机械传感测试课件

4-2自感式传感器

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。

8/5/202314-2自感式传感器先看一个实验：将一只380V交电感传感器的基本工作原理演示F220V准备工作8/5/20232电感传感器的基本工作原理演示F220V准备工作7/30/20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F8/5/20233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F7电感传感器的基本工作原理当铁心的气隙较大时，磁路的磁阻Rm也较大，线圈的电感量L和感抗XL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。

8/5/20234电感传感器的基本工作原理当铁心的气隙较自感式电感传感器常见的形式

变隙式变截面式螺线管式

8/5/20235自感式电感传感器常见的形式变隙式变截面式电感量计算公式

：

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；：气隙厚度。

8/5/20236电感量计算公式：请分析电感量L与气隙厚差动电感传感器的特点

请分析：灵敏度、线性度有何变化曲线1、2为L1、L2的特性，3为差动特性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

8/5/20237差动电感传感器的特点请分析：灵敏度、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。

8/5/20238差动式电感传感器的特性从曲线图可以看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（的幅值），还可以反映位移的方向（的相位）。这种检波电路称为相敏检波电路。8/5/20239测量转换电路测量转换电路的作用是将电感量的变化转图3-7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

8/5/202310图3-7相敏检波输出特性曲线a）非相敏检波b）二差动变压器式传感器

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。＋8/5/202311二差动变压器式传感器电源中用到的“单相变压

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。8/5/202312结构特点：请将二次线圈N21、N2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。

8/5/202313差动变压器式传感器的工作原理差动变压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。8/5/202314灵敏度与线性度差动变压器的灵敏度一般测量电路

（以差动整流为例）若Ｃ1、Ｃ2虚焊，Uao、Ubo将变成什么波形？8/5/202315测量电路（以差动整流为例）若Ｃ1、Ｃ2三电感式传感器的应用

位移测量

轴向式电感测微器的外形

航空插头红宝石测头8/5/202316三电感式传感器的应用位移测量轴向式电感测微器模拟式及数字式电感测微仪8/5/202317模拟式及数字式电感测微仪7/30/202317电感式不圆度计该圆度计采用旁向式电感测微头8/5/202318电感式不圆度计该圆度计采用旁向式电感测微头7/30/202电感式不圆度测试系统旁向式电感测微头8/5/202319电感式不圆度测试系统旁向式电感测微头7/30/202319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8/5/202320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不圆度测量打印8/5/202321不圆度测量打印7/30/202321电感式轮廓仪旁向式电感测微头8/5/202322电感式轮廓仪旁向式电感测微头7/30/202322电感传感器在粗糙度测量中的应用

——手持式粗糙度仪

•触针:金刚石圆锥；

•针尖圆弧半径：5μm；

•可存储500个粗糙度参数值及4组轮廓数据；

•可进行粗糙度参数的打印；

•可对外圆、内孔、轴肩、圆锥面等各种复杂表面进行测试；8/5/202323电感传感器在粗糙度测量中的应用

——手持式粗糙度粗糙度仪外形金刚石测头8/5/202324粗糙度仪外形金刚石测头7/30/202324粗糙度测量结果打印（1）8/5/202325粗糙度测量结果打印（1）7/30/202325粗糙度测量结果打印（2）8/5/202326粗糙度测量结果打印（2）7/30/202326一次仪表与4~20mA二线制输出方式图3-17所示的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。8/5/202327一次仪表与4~20mA二线制输出方式某一压力变送器的测量电路

8/5/202328某一压力变送器的测量电路7/30/20234~20mA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。8/5/2023294~20mA二线制输出方式新的国家标准规定电流输出为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。

8/5/2023304~20mA二线制输出方式所谓二线制4~20mA二线制仪表接线方法4~20mA8/5/2023314~20mA二线制仪表接线方法4~20mA7/30/2023有一台两线制压力变送器，量程范围为0~1MPa，对应的输出电流为4~20mA。请将下图中的各元器件及仪表正确地连接起来。

8/5/202332有一台两线制压力变送器，量程范围为0~1MPa，对应的输出电例：有一台两线制压力变送器，量程范围为0~1MPa，对应的输出电流为4~20mA。求：1）压力p与输出电流I的关系表达式（输入/输出方程）。2）画出压力与输出电流间的输入/输出特性曲线。3）当p为0MPa、1MPa和0.5MPa时变送器的输出电流。4）如果希望在信号传输终端将电流信号转换为1~5V电压，求负载电阻RL的阻值。5）如果测得变送器的输出电流为5mA，求此时的压力p。8/5/202333例：有一台两线制压力变送器，量程范围为0~1MPa，对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2~10V。

