情境二设计轴承滚柱直径分选装置

2023/2/41情境二设计轴承滚柱直径分选装置

2023/2/42在这一章里，给大家介绍电感传感器的类型、基本原理、特性和应用。电感传感器可以用于测量微小的位移以及与位移有关的工件尺寸、压力等参数。电感传感器种类很多，人们习惯上讲的电感传感器通常是指自感传感器。而互感量传感器是利用了变压器原理，又往往做成差动式，故常称为差动变压器。电感传感器属于接触式测量，需要较大的驱动力。它的最大特点是分辨力高，可达0.1μm。任务一自感传感器

电感传感器种类很多，可分为自感式和互感量式两大类。人们习惯上讲电感传感器通常是指自感传感器。2023/2/44为了观察铁心气隙与电感的关系，我们先来做一个实验。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3-1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，将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。小实验电感传感器的基本工作原理演示F220V准备工作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F2023/2/47

由电工知识可知，当铁心的气隙较大时，磁路的磁阻Rm较大，线圈的电感量L和感抗XL就较小，所以电流I较大。当铁心闭合时，磁阻变小、电感变大，电流减小。我们可以利用上述实验中自感量随气隙而改变的原理来制作测量位移的自感传感器。回顾与总结一、自感式电感传感器常见的形式

变隙式变截面式螺线管式

1－线圈2－铁心3－衔铁4－测杆5－导轨

6－工件7－转转轴电感传感器的衔铁较重，响应较慢，不宜用于快速动态测量。小贴士单线圈螺线管式电感传感器的结构如图3-2c所示。主要元件是一只螺线管和一根柱形衔铁。传感器工作时，衔铁在线圈中伸入长度的变化将引起螺线管电感量的变化。电感量L在几毫米的范围内与衔铁插入深度l1大致成正比。测量范围越大，分辨力越低。最常用的电感传感器

——螺线管式电感传感器2023/2/410

在模拟电子学中，采用两个参数完全相同的三极管组成差动放大电路，可以克服温漂以及电源不稳定等外界因数引起的输出电压漂移。回顾一下上述3种电感传感器使用时，由于线圈中通有交流励磁电流，因而衔铁始终承受电磁吸力，会引起振动。温度升高时，线圈的尺寸增大，电感量随之增大，将引起测量误差。在实际使用中常采用差动形式，两个完全相同的线圈共用一根活动衔铁，构成差动式电感传感器，既可以提高传感器的灵敏度，又可以减小测量误差。差动式电感传感器的结构如图3-3所示。

当衔铁偏离中间位置时，两个线圈的电感量一个增加，一个减小，形成差动形式。差动电感传感器的特点

1-差动线圈2-铁心

3-衔铁4-测杆5-工件

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。差动电感传感器的特性

曲线1、2为L1、L2

的特性，3为差动特性

请分析：从曲线图可以看出，与非差动电感传感器相比较，差动式电感传感器的灵敏度、线性度有何变化？2023/2/413二、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，则不但可以反映幅值（位移的大小），还可以反映输出电压的相位（位移的方向）。这种检波电路称为相敏检波电路。普通的全波整流电路及波形电路只能得到单一方向的直流电，不能反映输入信号的相位。相敏检波输出特性曲线a）非相敏检波b）相敏检波1—理想特性曲线

2—实际特性曲线

实测得到的相敏检波电路的特性曲线

通过调零电路，可使输出曲线平移到原点。标定位移时的实验数据及曲线第二节差动变压器传感器

＋复习电工知识：全波整流电路中用到的“单相变压器”有一个一次线圈，有两个二次线圈。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。普通的全波整流电路及波形电路只能得到单一方向的直流电，不能反映输入信号的相位。

请将单相变压器的二次线圈N21、N22的有关端点按全波整流电路的要求正确地连接起来。

请将单相变压器的二次线圈N21、N22的有关端点按全波整流电路的要求正确地连接起来。Uo10V10V=20V差动变压器的工作原理

差动变压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。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。

在差动变压器的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。图中标有黑点的一端称为同名端，通俗的说法是指线圈的“头”。

差动变压器式传感器的等效电路及接线

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。uo=u21-u22灵敏度与线性度

差动变压器的灵敏度一般可达0.5~5V/mm，行程越小，灵敏度越高。为了提高灵敏度，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的1/10左右。例：欲测量Φ120mm2mm轴的直径误差，应选择线圈骨架长度为多少的差动变压器（或电感传感器）为宜？答：线圈骨架长度约为被测变化量的10倍左右，选2mm×2=40mm。测量电路

