电感传感器市公开课一等奖省赛课获奖课件

本章学习自感式电感传感器和差动变压器（互感）式电感传感器，介绍他们结构、工作原理、测量电路以及应用。第三章电感式传感器10/10/1电感传感器第1页电感式传感器：利用电磁感应原理将被测非电量（位移、压力、流量、振动等）转换成线圈自感量L或互感量M改变,再由测量电路转换为电量（电压、电流）改变量输出装置。优点：结构简单，工作可靠，测量精度高(1μm)，零点稳定，输出功率较大。缺点：灵敏度、线性度和测量范围相互制约，传感器本身频率响应低，不适合用于快速动态测量。10/10/2电感传感器第2页第一节自感式传感器观看一个小试验F220V准备工作10/10/3电感传感器第3页电感传感器基本工作原理演示气隙变小，电感变大，电流变小。F10/10/4电感传感器第4页当将一只380V交流接触器线圈与交流毫安表串联后，接到控制变压器36V交流电压源上，这时毫安表示值约为几十毫安。用手慢慢将接触器活动铁心（称为衔铁）往下按，我们会发觉毫安表读数逐步减小。当衔铁与固定铁心之间气隙等于零时，毫安表读数只剩下十几毫安。

当铁心气隙较大时，磁路磁阻Rm也较大，线圈电感量L和感抗XL较小，所以电流I较大。当铁心闭合时，气隙变小，磁阻变小、电感变大，电流减小。10/10/5电感传感器第5页一、工作原理变磁阻式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料（硅钢片、坡莫合金）制成，铁芯和衔铁之间有气隙，厚度为δ，传感器运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度δ发生改变，引发磁路中磁阻改变，从而造成电感线圈电感值改变，所以只要能测出这种电感量改变，就能确定衔铁位移量大小和方向。自感传感器工作原理10/10/6电感传感器第6页依据电磁感应定义，线圈中电感量可由下式确定：

式中：Ψ——线圈总磁链；I——经过线圈电流；N——线圈匝数；Φ——穿过线圈磁通。由磁路欧姆定律，得：

式中：Rm—磁路总磁阻。10/10/7电感传感器第7页因为气隙很小，所以能够认为气隙中磁场是均匀。若忽略磁损，则磁路总磁阻为：式中:μ1——铁芯材料导磁率；μ2——衔铁材料导磁率；L1——磁通经过铁芯长度；L2——磁通经过衔铁长度；A1——铁芯截面积；A2——衔铁截面积；μ0——空气导磁率；δ——气隙厚度；A0——气隙截面积。10/10/8电感传感器第8页通常，气隙磁阻远大于铁芯和衔铁磁阻，即：可近似为：联立可得：上式表明，当线圈匝数为常数时,电感L仅仅是磁路中磁阻Rm函数，只要改变δ、A0或μ0均可造成电感改变，所以变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度δ传感器、变气隙面积A0传感器和变磁导率μ0传感器。使用最广泛是变气隙厚度δ式电感传感器。10/10/9电感传感器第9页自感式电感传感器常见形式

变隙式变截面式螺线管式

请分析电感量L与气隙厚度、气隙有效截面积A及材料磁导率μ之间关系，并讨论相关线性度问题。10/10/10电感传感器第10页输出特征设电感传感器初始气隙为δ0,初始电感量为L0,衔铁位移引发气隙改变量为Δδ，从下式可知L与δ之间是非线性关系，特征曲线如图所表示，初始电感量为：10/10/11电感传感器第11页

请分析：灵敏度、线性度有何改变曲线1、2为L1、L2特征，3为差动特征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-工件差动电感传感器特点10/10/12电感传感器第12页10/10/13电感传感器第13页

当衔铁上移Δδ时，上部分铁心与衔铁气隙减小Δδ，即δ=δ0-Δδ，则此时输出电感为L=L0+ΔL，代入上式式并整理，得：当Δδ/δ0<<1时,可将上式用台劳级数展开成级数形式为：由上式可求得电感增量ΔL和相对增量ΔL/L0表示式,即10/10/14电感传感器第14页而下部分铁心与衔铁气隙增大Δδ，即δ=δ0+Δδ，则此时输出电感为L=L0-ΔL，代入式子式并整理，得：对上面两式作求差，忽略高次项，可得：灵敏度为：当衔铁下移Δδ时，情况刚好相反。10/10/15电感传感器第15页从结构图能够看出，差动式电感传感器对外界影响，如温度改变、电源频率改变等基本上能够相互抵消，衔铁承受电磁吸力也较小，从而减小了测量误差。