8/5/2023344~20mA二线制数显表外形及计算在上一张图中，若取

四电涡流传感器电涡流效应演示

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。感抗XL的变化比R的变化大得多，流过电涡流线圈的电流i1增大。8/5/202335四电涡流传感器电涡流效应演示当电涡流电涡流的应用

——在我们日常生活中经常可以遇到干净、高效的电磁炉8/5/202336电涡流的应用

——在我们日常生活中经常可以遇到电磁炉内部的励磁线圈8/5/202337电磁炉内部的励磁线圈7/30/202337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，使锅底自行发热，烧开锅内的食物。8/5/202338电磁炉的工作原理高频电流通过励磁线圈电涡流传感器结构及特性

电涡流探头外形交变磁场8/5/202339电涡流传感器结构及特性电涡流探头外形交变磁场7/30/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

8/5/202340电涡流探头内部结构1—电涡流线圈2—探头壳体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？

8/5/202341CZF-1系列传感器的性能分析上表请得出结论：7/3大直径电涡流探雷器8/5/202342大直径电涡流探雷器7/30/202342测量转换电路1、调幅式（AM）电路石英振荡器产生稳频、稳幅高频振荡电压(100kHz~1MHz）用于激励电涡流线圈。金属材料在高频磁场中产生电涡流，引起电涡流线圈端电压的衰减，再经高放、检波、低放电路，最终输出的直流电压Uo反映了金属体对电涡流线圈的影响（例如两者之间的距离等参数）。8/5/202343测量转换电路1、调幅式（AM）电路石英振荡器产部分常用材料对振荡器振幅的衰减系数人的手、泥土或装满水的玻璃杯能对振荡器的振幅产生明显的衰减吗？为什么？

8/5/202344部分常用材料对振荡器振幅的衰减系数人2、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，此频率可直接用计算机测量。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。

8/5/2023452、调频（FM）式电路(100kHz~1MHz）现要求在自行车的适当位置安装一套传感器及有关电路，使之能显示出车速（km/h）、及累计公里数(km)，当车速未达到设定值（vmin）时绿色ＬＥＤ闪亮，提示运动员加速；当累计公里数达到设定值(Lmax)时，红色LED闪亮、喇叭响,提示运动员停下休息，计数器同时复位，为下一个行程作准备。8/5/202346现要求在自行车的适当位置安装一套传感器及有关电路，使之能显示非接触传感器的安装位置显示器的安装位置8/5/202347非接触传感器的安装位置显示器的安装位置7/30/202347电涡流传感器的应用

1.位移测量

电涡流位移传感器是一种输出为模拟电压的电子器件。接通电源后，在电涡流探头的有效面（感应工作面）将产生一个交变磁场。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，可地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，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，寿命较长，可在各种恶劣条件下使用。8/5/202348电涡流传感器的应用1.位移测量位移测量仪

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8/5/202349位移测量仪位移测量包含：数显位移测量仪及探4~20mA电涡流位移传感器外形（参考德国图尔克公司资料）8/5/2023504~20mA电涡流位移传感器外形（参考德国图尔克公司资料）7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。8/5/202351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V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8/5/202352V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7V系列电涡流位移传感器性能一览表

（摘自洞头开关厂资料）

8/5/202353V系列电涡流位移传感器性能一览表

（摘自洞头开关厂资料）7某V系列电涡流位移传感器的机械图8/5/202354某V系列电涡流位移传感器的机械图7/30/202354四线制电涡流位移传感器的接线说明该位移传感器同时具备两种动作输出状态，用户可选择从高电压向低电压转变、和从低电压向高电压转变两种方式，分别称为NPN和PNP输出模式，俗称为常开输出或常闭输出模式。8/5/202355四线制电涡流位移传感器的接线说明该位移传感器同时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。只要固定其他因素就可以用电涡流传感器来测量剩下的一个因素。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。即使要用作定量测量，也必须采用逐点标定、计算机线性纠正、温度补补偿等措施。

8/5/202356电涡流位移传感器的应用电涡流探头线圈偏心和振动检测8/5/202357偏心和振动检测7/30/202357通过测量间隙来测量径向跳动8/5/202358通过测量间隙来测量径向跳动7/30/202358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。8/5/202359测量弯曲、波动、变形对桥梁、丝杆等机械结构的振动测量板材厚度电涡流测厚仪

测量冷轧板厚度8/5/202360测量板材厚度电涡流测厚仪测量冷轧板厚度7/30/20236零件计数8/5/202361零件计数7/30/202361测量封口机工作间隙间隙越大，电涡流越小8/5/202362测量封口机工作间隙间隙越大，电涡流越小7/30/202362测量注塑机开合模的间隙间距8/5/202363测量注塑机开合模的间隙间距7/30/202363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