔铁在中间位置时单个线圈的电感;ΔL——单线圈电感的变化量。将ΔL/L0=2（Δδ/δ0）代入式得（Δδ/δ0）,电桥输出电压与Δδ有关。000110222LLUjwLRLjwUZZUU0U1—引线电缆2—固定磁筒3—衔铁4—线圈5—测力弹簧6—防转销7—钢球导轨（直线轴承）8—测杆9—密封套10—测端11—被测工件12—基准面1.轴向式电感测微器的内部结构2020/2/12324.1.3自感式传感器的应用图4-22自感式压力传感器的结构原理图2.自感式压力传感器2020/2/12344.2差动变压器式传感器（互感式）电源中用到的“单相变压器”有一个一次线圈（又称为初级线圈），有若干个二次线圈（又称次级线圈）。当一次线圈加上交流激磁电压Ui后，将在二次线圈中产生感应电压UO。在全波整流电路中，两个二次线圈串联，总电压等于两个二次线圈的电压之和。请将单相变压器二次线圈N21、N22的有关端点按全波整流电路的要求正确地连接起来。＋2020/2/12354.2.1差动变压器式传感器的工作原理差动变压器式传感器是把被测位移量转换为一次线圈与二次线圈间的互感量M的变化的装置。当一次线圈接入激励电源之后，二次线圈就将产生感应电动势，当两者间的互感量变化时，感应电动势也相应变化。由于两个二次线圈采用差动接法，故称为差动变压器。目前应用最广泛的结构型式是螺线管式差动变压器。差动变压器的结构原理如图4-8所示。在线框上绕有一组输入线圈（称一次线圈）；在同一线框的上端和下端再绕制两组完全对称的线圈（称二次线圈），它们反向串联，组成差动输出形式。理想差动变压器的原理如图4-9。图中标有黑点的一端称为同名端，通俗说法是指线圈的“头”。图4-10差动变压器式传感器的结构图4-11差动变压器式传感器的等效电路2020/2/1238差动变压器式传感器的等效电路结构特点：两个二次线圈反向串联，组成差动输出形式。请将二次线圈N21、N22的有关端点正确地连接起来，并指出哪两个为输出端点。从图4-12中可看出，当衔铁位于中心位置，输出电压并不是零电位，这个电压就是零点残余电压它的存在使差动变压器式传感器的输出特性曲线不经过零点，造成实际特性和理论特性不完全一致。2UxU，图4-12差动变压器式传感器输出电压特性曲线（a）半波电流输出电路（b）全波电流输出电路图4-13差动整流电路4.2.2差动变压器式传感器的测量转换电路22468UUU2020/2/1241差动整流的特点电路是以两个桥路整流后的直流电压之差作为输出的，所以称为差动整流电路。它不但可以反映位移的大小（电压的幅值），还可以反映位移的方向。上图中的R0是用来微调电路平衡的，VD1~VD4、VD5~VD8组成普通桥式整流电路。2020/2/1242相敏检波电路图4-14相敏检波电路2020/2/1243非相敏整流和相敏整流电路输出电压比较(a)非相敏整流电路；（b）相敏整流电路使用相敏整流，输出电压U0不仅能反映衔铁位移的大小和方向，而且还消除零点残余电压的影响.1.差动变压器式加速度传感器图4-23差动变压器式加速度传感器的结构原理图1—悬臂梁；2—差动变压器4.2.3差动变压器式传感器的应用1—标准靠模样板2—测端（靠模轮）3—电感测微器4—铣刀龙门框架5—立柱6—伺服电动机7—铣刀8—毛坯2.电感传感器在仿形机床中的应用2020/2/1245仿形机床采用闭环工作方式仿形铣床外形2020/2/1246仿形头主轴电感式滚珠直径自动分选装置电涡流式传感器具有结构简单、频率响应快、灵敏度高、测量范围大、抗干扰能力强的优点，在工业生产和科学技术的各个领域中都得到了广泛的应用。电涡流式传感器可以对位移、振幅、表面温度、速度、应力、金属板厚度及金属物件的无损探伤等物理量实现非接触式测量。4.3电涡流式传感器根据法拉第电磁感应定律，金属导体置于变化的磁场中时，导体表面就会有感应电流产生。电流的流线在金属体内自行闭合，这种由电磁感应原理产生的旋涡状感应电流称为电涡流。电涡流的产生必然要消耗一部分能量，从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化，这一物理现象称为电涡流效应。4.3.1电涡流效应4.3.2电涡流式传感器的工作原理电涡流效应演示2020/2/1250电涡流式传感器是利用电涡流效应，将非电量转换为阻抗的变化而进行测量的。根据电涡流在导体中的贯穿情况，通常把电涡流式传感器按励磁电源频率的高低分为高频反射式传感器和低频透射式传感器，前者的应用较为广泛。图4-15电涡流式传感器的结构1—线圈；2—框架；3—框架衬套；4—支架；5—电缆；6—插头4.3.2电涡流式传感器的工作原理电涡流效应演示2020/2/1253当电涡流线圈与金属板的距离x减小时，电涡流线圈的等效电感L减小，流过电涡流线圈的电流i1增大。根据法拉第定律,当传感器线圈通以正弦交变电流时,线圈周围空间必然产生正弦交变磁场,使置于此磁场中的金属导体中感应电涡流,又产生新的交变磁场。根据愣次定律,的作用将反抗原磁场,导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。由上可知,线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。而电涡流效应既与被测体的电导率σ、磁导率μ以及几何形状有关,又与线圈几何参数、线圈中激磁电流频率f有关,还与线圈与导体间的距离x有关。因此,传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的函数关系式