位移传感器的原理及应用.ppt

1、,第4章 位移传感器,4.1 位移传感器引入 电梯超载 植物生长过程检测,4.2 电感式传感器,工作原理,线圈自感,线圈总磁链,单位：韦伯； I通过线圈的电流，单位：安培； W线圈的匝数； Rm磁路总磁阻，单位：1/亨。,a)气隙型 b)截面型 c)螺管型 自感式传感器原理图,l i 各段导磁体的长度； U i各段导磁体的磁导率； S i 各段导磁体的截面积； 空气隙的厚度； U0 真空磁导率 S 空气隙截面积,变气隙型传感器 变截面型传感器,线圈中放入圆形衔铁 可变自感 螺管型传感器。,上一页,返 回,下一页,变面积式自感传感器,传感器气隙长度保持不变，令磁通截面积随被测非电量而变，设铁芯材

2、料和衔铁材料的磁导率相同，则此变面积自感传感器自感L为,灵敏度,变面积式自感传感器在忽略气隙磁通边缘效应的条件下， 输入与输出呈线性关系；因此可望得到较大的线性范围。 但是与变气隙式自感传感器相比，其灵敏度降低。,上一页,返 回,下一页,螺线管式自感传感器,1-螺线管线圈； 2-螺线管线圈； 3-骨架； 4-活动铁芯,L10，L20分别为线圈、的初始电感值；rc为活动铁心半径，2lc为活动铁心长度,上一页,返 回,下一页,(3.1.21),1 传感器引线 2 铁心套筒 3 磁芯 4 电 感 线 圈 5 弹 簧 6 防转件 7 滚 珠 导 轨 8 测 杆 9 密封件 10玛瑙测端,自感式位移传感

3、器,电感式位移传感器,电感式传感器是利用改变磁路几何尺寸、磁体位置来改变电感或互感的电感量或压磁效应原理制成的。主要用于位移、压力、力、振动、加速度等参数的测量。,电感式接近开关(非埋入式),DC1030V，三线NPN输出，常开。检测距离：5mm。安装时接近开关检测面不可以和周围金属齐平面。,电感式接近开关（埋入式）,DC1224V，三线NPN输出，常开。检测距离：4mm。能检测金属物体，特别对铁金属，但选择非铁金属时，其检测距离会大大的缩短。性能稳定，是最常用的检测方法。安装时接近开关检测面和周围金属齐平面。,4.3 差动变压器,差动变压器是把被测的非电量变化转换成线圈互感量的变化。这种传感

4、器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组用差动的形式连接，故称之为差动变压器式传感器。 变隙式 变面积式 螺线管式,(a)、(b) 变隙式差动变压器； (c)、(d) 螺线管式差动变压器； (e)、(f) 变面积式差动变压器,上一页,返 回,下一页,变隙式差动变压器,当一次侧线圈接入激励电压后，二次侧线圈将产生感应电压输出 互感变化时，输出电压将作相应变化,上一页,返 回,下一页,两个初级绕组的同名端顺向串联， 而两个次级绕组的同名端则反向串联。,当没有位移时，衔铁C处于初始平衡位置， 它与两个铁芯的间隙为a0 =b0=0 两个次级绕组的互感电势相等，即e2a=e2b。 由于次级绕组反向串

5、联，因此，差动变压器输出电压 当被测体有位移时，与被测体相连的衔铁的位置将发生相应的变化， 使ab 两次级绕组的互感电势e2ae2b，输出电压 电压的大小反映了被测位移的大小，通过用相敏检波等电路处理， 使最终输出电压的极性能反映位移的方向。,1. 工作原理,上一页,返 回,下一页,螺线管式差动变压器,上一页,返 回,下一页,. 工作原理,-活动衔铁；-导磁外壳； -骨架；-匝数为W1初级绕组； -匝数为W2a的次级绕组； -匝数为W2b的次级绕组,上一页,返 回,下一页,当初级线圈绕组加上适当频率的电压激励时，在两个绕组W2A和W2B产生感应电动势 和 ，当活动衔铁处于初始平衡位置时， 则

