第5章-电感式传感器

1、2021/3/2612021/3/262主要内容主要内容: : 5.1 5.1 变磁阻式电感传感器变磁阻式电感传感器 5.2 5.2 差动变压器式电感传感器差动变压器式电感传感器 5.3 5.3 电涡流式传感器电涡流式传感器 2021/3/2632021/3/264各种电感式传感器各种电感式传感器非接触式位移传感器非接触式位移传感器测厚传感器测厚传感器电电感感粗粗糙糙度度仪仪接近式开关接近式开关2021/3/2652021/3/266121122002mllRSSS :气隙厚度气隙厚度; 1 、2 、0 :铁芯铁芯磁通经过铁心和衔铁的长度磁通经过铁心和衔铁的长度; S1 S2 S0 : 铁心铁

2、心,衔铁和衔铁和 气隙的截面积。气隙的截面积。2021/3/267 线圈电感量可按下式计算线圈电感量可按下式计算:式中式中: :N 为线圈匝数为线圈匝数 ; ; 变磁阻式传感器又分为变磁阻式传感器又分为: : 变变气隙厚度气隙厚度型（型（） 变变气隙截面积气隙截面积型（型（S S0 0）2200/2mNSLNR002mRS可见只要改变气隙厚度或气隙截面积就可以改变可见只要改变气隙厚度或气隙截面积就可以改变。 2021/3/2682021/3/269角度角度截面积截面积厚度厚度 下面以下面以变气隙厚度型变气隙厚度型进行讨论进行讨论2021/3/2610220000000000/22()(1/)1

3、/NSNSLLLL 200002NSL0 0LL0 L0+L L0-L22002NSNLRm量为量为特性曲线非线性特性曲线非线性2021/3/2611/ 1 1 时时, ,可将前式用泰勒级数展开可将前式用泰勒级数展开, ,求出电感增量求出电感增量23000001()()LLLL2230000000-1()()() +LL F 衔铁衔铁下移下移时电感的相对增量时电感的相对增量增大增大F 衔铁衔铁上移上移时电感的相对增量时电感的相对增量减小减小22300000001()()()LL 2021/3/2612 满足满足/ / Z Z2 2,输出电压为正输出电压为正 02ULUL 当衔铁右移时当衔铁右移

4、时 Z Z1 1 Z Z2 2, ,输出电压为输出电压为负负120112122222ZZUUUUZULUZZZZZZL22() /2ZRL02ULUL 当衔铁在中间位置当衔铁在中间位置:Z1 = Z2 , U0 = 0 2021/3/262101+-TTjwLjwLjwL jwcUU2021/3/2622被测压力经过位移、被测压力经过位移、电压两次转换输出电压两次转换输出2021/3/26232021/3/2624F游标卡尺游标卡尺分辨率为分辨率为0.02mm; 千分尺千分尺分辨率为分辨率为0.01mm。现代机械加。现代机械加工要求测量工具的分辨率高于公差的一个数量级（工要求测量工具的分辨率高

5、于公差的一个数量级（m）,传统工具传统工具无法实现无法实现,电感传感器的分辨率可达电感传感器的分辨率可达0.01m,可优于要求公差。可优于要求公差。0可取得很小可取得很小, 0 = 0.10.5mm, 当当 =1m 时时,L / L0可达可达 1/100 1/500。灵敏度高灵敏度高; 缺点是非线性严重缺点是非线性严重,自由行程小自由行程小,工艺制作难。工艺制作难。2021/3/2625测量工具结构示意图测量工具结构示意图2021/3/2626测量工具结构示意图测量工具结构示意图2021/3/2627电感式游标卡尺、千分尺、深度尺、高度尺电感式游标卡尺、千分尺、深度尺、高度尺2021/3/26

6、28结构结构塑料骨架上绕制线圈塑料骨架上绕制线圈, ,中间初级中间初级, ,两边次级两边次级, ,铁芯在铁芯在骨架中间可上下移动骨架中间可上下移动; ;这种传感器根据这种传感器根据变压器变压器的基本原理制成的基本原理制成, ,并将次级并将次级线圈绕组用线圈绕组用差动形式差动形式连接。连接。差动变压器的结构形式较多差动变压器的结构形式较多, ,应用最多的是应用最多的是螺线管螺线管式式差动变压器差动变压器( (介绍三节式介绍三节式),),可测量可测量1 1100mm 100mm 范围范围内机械位移。内机械位移。次次级级次次级级骨架骨架初初级级衔衔铁铁次次级级次次级级初初级级v把被测的非电量变化转换