差动式电感传感器特征从曲线图能够看出，差动式电感传感器线性很好，且输出曲线较陡，灵敏度约为非差动式电感传感器两倍。10/10/16电感传感器第16页测量转换电路作用是将电感量改变转换成电压或电流改变，方便用仪表指示出来。因激励电源为交流电源，若仅采取电桥电路和普通检波电路，则只能判别位移大小，却无法判别输出相位和位移方向。假如在输出电压送到指示仪前，经过一个能判别相位检波电路，则不但能够反应位移大小（幅值），还能够反应位移方向（相位）。这种检波电路称为相敏检波电路。测量转换电路10/10/17电感传感器第17页相敏检波输出特征曲线a）非相敏检波b）相敏检波1—理想特征曲线2—实际特征曲线10/10/18电感传感器第18页实测得到相敏检波电路特征曲线

经过调零电路，可使输出曲线平移到原点。标定位移时试验数据及曲线10/10/19电感传感器第19页第二节差动变压器式传感器电源中用到“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电压之和。10/10/20电感传感器第20页差动变压器结构原理以下列图所表示。在线框上绕有一组输入线圈（称一次线圈）；在同一线框上端和下端再绕制两组完全对称线圈（称二次线圈），它们反向串联，组成差动输出形式。图中标有黑点一端称为同名端，通俗说法是指线圈“头”。差动变压器式传感器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互感量M

改变装置。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，当二者间互感量改变时，感应电动势也对应改变。因为两个二次线圈采取差动接法，故称为差动变压器。当前应用最广泛结构型式是螺线管式差动变压器。10/10/21电感传感器第21页差动变压器式传感器等效电路结构特点：两个二次线圈反向串联，组成差动输出形式。差动变压器灵敏度普通可达0.5-5V/mm，行程越小，灵敏度越高。为了提升灵敏度，励磁电压在10V左右为宜。电源频率以1-10kHz为好。差动变压器线性范围约为线圈骨架长度1/10左右。10/10/22电感传感器第22页测量电路（以差动整流为例）10/10/23电感传感器第23页差动整流特点上图中RP是用来微调电路平衡，VD1-VD4、VD5-VD8组成普通桥式整流电路，Ｃ3、Ｃ4、Ｒ3、Ｒ4组成低通滤波电路，Ａ1及Ｒ21、Ｒ22、Ｒf、Ｒ23组成差动减法放大器，用于克服a、b两点对地共模电压。电路是以两个桥路整流后直流电压之差作为输出，所以称为差动整流电路。它不但能够反应位移大小（电压幅值），还能够反应位移方向。10/10/24电感传感器第24页第三节电感式传感器应用一、位移测量轴向式电感测微器外形红宝石测头航空插头测头10/10/25电感传感器第25页轴向式电感测微器内部结构1—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8—测杆9—密封套10—测端11—被测工件12—基准面

圆柱滚子测微仪10/10/26电感传感器第26页电感式滚柱直径分选装置滚柱直径分选装置1—气缸2—活塞3—推杆4—被测滚柱5—落料管6—电感测微器7—钨钢测头8—限位挡板9—电磁翻板10—容器（料斗）10/10/27电感传感器第27页滑道分选仓位电感式滚柱直径分选装置（外形）落料振动台滑道11个分选仓位10/10/28电感传感器第28页二、电感传感器在仿形机床中应用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10/10/29电感传感器第29页仿形铣床外形

仿形头主轴仿形机床采取闭环工作方式10/10/30电感传感器第30页三、电感式不圆度计原理该圆度计采取旁向式电感测微头10/10/31电感传感器第31页电感式不圆度测试系统旋转盘测量头旁向式电感测微头10/10/32电感传感器第32页不圆度测量打印10/10/33电感传感器第33页电感式轮廓仪

旁向式电感测微头10/10/34电感传感器第34页四、压力测量1—压力输入接头2—波纹膜盒3—电缆4—印制线路板5—差动线圈6—衔铁7—电源变压器8—罩壳9—指示灯10—密封隔板11—安装底座10/10/35电感传感器第35页压力测量用膜盒

膜盒由两片波纹膜片焊接而成。所谓波纹膜片是一个压有同心波纹圆形薄膜。当膜片四面固定，两侧面存在压差时，膜片将弯向压力低一侧，所以能够将压力变换为直线位移。10/10/36电感