（以差动整流为例）Ｃ1、Ｃ2虚焊，Uao、Ubo将变成什么波形？

图中的RP起什么作用？测量电路

（以差动整流为例）Ｃ1、Ｃ2虚焊，Uao、Ubo将变成什么波形？

图中的RP起什么作用？休息一下任务二电感式传感器的应用

一、位移测量

轴向式电感测微器的外形

航空插头红宝石测头其他电感测微头模拟式及数字式电感测微仪轴向式电感测微器的内部结构

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（直线轴承）

8—测杆9—密封套

10—测端11—被测工件

12—基准面电感式滚柱直径分选装置滚柱直径分选装置图

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）

电感式滚柱直径分选装置测微仪圆柱滚子电感式滚柱直径分选装置（外形）

滑道分选仓位轴承滚子外形（参考中原量仪股份有限公司资料）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（参考无锡市通达滚子有限公司资料）废料仓电感式滚柱直径分选装置（机械结构放大）汽缸控制键盘直径测微装置长度测微装置滑道机械及气动元件电感测微器汽缸

气水分离器（供气三联件）储气罐导气管

气压表（0.4MPa左右）电感式滚柱直径分选界面

分选结果基本符合正态分布二、差动变压器式厚度测量原理电感式不圆度计原理该圆度计采用旁向式电感测微头电感式不圆度测试系统旁向式电感测微头电感式不圆度测量系统外形

（参考洛阳汇智测控技术有限公司资料）旋转盘测量头不圆度测量打印电感式轮廓仪

旁向式电感测微头三、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—安装底座一次仪表与

4~20mA二线制输出方式

压力变送器已经将传感器与信号处理电路组合在一个壳体中，这在工业中被称为一次仪表。一次仪表的输出信号可以是电压，也可以是电流。由于电流信号不易受干扰，且便于远距离传输（可以不考虑线路压降），所以在一次仪表中多采用电流输出型。4~20mA二线制输出方式

新的国家标准规定电流输出为4～20mA；电压输出为1～5V(旧国标为0～10mA或0`2V)。4mA对应于零输入，20mA对应于满度输入。

不让信号占有0～4mA这一范围的原因，一方面是有利于判断线路故障（开路）或仪表故障；另一方面，这类一次仪表内部均采用微电流集成电路，总的耗电还不到4mA，因此还能利用0～4mA这一部分“本底”电流”为一次仪表的内部电路提供工作电流，使一次仪表成为两线制仪表。

4~20mA二线制输出方式

所谓二线制仪表是指仪表与外界的联系只需两根导线。多数情况下，其中一根（红色）为+24V电源线，另一根（黑色）既作为电源负极引线，又作为信号传输线。在信号传输线的末端通过一只标准负载电阻（也称取样电阻）接地（也就是电源负极），将电流信号转变成电压信号。

4~20mA二线制仪表接线方法（4~20mA）如何将电流信号转变成电压信号在信号传输线的末端通过一只标准负载电阻（也称取样电阻）接地（也就是电源负极），将电流信号转变成电压信号。取样电阻的计算：在下图中，若取样电阻RL=250.0，则对应于4～20mA的输出电压Uo为1～5V。（4~20mA）4~20mA二线制数显表外形及计算

在上一张图中，若取样电阻RL=500.0，则对应于4~20mA的输出电流，输出电压Uo为多少？休息一下2023/2/453在这一章里，要给大家介绍电涡流传感器的基本原理、特性和应用。电涡流传感器主要用于金属探测（安全检测等）、微小位移和振动测量，以及转速、表面状态等诸多与电涡流有关的参数，还可以用于无损探伤及接近开关。电涡流传感器的最大特点是非接触测量。任务三电涡流传感器2023/2/454我们先来看一个实验。取一只直径为300mm左右的空心线圈，接到金属探测器的高频激励电流输出端。当线圈接近一块金属，这时我们会发现与检测电路相连的耳机里的声音音调变尖。小实验第一节电涡流传感器工作原理2023/2/455第一节电涡流传感器工作原理电涡流效应演示