7、成为线圈把被测的非电量变化转换成为线圈互感互感量量的变化的传感器称为互感式传感器。的变化的传感器称为互感式传感器。2021/3/2629差动变压器结构形式差动变压器结构形式 2021/3/2630 等效电路等效电路 初级线圈初级线圈L L1 1, ,次级线圈次级线圈L L2a2a、L L2b2b须反相连接须反相连接, ,保证差动形式保证差动形式 如果线圈完全对称如果线圈完全对称, ,并且铁芯处于并且铁芯处于中间位置中间位置时两线圈互感系数相等时两线圈互感系数相等abMM22abEE0220abUEE差动输出电压为零差动输出电压为零:并且有两线圈电动势相等并且有两线圈电动势相等次级线圈同名端反向

8、连接次级线圈同名端反向连接2021/3/2631差动变压器的输出电压差动变压器的输出电压大小大小和和符号符号 反映了铁心位移的大小和方向。反映了铁心位移的大小和方向。 当铁芯上下移动时当铁芯上下移动时,输出电压大小、极性随铁芯位移变化输出电压大小、极性随铁芯位移变化22,ababEEMM 若铁芯上移若铁芯上移 22,ababEEMM 若铁芯下移若铁芯下移 02211()()abiMMUUrL2021/3/2632由此得到差动变压器输出电压有效值为由此得到差动变压器输出电压有效值为 : :02211()()abiMMUUrL 差动变压器输出电压与差动变压器输出电压与互感的差值互感的差值成正比。成

9、正比。21aaEj M I 21bbEj M I 根据电磁感应定律根据电磁感应定律, ,次级感应电动势与互感关系分别次级感应电动势与互感关系分别为为:2201ababEEjMMIU 输出电压输出电压次级开路时次级开路时, ,初级电流初级电流 代入上式代入上式111/irj LUI2021/3/2633022112,()iabUMMM UrL022112,()iabUMMMUrL 铁芯向上移（右移）铁芯向上移（右移）输出电压为正输出电压为正; ;0,0abMM Uv差动变压器输出是被互感大小调制的交流差动变压器输出是被互感大小调制的交流电压电压, ,存在相位问题存在相位问题, ,有正负变化。有正

10、负变化。 铁芯向下移（左移）铁芯向下移（左移）输出电压为负输出电压为负; ; 铁芯在中间位置时铁芯在中间位置时 2021/3/26341.差动变压器差动变压器输出电压幅值取决于互感输出电压幅值取决于互感M,即铁芯在线圈中移动的即铁芯在线圈中移动的距离距离X, 铁芯的移动方向铁芯的移动方向决定决定U0的相位的相位;2.输出电压的正、负（反相）结果输出电压的正、负（反相）结果,经相敏经相敏检波后输出曲线反行程翻转为过零直线检波后输出曲线反行程翻转为过零直线;3.输出电压输出电压U0与激励电压与激励电压Ui有关，应尽可能有关，应尽可能大大;U0与激励频率成正比，中频在与激励频率成正比，中频在4001

11、000Hz；02211()()abiMMUUrL差动变压器灵敏度可达差动变压器灵敏度可达 0.15V/mm;性能包括三个内容性能包括三个内容: 传感器类型、转换电路、电源。传感器类型、转换电路、电源。出厂标定灵敏度规定出厂标定灵敏度规定:输出电压输出电压U0 /1V/衔铁位移衔铁位移1m 讨论讨论差动变压器输出差动变压器输出电压和位移的关系电压和位移的关系2021/3/2635理论上讲理论上讲, ,铁芯处于中间位置时输出电压应为零铁芯处于中间位置时输出电压应为零, ,而实际输而实际输出出 U000, ,在零点上总有一个最小的输出电压，这个铁芯在零点上总有一个最小的输出电压，这个铁芯处于中间位置