6、当活动衔铁偏离平衡位置时，则,图3.2.6 差动变压器输出电压特性曲线,上一页,返 回,下一页,力和力矩的测量,1线圈 2衔铁 3弹性元件,优点：承受轴向力时应力分布均匀； 当长径比较小时，受横向偏心的分力的影响较小。,微小位移的测量,1测端 2防尘罩 3轴套 4圆片簧 5测杆 6磁筒 7磁芯 8线圈 9弹簧 10导线,21,电感式滚柱直径分选装置,3.2.8 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）,2020/6/23,22,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

7、份有限公司资料）,2020/6/23,23,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,24,粗糙度仪外形,25,电感式轮廓仪,旁向式电感 测微头,26,电感式不圆度计原理,该圆度计采用旁向式电感测微头,27,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,28,涡流式传感器的变换原理： 利用金属导体在交流磁场中的涡流效应。,4.4 涡流传感器,涡流：,成块的金属置于变化的磁场中，或者在固定磁场中运动时，金属导体内就要产生感应电流，这种电流的流线在金属内是闭合的，所以称为涡流。,存在交变磁场； 导体处

8、于交变磁场中。,涡流产生的必要条件是：,29,高频反射式涡流传感器工作原理,图3.2.11 涡流的发生,30,涡流式传感器的应用 涡流式传感器主要用于位移、振动、转速、距离、厚度等参数的测量。 由于涡流式传感器测量范围大、灵敏度高、结构简单、抗干扰能力强以及可以非接触测量等优点，广泛用于工业生产和科学研究的各个领域。,31,位移测量 它可以用来测量各种形式的位移量。图3.2.12是位移计测量示意图。(a)为汽轮机主轴的轴向位移测量示意图；(b)为磨床换向阀、先导阀的位移测量示意图，(c)为金属试件的热膨胀系数测量示意图。 图3.2.12 位移计测量示意图 1-被测件；2-传感器探头,32,测量

9、注塑机开合模的间隙,偏心和振动检测,零件识别,33,振幅测量 (a)为汽轮机和空气压缩机常用的以涡流式传感器来监控主轴的径向振动的示意图； (b)为测量发动机涡轮叶片的振幅的示意图； (c)在研究轴的振动时，常需要了解轴的振动形状，做出轴振形图。通常使用数个传感器探头并排地安置在轴附近。用多通道指示仪输出至记录仪。在轴振动时，可以获得各个传感器所在位置轴的瞬时振幅，从而画出轴振形图。,图3.2.13 振幅测量示意图 1-被测体；2-传感器探头,34,测量悬臂梁的振幅及频率,汽轮机叶片测试,对桥梁、丝杆等机械结构的振动测量，须使用多个传感器。,35,厚度测量 （a）图中，当金属板1的厚度变化时，

10、将使传感器探头2与金属板间距离改变，从而引起输出电压的变化。由于在工作过程中金属板会上、下波动，这将影响测量精度。,图3.2.14 厚度计测量示意图 1-被测物；2-传感器探头,36,在被测板1的上、下方各装一个传感器探头2，其间距离为D，而它们与板的上、下表面分别相距 x1和x2，这样板厚 ，当两个传感器在工作时分别测得x1和x2 ，转换成电压值后相加。相加后的电压值与两传感器间距离D对应的设定电压再相减，就得到与板厚相对应的电压值。,37,涂层厚度仪,测量线路板的铜膜厚度,38,转速测量 在一个旋转体上开一条或数条槽如图3.2.15(a)所示，或者做成齿，如图3.2.15(b)所示，旁边安