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，等效电阻R增大，流过电涡流线圈的电流i1增大。

电涡流的应用

——在我们日常生活中经常可以遇到

干净、高效的电磁炉电磁炉内部的励磁线圈电磁炉的工作原理

高频电流通过励磁线圈，产生交变磁场，在铁质锅底会产生无数的电涡流，使锅底发热，烧开锅内食物。第二节电涡流传感器结构及特性

电涡流探头外形交变磁场电涡流探头内部结构

1—电涡流线圈2—探头壳体3—壳体上的位置调节螺纹

4—印制线路板5—夹持螺母6—电源指示灯

7—阈值指示灯8—输出屏蔽电缆线9—电缆插头

CZF-1系列传感器的性能

分析上表请得出结论：探头的直径与测量范围及分辨力之间有何关系？2023/2/462大直径电涡流探雷器第三节测量转换电路

一、调幅式（AM）电路

石英振荡器产生稳频、稳幅高频振荡电压(100kHz~2MHz）用于激励电涡流线圈。金属材料在高频磁场中产生电涡流，引起电涡流线圈两端电压的衰减，输出电压Uo反映了金属体对电涡流线圈的距离。部分常用材料对振荡器振幅的衰减系数二、调频（FM）式电路(100kHz~1MHz）

当电涡流线圈与被测体的距离x改变时，电涡流线圈的电感量L也随之改变，引起LC振荡器的输出频率变化。如果要用模拟仪表进行显示或记录时，必须使用鉴频器，将f转换为电压Uo。并联谐振回路的谐振频率第四节电涡流传感器的应用

一、位移测量

电涡流位移传感器是一种输出为模拟量的电子器件。当金属物体接近此感应面时，金属表面将吸取电涡流探头中的高频振荡能量，使振荡器的输出幅度线性地衰减，根据衰减量的变化或振荡频率的变化，可计算出与被检物体的距离、振动等参数。这种位移传感器属于非接触测量，工作时不受灰尘等因素的影响，可在各种恶劣条件下使用。位移测量仪

位移测量包含：偏心、间隙、位置、倾斜、弯曲、变形、移动、圆度、冲击、偏心率、冲程、宽度等。来自不同应用领域的许多量都可归结为位移或间隙变化。数显位移测量仪及探头2023/2/469

偏心和振动检测2023/2/470通过测量间隙来测量径向跳动2023/2/471测量弯曲、波动、变形

对桥梁、丝杆等机械结构的振动测量，须使用多个传感器。测量金属薄膜、板材厚度电涡流测厚仪

测量冷轧板厚度导向辊的材料可以用金属制作吗？2023/2/473测量尺寸、公差及零件识别

通过测量间隙来测定热膨胀引起的上下平移2023/2/474测量封口机工作间隙间隙越大，电涡流越小电涡流位移传感器的应用

电涡流探头线圈的阻抗受诸多因素影响，例如金属材料的厚度、尺寸、形状、电导率、磁导率、表面因素、距离等，因此电涡流传感器的应用领域十分广泛，但也同时带来许多不确定因素，一个或几个因素的微小变化就足以影响测量结果。所以电涡流传感器多用于定性测量。在用作定量测量时，必须采用逐点标定、计算机线性纠正、温度补补偿等措施。

位移的标定方法

使用千分尺，逐一对照测量电路的输出电压及数显表读数，列出对照表，存入计算机，从而达到线性化的目的。2023/2/477二、转速测量

若转轴上开z个槽(或齿)，频率计的读数为f（单位为Hz），则转轴的转速n（单位为r/min）的计算公式为

2023/2/478齿轮转速测量

例：下图中，设齿数z=48，测得频率f=120Hz，请按上述公式该齿轮的转速n

。2023/2/479电动机转速测量三、电涡流式通道

安全检查门

安检门的内部设置有发射线圈和接收线圈。当有金属物体通过时，交变磁场就会在该金属导体表面产生电涡流，会在接收线圈中感应出电压，计算机根据感应电压的大小、相位来判定金属物体的大小。2023/2/481安检门演示当有金属物体穿越安检门时报警在安检门的上中下中，安装多个电涡流线圈，有金属穿过时，对应位置报警。还在一侧安装一台“软x光”扫描仪，它能显示衣服里头的物体形状和密度，对人体、胶卷无害。

2023/2/482四、电涡流表面探伤

手持式裂纹测量仪油管探伤滚子涡流探伤机

滚子涡流探伤机是由计算机控制的轴承滚子表面微裂纹探伤的专用设备，可探出深30μm的表面微小裂纹。（参考无锡市通达滚子有限公司资料）2023/2/484手提式探伤仪外形