12、时最小不为零的电压称为处于中间位置时最小不为零的电压称为零点残余电压零点残余电压。产生产生零点残余电压零点残余电压的原因是的原因是: 1. 由于两个次级线圈绕组电气参数（由于两个次级线圈绕组电气参数（M互感互感;L电感电感;R内阻）不内阻）不 同同,几几何尺寸工艺上很难保证完全相同何尺寸工艺上很难保证完全相同, 2. 电源中高次谐波电源中高次谐波,线圈寄生电容的存在等，使实际的特性曲线总有线圈寄生电容的存在等，使实际的特性曲线总有最小输出。最小输出。零点残余电压零点残余电压主要成分是频率、幅度不同主要成分是频率、幅度不同 的的基波、谐波基波、谐波.零点残余电压过大会使灵敏零点残余电压过大会使灵

13、敏 度下降，非线性误差增大，放大器末级饱和，度下降，非线性误差增大，放大器末级饱和， 因此是直接影响传感器质量的参数。因此是直接影响传感器质量的参数。为减小零点残余电压的影响为减小零点残余电压的影响 变压器工艺上采取措施，电路补偿等变压器工艺上采取措施，电路补偿等.2021/3/2636 为减小零点残余电压的影响为减小零点残余电压的影响, ,一般要用电路进行补偿一般要用电路进行补偿, ,电路补偿的方法较多电路补偿的方法较多, ,可采用以下方法。可采用以下方法。 串联串联电阻电阻: :消除两次级绕组基波分量幅值上的差异消除两次级绕组基波分量幅值上的差异; ; 并联并联电阻电容电阻电容: :消除基

14、波分量相差消除基波分量相差, ,减小谐波分量减小谐波分量; ; 加反馈加反馈支路支路: :初、次级间反馈初、次级间反馈, ,减小谐波分量减小谐波分量; ; 相敏检波电路相敏检波电路对零点残余误差有很好的抑制作用。对零点残余误差有很好的抑制作用。 这些电路可单个使用也可综合使用，需要通过实验证实效果这些电路可单个使用也可综合使用，需要通过实验证实效果串串联联电电阻阻并并联联电电阻阻2021/3/26372021/3/2638 哪个部分是传感器哪个部分是传感器? ? 二极管组成的是什么电路二极管组成的是什么电路? ? 电电阻阻R0、电容、电容C有有什么作用什么作用? ? 已知初级信号为正弦波（上已

15、知初级信号为正弦波（上+ +下下- -）, ,画出次级信号波形画出次级信号波形; ; 分析整流电路的输出电流电压的方向分析整流电路的输出电流电压的方向, ,（上半周下半周）（上半周下半周）; ; 如果铁芯上移如果铁芯上移, ,分析输出电压分析输出电压 U0 = UAO-UBO的极性。的极性。J 讨论差动整流电路讨论差动整流电路 （请同学回答问题（请同学回答问题） （1）差动整流电路）差动整流电路 2021/3/2639 差动变压器输出交流信号差动变压器输出交流信号, ,为正确反映为正确反映位移大小和方向位移大小和方向, ,常采用常采用差动整流电路差动整流电路和和相敏检波电路相敏检波电路。 差动

16、整流电路输入一交流差动整流电路输入一交流信号时信号时, ,无论极性如何无论极性如何, ,整整流电路的输出电压始终为流电路的输出电压始终为 U0 = UAO-UBO 上绕组输出始终为上绕组输出始终为 U24 下绕组输出始终为下绕组输出始终为 U68 R0为调零电阻为调零电阻（1）差动整流电路）差动整流电路 2021/3/2640 整流电路的输出电压大小极性与铁心位置有关整流电路的输出电压大小极性与铁心位置有关: : 铁心铁心T在中间位置时在中间位置时,U24 = U68 , U0 = 0 ; 铁心铁心T上移上移, U24 U68 ，U0 0 ; 铁心铁心T下移，下移， U24 U68 ， U0