11、装一个涡流传感器。当旋转体转动时，涡流传感器将周期性地改变输出信号，此电压经过放大、整形，可用频率计指示出频率数值。此值与槽数和被测转速有关，即,图3.2.15 转速测量,涡流传感器,39,涡流探伤 可以用来检查金属的表面裂纹、热处理裂纹以及用于焊接部位的探伤等。 裂纹将引起金属的电阻率、磁导率的变化。在裂纹处也可以说有位移值的变化。这些综合参数( )的变化将引起传感器参数的变化，通过测量传感器参数的变化即可达到探伤的目的。,40,在探伤时，重要的是缺陷信号和干扰信号比。为了获得需要的频率而采用滤波器，如图3.3.16(a)所示，需要进一步抑制干扰信号，可采用幅值甄别电路。把这一电路调整到裂缝

12、信号正好能通过的状态，凡是低于裂缝信号都不能通过这一电路，这样干扰信号都抑制掉了。如图3.2.16(b)所示。,图3.2.16 用涡流探伤时的测量信号,41,电涡流探伤仪,电涡流焊管探伤,电涡流裂纹探测,电涡流传感器,1.工作原理及类型,S 极板相对覆盖面积； d 极板间距离； r相对介电常数； 0真空介电常数，； 电容极板间介质的介电常数。,4.5 电容式传感器,变极距(）型: (a)、(e) 变面积型(S)型: (b)、(c)、(d)、(f)、(g) （h） 变介电常数( )型: （i）(l),上一页,返 回,下一页,2. 变极距型电容传感器,C与 非线性关系,若d/d1时，则式（3.3.

13、3）可简化为,若极距缩小d,最大位移应小于间距的1/10,初始电容,上一页,返 回,下一页,在实际应用中，采用差动式改善其非线性,3. 变面积型电容传感器,当动极板相对于定极板沿着长度 方向平移时，其电容变化量化为,C与x间呈线性关系,上一页,返 回,下一页,电容式角位移传感器,当=0时,当0时,传感器电容量C与角位移间呈线性关系,上一页,返 回,下一页,4. 变介电常数型电容式传感器,初始电容,电容式液位传感器,电容与液位的关系为：,上一页,返 回,下一页,可见，传感器的电容量正比于液位的高度h,当L=0时，若 传感器的初始电容,上一页,返 回,下一页,b0为极板的宽度,电容变化量与电介质移

14、动量L呈线性关系,当被测电介质进入极板间L深度后，引起电容相对变化量为,电容式传感器的应用,1. 电容式差压传感器 2. 电容式加速度传感器 3. 电容式振动位移传感器 4. 容栅式传感器,上一页,返 回,下一页,电容式差压传感器,结构简单、灵敏度高、响应速度快(约100ms) 能测微小压差(00.75Pa)、真空或微小绝对压力 需把膜片的一侧密封并抽成高真空(10-5Pa)即可,上一页,返 回,下一页,1151差压变送器,1、5 固定极板 2壳体 3簧片 4 质量块 6 绝缘体 精度较高，频率响应范围宽，量程大，可以测很高的加速度,电容式加速度传感器,上一页,返 回,下一页,a)测振幅,b)

15、测轴回转精度和轴心偏摆,电容式位移传感器应用,上一页,返 回,下一页,电容式称重传感器,59,电容式接近开关,属于一种具有开关量输出的位置传感器，它由LC高频振荡电路、信号转换处理电路等部分组成 当没有物体靠近感应电极时，感应电极与大地间的电容量C非常小，LC高频振荡器正常振荡。 当被检测物体（如与大地有很大分布电容的人体、液体等）靠近感应电极时，感应电极对地电容C增大，使得高频振荡器的振荡减弱直至停振。,60,电容式接近开关在物位测量控制中的应用,电荷平衡式位移传感器,可变电压VM与测头的位置成比例 已在类似于孔径测量仪等便携式测量工具中应用。,上一页,返 回,下一页,4. 容栅式传感器,(1) 基本类型及工作原理 (2) 容栅式传感器应用,上一页,返 回,下一页,(1) 基本类型及工作原理,长容栅 圆容栅,片状 柱状,上一页,下一页,返 回,长容栅,上一页,下一页,返 回,n动尺栅级片数 a , b栅极片长度和宽度,上一页,下一页,返 回,片状圆