电感传感器解析ppt课件.ppt

2022-6-61 本章学习本章学习自感式传感器和差自感式传感器和差动变压器的结构、工作原理、测动变压器的结构、工作原理、测量电路量电路以及他们的应用，掌握一以及他们的应用，掌握一次仪表的相关知识。次仪表的相关知识。第三章第三章 电感式传感器电感式传感器 2022-6-62第一节第一节 自感式传感器自感式传感器 先看一个实验：先看一个实验： 将一只将一只380V交流接触器线圈与交流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毫安表串联后，接到机床用控制变压器的的36V交流电压源上，如图交流电压源上，如图4-1所示。这所示。这时毫安表的示值约为几十毫安。用手慢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。零时，毫安表的读数只剩下十几毫安。 2022-6-63电感传感器的基本工作电感传感器的基本工作原理演示原理演示F F220V准备工作准备工作2022-6-64电感传感器的基本工作电感传感器的基本工作原理演示原理演示气隙变小，电感变大，电流变小气隙变小，电感变大，电流变小F F2022-6-65电感传感器的基本工作电感传感器的基本工作原理原理 当铁心的气隙较大时，磁路的磁阻当铁心的气隙较大时，磁路的磁阻Rm也也较大，线圈的电感量较大，线圈的电感量L和感抗和感抗XL 较小，所以较小，所以电流电流I 较大。当铁心闭合时，磁阻变小、电较大。当铁心闭合时，磁阻变小、电感变大，电流减小。感变大，电流减小。 (3 1)2LUUUIZXfL2022-6-66自感式电感传感器常见的形式自感式电感传感器常见的形式 变隙式变隙式 变截面式变截面式 螺线管式螺线管式 2022-6-67电感量计算公式电感量计算公式 ： 请分析电感量请分析电感量L与气隙厚度与气隙厚度 及气隙的有效截及气隙的有效截面积面积A之间的关系，并讨论有关线性度的问题。之间的关系，并讨论有关线性度的问题。20 2NALN：线圈匝数；：线圈匝数；A ：气隙的有效截面积；：气隙的有效截面积； 0 ：真空磁导率；：真空磁导率； ：气隙厚度。气隙厚度。 2022-6-68差动电感传感器的特点差动电感传感器的特点 请分析：灵敏度、请分析：灵敏度、 线性度线性度有何变化有何变化曲线曲线1、2为为L1、L2 的特性，的特性，3为差动特性为差动特性 在变隙式差动电感传感在变隙式差动电感传感器中，当衔铁随被测量移动器中，当衔铁随被测量移动而偏离中间位置时，两个线而偏离中间位置时，两个线圈的电感量一个增加，一个圈的电感量一个增加，一个减小，形成差动形式。减小，形成差动形式。 1-1-差动线圈差动线圈 2-2-铁心铁心 3-3-衔铁衔铁 4-4-测杆测杆 5-5-工件工件 2022-6-69差动式电感传感器的特性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。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。吸力也较小，从而减小了测量误差。 2022-6-610测量转换电路测量转换电路 测量转换电路的作用是将电感量的变化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，以便用仪表指示转换成电压或电流的变化，以便用仪表指示出来。出来。但若仅但若仅采用电桥电路和普通的检波电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。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方向（的相位）。这种检波电路称为相敏检波电路波电路。2022-6-611图图3-7 3-7 相敏检波相敏检波输出特性曲线输出特性曲线a）非相敏检波）非相敏检波 b）相敏检波）相敏检波1理想特性曲线理想特性曲线 2实际特性曲线实际特性曲线 2022-6-612实测得到的实测得到的 相敏检波电路相敏检波电路的特性曲线的特性曲线 通过调零通过调零电路，可使输电路，可使输出曲线平移到出曲线平移到原点。原点。标定位移时的实验数据及曲线标定位移时的实验数据及曲线2022-6-613第二节第二节 差动变压器式传感器差动变压器式传感器 电源中用到的电源中用到的“单相变压器单相变压器”有一个一次线圈（又称为初有一个一次线圈（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加上交流激磁电压Ui后，将在二次线圈中产生感应电压后，将在二次线圈中产生感应电压UO O。在。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。圈的电压之和。 请请将将单相变压单相变压器器二次线圈二次线圈N21、N22的有关端点按的有关端点按全波整流电路的要全波整流电路的要求求正确地连接起来。正确地连接起来。2022-6-614差动变压器式传感器的工作原理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线圈与二次线圈间的互感量M的变化的装置。