17、0 。（1）差动整流电路）差动整流电路2021/3/2641差动整流电路分析动画演示差动整流电路分析动画演示: :差分整流上线圈上半周差分整流上线圈上半周差分整流上线圈下半周差分整流上线圈下半周差分整流下线圈上半周差分整流下线圈上半周差分整流下线圈下半周差分整流下线圈下半周 铁芯上移铁芯上移 铁芯下移铁芯下移U0U0 差动整流电路的特点差动整流电路的特点: :结构简单结构简单, ,可以不考虑可以不考虑相位调整相位调整 和和零点残余电压零点残余电压的影响的影响, ,分布电容影响小分布电容影响小, ,便于远距离便于远距离 传输。传输。2021/3/2642 差动变压器式传感器可直接用于位移测量差动

18、变压器式传感器可直接用于位移测量,也可以测量与也可以测量与位移有关的任何机械量位移有关的任何机械量,如振动如振动,加速度，应变等等。加速度，应变等等。 压差计压差计 当压差变化时当压差变化时, ,腔内膜腔内膜片位移使差动变压器次级电片位移使差动变压器次级电压发生变化压发生变化, ,输出与位移成输出与位移成正比正比, ,与压差成正比。与压差成正比。 沉筒式液位计将水位变化转换成位移变化沉筒式液位计将水位变化转换成位移变化, ,再转换为电感的变化再转换为电感的变化, ,差动变压器的输出反映液差动变压器的输出反映液位高低。位高低。2021/3/26432021/3/26442021/3/2645差动

19、变压器结构形式差动变压器结构形式 电感测厚仪电感测厚仪2021/3/2646电感位移测量仪电感位移测量仪 2021/3/26472021/3/26482021/3/26492021/3/26502021/3/26512021/3/2652 测振动测振动 测轴心轨迹测轴心轨迹 测厚测厚 测转速测转速2021/3/2653 金属导体金属导体UAC2021/3/26542021/3/265510 110 121R Ij L Ij MIU122220j MIR Ij L I101010ZRj L2021/3/26562221102222()M LLLRL222212211010222212222()(

20、)UM RM LZRjLIRLRL2221102222()M RRRRL2021/3/26572221102222()M LLLRL2221102222()M RRRRL222212211010222212222()()UM RM LZRjLIRLRL2021/3/26581( , ,)Zfd 2021/3/2659金属金属扁平线圈扁平线圈涡流区涡流区r/ros1hrosjros 2021/3/2660/0z hzjj ehzzj0/je0j金属金属扁平线圈扁平线圈j2021/3/266121221osxIIxrv I1为线圈激励电流为线圈激励电流,I2 为金属导体中的等效电流（涡流）为金属导

21、体中的等效电流（涡流）v x = 0 处处,I2 = I1;x/ros= 1,I2 = 0.3I1,v I2 只有在只有在 x/ros ros时电涡流很弱了，所以测大位移时线圈直径要大。时电涡流很弱了，所以测大位移时线圈直径要大。x/rosI2/I11.01 2 3 4J要增加测量范围需加大线圈直径要增加测量范围需加大线圈直径,传感器体传感器体积增大积增大,这是电涡流传感器应用的局限性。这是电涡流传感器应用的局限性。2021/3/26622021/3/2663 1;2fL x C2021/3/2664 001;2LfQRL x C2221102222()M LLLRL2221102222()M

22、 RRRRL2021/3/2665 电涡流传感器以其长期工作可靠性好、测量范围宽、电涡流传感器以其长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗干扰力强、不灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗干扰力强、不受油污等介质的影响、结构简单等优点受油污等介质的影响、结构简单等优点, ,在大型旋转在大型旋转机械状态的在线监测与故障诊断中得到广泛应用。机械状态的在线监测与故障诊断中得到广泛应用。2021/3/2666在金属板的上下方分别设有发射传感器线圈在金属板的上下方分别设有发射传感器线圈L1和接收和接收传感器线圈传感器线圈L2,L1加低频电压加低频电压U1时时,L1上产生交变磁通。上产