（参考厦门爱德华检测设备有限公司资料）2023/2/485掌上型

电涡流

探伤仪2023/2/486用掌上型电涡流探伤仪检测飞机裂纹2023/2/487台式电涡流探伤仪2023/2/488花瓣阻抗图第五节接近开关简介

接近开关又称无触点行程开关。它能在一定的距离（几毫米至几十毫米）内检测有无物体靠近。当物体进入其设定距离范围内时，就发出“动作”信号，该信号属于开关信号（高电平或低电平）。接近开关能直接驱动中间继电器。多数接近开关已将感辨头和测量转换电路做在同一壳体内，壳体上多带有螺纹或安装孔，以便于安装和调整。接近开关的应用已远超出行程开关的行程控制和限位保护范畴。它可以用于高速计数、测速，确定金属物体的存在和位置，测量物位等。2023/2/490

接近开关的核心部分是“感辨头”，它对正在接近的物体有很高的感辨能力。在生物界，眼镜蛇的尾部能感辨出人体发出的红外线；而电涡流探头能感辨金属导体的靠近。应变片、电位器之类的传感器无法用于接近开关，因为它们属于接触式测量。知识沙龙2023/2/491接近开关外形2023/2/492接近开关外形2023/2/4934~20mA电涡流位移传感器外形（参考德国图尔克公司资料）齐平式电涡流位移传感器外形（参考德国图尔克公司资料）

齐平式传感器安装时可以不高出安装面，不易被损害。2023/2/495V系列电涡流位移传感器外形（参考浙江洞头开关厂资料）齐平式接近开关的术语解释

接近开关的安装方式：分齐平式和非齐平式。齐平式（又称埋入型）的接近开关表面可与被安装的金属物件形成同一表面，不易被碰坏，但灵敏度较低；非齐平式（非埋入安装型）的接近开关则需要把感应头露出一定高度，否则将降低灵敏度。2023/2/497接近开关的安装方式齐平式安装非齐平式安装2023/2/498接近开关外形（续）一、常用的接近开关分类

常用的接近开关有电涡流式（以下简称电感接近开关）、电容式、磁性干簧开关、霍尔式、光电式、微波式、超声波式等。二、接近开关的特点

接近开关与被测物不接触、不会产生机械磨损和疲劳损伤、工作寿命长、响应快、无触点、无火花、无噪声、防潮、防尘、防爆性能较好、体积小、安装、调整方便；缺点是触点容量较小、输出短路时易烧毁。

三、电涡流接近开关

（即：电感接近开关）的工作原理

电感接近开关由LC高频振荡器和放大处理电路组成，金属物体在接近辨头时，表面产生涡流。这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。这种接近开关所能检测的物体必须是导电性能良好的金属物体。2023/2/4102四、电涡流接近开关原理框图2023/2/4103五、常见接近开关的型号说明

（摘自浙江·洞头开关厂资料）2023/2/4104六.接近开关的主要性能指标：

额定动作距离、工作距离、动作滞差、重复定位精度（重复性）、动作频率等。接近开关的术语解释（1）1.动作（检测）距离:被测体按一定方式移动时，从基准位置（接近开关的感应表面）到开关动作时测得的基准位置到检测面的空间距离的标称值。

2.设定距离：指整定距离，一般为额定动作距离的0.8倍，以保证工作可靠。

3.复位距离：接近开关动作后，又再次复位时的与被测物的距离，它略大于动作距离。

4.回差值:动作距离与复位距离之间的绝对值。回差值越大，对外界的干扰以及被测物的抖动等的抗干扰能力就越强。2023/2/4106接近开关的检测距离与回差接近开关的术语解释（2）

标准检测体：可与现场被检金属作比较的标准金属检测体。标准检测体通常为正方形的A3钢，厚度为1mm，所采用的边长是接近开关检测面直径的2.5倍。不同材料的金属检测物对电涡流接近开关动作距离的影响（以Fe为参考金属）

对于非磁性材料，被测体的电导率越高，则灵敏度越高；被测体是磁性材料时，其磁导率将影响电涡流线圈的感抗，其磁滞损耗还将影响电涡流线圈的Q值。磁滞损耗大时，其灵敏度通常较高。接近开关的术语解释（3）

响应频率f：按规定，在1秒的时间间隔内，接近开关动作循环的最大次数，重复频率大于该值时，接近开关无反应。响应时间t：接近开关检测到物体时刻到接近开关出现电平状态翻转的时间之差。可用公式换算：

t=1/f2023/2/4110响应频率及响应时间示意图四线制电涡流位移传感器的接线说明

有的位移传感器同时具备两种动作输出状态，可选