当一次的变化的装置。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。目前应用最广泛的结构型式是螺线管式差动变压器。压器。 差动变压器的结构原理如图差动变压器的结构原理如图3-8所示。在线框上绕所示。在线框上绕有一组输入线圈（称一次线圈）；在同一线框的上端有一组输入线圈（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），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。理想差动变压器它们反向串联，组成差动输出形式。理想差动变压器的原理如图的原理如图3-9。图中标有黑点的一端称为同名端，通。图中标有黑点的一端称为同名端，通俗说法是指线圈的俗说法是指线圈的“头头”。 2022-6-615差动变压器式传感器的等效电路差动变压器式传感器的等效电路 结构特点：结构特点： 两个二次线圈反两个二次线圈反向串联，组成差向串联，组成差动输出形式。动输出形式。 请将二次请将二次线圈线圈N21、N22的的有关端点正确地有关端点正确地连接起来，并指连接起来，并指出哪两个为输出出哪两个为输出端点。端点。2022-6-616灵敏度与线性度灵敏度与线性度 差动变压器的灵敏度一般可达差动变压器的灵敏度一般可达0.55V/mm，行程越小，灵敏度越高。行程越小，灵敏度越高。 为了提高灵敏度，励磁电压在为了提高灵敏度，励磁电压在10V左右为左右为宜。电源频率以宜。电源频率以110kHz为好。为好。 差动变压器线性范围约为线圈骨架长度的差动变压器线性范围约为线圈骨架长度的1/10左右左右。 例：欲测量例：欲测量20mm 2mm轴的直径误轴的直径误差，应选择差，应选择线圈骨架长度线圈骨架长度为多少的为多少的差动变差动变压器（或压器（或电感传感器）为宜电感传感器）为宜 ？2022-6-617测量电路测量电路 （以（以差动整差动整流流为例）为例） 若若1、2虚焊，虚焊，Ua o、 Ub o将变成什么将变成什么波形？波形？2022-6-618差动整流的特点差动整流的特点 电路是以两个桥路整流后的直流电电路是以两个桥路整流后的直流电压之差作为输出的，所以称为差动整流压之差作为输出的，所以称为差动整流电路。它不但可以反映位移的大小（电电路。它不但可以反映位移的大小（电压的幅值），还可以反映位移的方向。压的幅值），还可以反映位移的方向。 上图中的上图中的RP是用来微调电路平衡的，是用来微调电路平衡的， VD1VD4、VD5VD8组成普通桥式整流电路，组成普通桥式整流电路， 3、4、3、4组成低通滤波电路，组成低通滤波电路，1及及21、22、f、23组成差动减法放大器，组成差动减法放大器，用于克服用于克服a、b两点的对地共模电压。两点的对地共模电压。 2022-6-619第第 一、二一、二 节作业节作业P56，第，第3题题2022-6-620休休 息息 一一 下下2022-6-621第三章：第三节第三章：第三节 电感式传感器的应用电感式传感器的应用 一、位移测量位移测量 轴向式电感轴向式电感 测微器的外形测微器的外形 航空插头航空插头红宝石测头红宝石测头2022-6-622其他电感测微头其他电感测微头2022-6-623模拟式及数字模拟式及数字式电感测微仪式电感测微仪2022-6-624轴向式电感测微器的内部结构轴向式电感测微器的内部结构 1 1引线电缆引线电缆 2 2固定磁筒固定磁筒 3 3衔铁衔铁 4 4线圈线圈 5 5测力弹簧测力弹簧 6 6防转销防转销 7 7钢球导轨（直线轴承）钢球导轨（直线轴承） 8 8测杆测杆 9 9密封套密封套 1010测端测端 1111被测工件被测工件 1212基准面基准面 2022-6-625二、电感式滚柱直径分选装置二、电感式滚柱直径分选装置 图图3-14 滚柱直径分选装置滚柱直径分选装置 1 1气缸气缸 2 2活塞活塞 3 3推杆推杆 4 4被测滚柱被测滚柱 5 5落料管落料管 6 6电感测微器电感测微器 7 7钨钢测头钨钢测头 8 8限位挡板限位挡板 9 9电磁翻板电磁翻板 1010容器（料斗）容器（料斗） 2022-6-626二、电感式滚柱直径分选装置二、电感式滚柱直径分选装置 测微仪测微仪圆柱滚子圆柱滚子2022-6-627电感式滚柱直径分选装置电感式滚柱直径分选装置（外形）（外形） 滑道滑道分选仓位分选仓位轴承滚子外形轴承滚子外形（参考中原量仪股份有限公司资料）（参考中原量仪股份有限公司资料）2022-6-628电感式滚柱直径电感式滚柱直径分选装置分选装置外形外形落料振动台落料振动台滑道滑道11个分选仓位个分选仓位（参考无锡市通达滚（参考无锡市通达滚子有限公司资料）子有限公司资料）废料仓废料仓2022-6-629电感式滚柱直径分选装置（电感式滚柱直径分选装置（机械结构放大）机械结构放大）汽缸汽缸控制键盘控制键盘直径测微装置直径测微装置长度测微装置长度测微装置滑道滑道2022-6-630机械及气动元件机械及气动元件电感测微器电感测微器汽缸汽缸 