23、生交变磁通。无金属板时无金属板时,磁通直接耦合至磁通直接耦合至L2 ，L2产生感应电压产生感应电压;如果金属板放置两线圈之间，线圈如果金属板放置两线圈之间，线圈L1在金属板中产生在金属板中产生电涡流，磁场能量受到损耗，使达到电涡流，磁场能量受到损耗，使达到L2的磁通减弱，的磁通减弱，最终使最终使L2上感应电动势减弱。上感应电动势减弱。金属板越厚，涡流磁能损失越多，下线圈金属板越厚，涡流磁能损失越多，下线圈L2上感应电上感应电动势输出动势输出U2越小。通过测量越小。通过测量U2检测金属板的厚度。检测金属板的厚度。透射式涡流传感器可检测透射式涡流传感器可检测1100mm范围。范围。2021/3/2

24、667电涡流金属板、带材厚度测量 ,可可 2021/3/2668涡流非导电材涡流非导电材料厚度测量料厚度测量金属镀层厚金属镀层厚度测量度测量2021/3/26692.2.电涡流探伤电涡流探伤由于趋肤效应由于趋肤效应,导体表面电涡流密度最大导体表面电涡流密度最大,表面信息量最大表面信息量最大,可采用电可采用电涡流传感器测量金属表面缺陷，当导体表面存在缺陷时会引起金属涡流传感器测量金属表面缺陷，当导体表面存在缺陷时会引起金属的电阻率的电阻率、磁导率、磁导率的变化的变化;可用于金属表面裂纹、热处理裂纹、焊可用于金属表面裂纹、热处理裂纹、焊接处质量探伤。接处质量探伤。探伤时传感器与被测金属保持距离不变

25、，如果有裂纹导体电阻率会探伤时传感器与被测金属保持距离不变，如果有裂纹导体电阻率会发生变化，涡流损耗的改变引起涡流强度变化使电路输出电压变化。发生变化，涡流损耗的改变引起涡流强度变化使电路输出电压变化。火车车轮裂纹检测火车车轮裂纹检测传感器安装传感器安装应覆盖车轮应覆盖车轮裂纹输出信号裂纹输出信号车轮周长车轮周长开始开始结束结束2021/3/2670涡流轴心轨迹测量涡流轴心轨迹测量 轴心轨迹测量实验装置轴心轨迹测量实验装置轴心轨迹是转子运行时轴心的位置轴心轨迹是转子运行时轴心的位置,忽略轴的圆度误差忽略轴的圆度误差,可以将两可以将两个电涡流位移传感器探头安装为相互成个电涡流位移传感器探头安装为

26、相互成90度度,并调整好两个探头并调整好两个探头到主轴的距离（约到主轴的距离（约1.6mm）。）。调整时，使从前置电路输出的信号刚好为调整时，使从前置电路输出的信号刚好为0mV，转子启动后两个，转子启动后两个传感器测量的就是它在两个垂直方向传感器测量的就是它在两个垂直方向( X、Y )上的瞬时位移，合上的瞬时位移，合成为李沙育图就是转子的轴心运动轨迹。成为李沙育图就是转子的轴心运动轨迹。3.3.轴心轨迹测量轴心轨迹测量2021/3/2671 轴心轨迹测量实验装置轴心轨迹测量实验装置3.3.轴心轨迹测量轴心轨迹测量利萨如（李沙育）图形 2021/3/2672涡流轴心涡流轴心 轨迹测量轨迹测量振动

27、的振振动的振幅测量幅测量2021/3/26735.5.涡流转速测量涡流转速测量 被测体是金属或磁性齿轮被测体是金属或磁性齿轮 可计算出齿轮每分钟转速可计算出齿轮每分钟转速 N = （f / n） 60 f 为检测的频率为检测的频率; n齿数齿数; 工业常用工业常用 60齿齿, N = f4.4.涡流振动测量涡流振动测量 通过被测体与传感通过被测体与传感器间的位移变化进行器间的位移变化进行振动检测。振动检测。2021/3/26742021/3/26752021/3/26762021/3/26772021/3/2678感应线圈感应线圈2021/3/2679感应线圈感应线圈2021/3/26802021/3/2681 2021/3/26822021/3/26832021/3/26841. 什么是零点残余电压什么是零点残余电压?2. 什么是电涡流效应什么是电涡流效应? 3. 电感测厚仪原理与电路如下图所示电感测厚仪原理与电路如下图所示,L1、L2为传感器电感为传感器电感作两个桥臂作两个桥臂;C1、C2为固定电容作另外两个桥臂为固定电容作另外两个桥臂;D1-D4组