气水分离器气水分离器（供气三联件）（供气三联件）储气罐储气罐导气管导气管 气压表气压表（0.4MPa左右）左右）2022-6-631三、电感传感器在仿形机床中的应用三、电感传感器在仿形机床中的应用 1 1标准靠模样板标准靠模样板 2 2测端（靠模轮）测端（靠模轮） 3 3电感测微器电感测微器 4 4铣刀龙门框架铣刀龙门框架 5 5立柱立柱 6 6伺服电动机伺服电动机 7 7铣刀铣刀 8 8毛坯毛坯 2022-6-632仿形铣床外形仿形铣床外形 仿形机床仿形机床采用采用 闭环工作方式闭环工作方式仿形头仿形头主主轴轴2022-6-633仿形车床原理仿形车床原理2022-6-634四、电感式不圆度计原理四、电感式不圆度计原理 该圆度计采用该圆度计采用旁向式电感测微头旁向式电感测微头2022-6-635电感式不圆度测试系统电感式不圆度测试系统旁向式电感测微头旁向式电感测微头2022-6-636电感式不圆度测量系统外形电感式不圆度测量系统外形（参考（参考洛阳汇智测控技术有限公司资料）洛阳汇智测控技术有限公司资料）旋转盘旋转盘测量头测量头2022-6-637不圆度测量打印不圆度测量打印2022-6-638电感式轮廓仪电感式轮廓仪 旁向式旁向式电感电感 测微测微头头2022-6-639五、压力测量五、压力测量 1压力输入接头压力输入接头 2波纹膜盒波纹膜盒 3电缆电缆 4印制线路板印制线路板 5差动线圈差动线圈 6衔铁衔铁 7电源变压器电源变压器 8罩壳罩壳 9指示灯指示灯 10密封隔板密封隔板 11安装底座安装底座2022-6-640压力测量用的膜盒压力测量用的膜盒 膜盒由两片波纹膜片焊接而成。所谓波纹膜片是膜盒由两片波纹膜片焊接而成。所谓波纹膜片是一种压有同心波纹的圆形薄膜。当膜片四周固定，两一种压有同心波纹的圆形薄膜。当膜片四周固定，两侧面存在压差时，膜片将弯向压力低的一侧，因此能侧面存在压差时，膜片将弯向压力低的一侧，因此能够将压力变换为直线位移。够将压力变换为直线位移。2022-6-641六、电感传感器在粗糙度测量中的应用六、电感传感器在粗糙度测量中的应用 手持式粗糙度仪手持式粗糙度仪 触针触针: : 金刚石圆锥；金刚石圆锥；针尖圆弧半径：针尖圆弧半径：5 5mm；可存储可存储500500个粗糙度参数值及个粗糙度参数值及4 4组轮廓数据；组轮廓数据；可进行粗糙度参数的打印；可进行粗糙度参数的打印；可对外圆、内孔、轴肩、圆锥面等各种复可对外圆、内孔、轴肩、圆锥面等各种复杂表面进行测试；杂表面进行测试；2022-6-642粗糙度仪外形粗糙度仪外形金刚石测头金刚石测头2022-6-643粗糙度测量结果打印（粗糙度测量结果打印（1）2022-6-644粗糙度测量结果打印（粗糙度测量结果打印（2）2022-6-645图图3-173-17b b 某一某一压力变送器的测量电路压力变送器的测量电路 2022-6-646七、一次仪表与七、一次仪表与 420mA二线制输出方式二线制输出方式 图图3-17所示的压力变送器已经将传感器与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线路压降），所以在一次仪表中多采用电流输出型。输出型。2022-6-647420mA二线制输出方式二线制输出方式 新的国家标准规定电流输出为新的国家标准规定电流输出为420420mAmA；电压输出；电压输出为为15V(15V(旧国标为旧国标为010010mAmA或或02V)02V)。4mA4mA对应于零输对应于零输入，入，2020mAmA对应于满度输入。不让信号占有对应于满度输入。不让信号占有0404mAmA这这一范围的原因，一方面是有利于判断线路故障（开一范围的原因，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，总的耗电还不到采用微电流集成电路，总的耗电还不到4 4mAmA，因此，因此还能利用还能利用0404mAmA这一部分这一部分“本底本底”电流为一次仪表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的内部电路提供工作电流，使一次仪表成为两线制仪表。仪表。 2022-6-648420mA二线制输出方式二线制输出方式 所谓二线制仪表是指仪表与外界的联系所谓二线制仪表是指仪表与外界的联系只需两根导线。只需两根导线。多数情况下，多数情况下，其中一根（红其中一根（红色）为色）为+24+24V V电源线，另一根（黑色）既作为电源线，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。流信号转变成电压信号。 2022-6-649420mA二线制仪表接线方法二线制仪表接线方法420mA2022-6-650420mA二线制数显表外形及计算二线制数显表外形及计算 在上一张图中，若取样电阻在上一张图中，若取样电阻RL =500.0 ，则对应于则对应于420mA的输出电流，输出电压的输出电流，输出电压Uo为为210V。 2022-6-651第第 三三 节作业节作业P56，第，第4、9题题（本章作业共（本章作业共3道题）道题）2022-6-652休休 息息 一一 下下