第4章电感传感器.ppt
轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation第4章电感传感器 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation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 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation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 F 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation一、自感式一、自感式电感传感器的工作原理电感传感器的工作原理 （一）（一）变间隙型电感传感器变间隙型电感传感器 磁路总磁阻：磁路总磁阻：故：故：考虑铁磁材料的磁阻相对很小，则：考虑铁磁材料的磁阻相对很小，则：特点：灵敏、线特点：灵敏、线性差、装配难性差、装配难可见：传感器的灵敏度随气隙的增大而减小。为了改善非线性，气隙的相对变化量要很小，但过小又将影响测量范围。-因此变隙式电感式传感器适用于测量微小位移的场合 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation（二）（二）变面积型电感传感器变面积型电感传感器仍有：仍有：两种传感器的特性曲线两种传感器的特性曲线特点：灵敏稍特点：灵敏稍差、线性较好、差、线性较好、量程大。量程大。轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation电感传感器的输出特性a）变隙式电感传感器的-L特性曲线 b）变面积式电感传感器的A-L特性曲线1实际输出特性 2理想输出特性 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation（三）（三）螺管型电感式传感器螺管型电感式传感器线圈线圈衔铁衔铁总长总长线圈半径线圈半径插入长度插入长度衔铁半径衔铁半径特点：灵敏稍差、线性好、特点：灵敏稍差、线性好、量程大、易批量生产，应用量程大、易批量生产，应用广泛。广泛。有效磁导率有效磁导率 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation（四）（四）差动式电感传感器差动式电感传感器 结构要求：结构要求：两个线圈几何尺寸完全相同两个线圈几何尺寸完全相同 铁心安装完全对称。铁心安装完全对称。特点：提高灵敏度、改善线性度、可以补偿温度变化、特点：提高灵敏度、改善线性度、可以补偿温度变化、电源频率变化的影响。电源频率变化的影响。+L-L螺线管型螺线管型变间隙型变间隙型变面积型变面积型+L-L+L-L 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation二、自感式二、自感式电感传感器的测量电路电感传感器的测量电路-交流电桥交流电桥（一）（一）电阻平衡臂电桥电阻平衡臂电桥 考虑：考虑：输出对称电桥，单臂测量时：输出对称电桥，单臂测量时：双臂差动测量时：双臂差动测量时：+L-L可见：输出电压与电感的相对变化量呈近似正比关系。轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation（二）（二）变压器式电桥变压器式电桥+Z-Z当衔铁上移，使当衔铁上移，使Z1=Z+Z，Z2=Z-Z时，时，反之：反之：由于是交流电，所以要经过适当电路由于是交流电，所以要经过适当电路才能判断衔铁位移的大小和方向才能判断衔铁位移的大小和方向 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation*一种带有相敏整流的交流电桥一种带有相敏整流的交流电桥电压表读数大小反映衔铁电压表读数大小反映衔铁的位移；电压表极性反映的位移；电压表极性反映移动方向。移动方向。+L-L交交流流电电源源电电源源指指示示 衔铁在中间位置时衔铁在中间位置时,无论无论正负半周，正负半周，C、D两点等电位，两点等电位，电桥平衡，输出电桥平衡，输出UCD=0V。轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation当衔铁上移，当衔铁上移，D D点将比点将比C C点电位高，认为电压表正偏。点电位高，认为电压表正偏。+-Z1Z2电源正半周电源正半周电路分析电路分析当衔铁上移当衔铁上移+L-L降低升高 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation当衔铁上移，负半周当衔铁上移，负半周D D也比也比C C点电位高，电压表仍正偏。：点电位高，电压表仍正偏。：+L-L+-Z1Z2电源负半周电源负半周电路分析电路分析当衔铁上移当衔铁上移 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation结论：无论正负半周，只要衔铁上移，电压表头就正转。结论：无论正负半周，只要衔铁上移，电压表头就正转。位移越多，指针偏转越大。位移越多，指针偏转越大。同理：无论正负半周，只要衔铁下移，电压表头就反转。同理：无论正负半周，只要衔铁下移，电压表头就反转。位移越多，指针偏转越大。位移越多，指针偏转越大。（三）（三）紧耦合电感臂电桥紧耦合电感臂电桥该电路理论分析略。该电路理论分析略。可以消除与电感臂并联的可以消除与电感臂并联的分布电容对输出信号的影响分布电容对输出信号的影响 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation第二节第二节 差动变压器差动变压器一、工作原理一、工作原理当铁心位于正中，当铁心位于正中，当铁心左移，当铁心左移，E E2 2增大增大原边原边副边副边1 1副边副边2 2*+-注意同名端注意同名端当铁心右移，当铁心右移，E E2 2减小减小因两个副边反向串联因两个副边反向串联一次绕组一次绕组原边原边二次绕组二次绕组-副边副边1 1二次绕组二次绕组-副边副边2 2铁心铁心 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway TransportationE E2 2的计算：的计算：差动变压器的输出特性曲线：差动变压器的输出特性曲线：差动变压差动变压器器运行中存在运行中存在的问题的问题：零点残余零点残余电动势电动势主要是由传感器的两个二次绕组的电气参数和几何尺寸不对称，以及磁性材料的非线性等引起的。轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation减小零点残余电动势的方法：减小零点残余电动势的方法：1.1.从制造工艺上减小残余电动势。从制造工艺上减小残余电动势。2.2.选择利于消除残余电动势的测量电路，如相敏整流电路选择利于消除残余电动势的测量电路，如相敏整流电路3.3.采用采用补偿电路补偿电路,调整元件参数调整元件参数,消除残余电动势。消除残余电动势。减小残余电动势的减小残余电动势的补偿电路补偿电路 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation二、差动变压器的测量电路二、差动变压器的测量电路（一）（一）差动相敏检波电路差动相敏检波电路交交流流电电源源同相或反相（设同相）同相或反相（设同相）输出输出 当铁心位于正中时，电路当铁心位于正中时，电路对称，输出交流，平均为对称，输出交流，平均为0 0。轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation电压输出：电压输出：一般来说：一般来说：电源正半周电路分析电源正半周电路分析当衔铁下移当衔铁下移+-+-轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation电压输出：电压输出：平均为负。平均为负。结论：结论：衔铁下移，平均输出为负衔铁下移，平均输出为负；衔铁上移，平均输出为正！；衔铁上移，平均输出为正！电源负半周电路分析电源负半周电路分析当衔铁下移当衔铁下移+-+-轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation（二）（二）差动整流电路差动整流电路e-ee-e电路电路e+ee+eee+-+-e-ee-ee+ee+e简单电路简单电路+-ee+-差动放大差动放大差动放大差动放大衔铁下移，输出为正；衔铁下移，输出为正；衔铁上移，输出为负！衔铁上移，输出为负！轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation三、电感式传感器的应用三、电感式传感器的应用（一）（一）位移测量位移测量电感测微仪电感测微仪-LL直直流流电电压压交交流流电电源源 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation轴向式电感测微器的外形轴向式电感测微器的外形 航空插头航空插头红宝石测头红宝石测头电感测微仪的电感测微仪的轴向测试头轴向测试头引线引线线圈线圈衔铁衔铁弹簧弹簧导杆导杆测端测端 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation其他电感测微头其他电感测微头 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation模拟式及数字式电感测模拟式及数字式电感测微仪微仪 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation（二）（二）力和压力测量力和压力测量衔铁衔铁线圈线圈线圈线圈罩壳罩壳插座插座膜膜盒盒接接头头弹性弹性体体差动变压器式力传感器和微压力传感器差动变压器式力传感器和微压力传感器差动变压器差动变压器 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation压力测量用的膜盒压力测量用的膜盒 膜盒由两片波膜盒由两片波纹纹膜片膜片焊焊接而成。所接而成。所谓谓波波纹纹膜片是一种膜片是一种压压有有同心波同心波纹纹的的圆圆形薄膜。当膜片四周固定，两形薄膜。当膜片四周固定，两侧侧面存在面存在压压差差时时，膜，膜片将弯向片将弯向压压力低的一力低的一侧侧，因此能，因此能够够将将压压力力变换为变换为直直线线位移。位移。轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation（三）（三）振动和加速度测量振动和加速度测量（四）（四）液位测量液位测量衔铁衔铁差动差动变压器变压器弹簧弹簧壳体壳体差动变压器液位变化，引起沉筒所受浮力的变化，进而引起衔铁的位移弹簧受力变形，与其连接的衔铁的位移反映了振动的幅度、频率以及加速度的大小 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation五、电感式滚柱直径分选装置五、电感式滚柱直径分选装置 1 1气缸气缸 2 2活塞活塞 3 3推杆推杆 4 4被被测滚测滚柱柱 5 5落料管落料管 6 6电电感感测测微器微器 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）轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation电感式滚柱直径分选装置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 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation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）轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation电感式滚柱直径分选电感式滚柱直径分选装置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（参考无锡市通达滚子有限公司资料）滚子有限公司资料）废料仓废料仓 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation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 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation六、电感传感器在仿形机床中的应用六、电感传感器在仿形机床中的应用 1 1标标准靠模准靠模样样板板 2 2测测端（靠模端（靠模轮轮）3 3电电感感测测微器微器 4 4铣铣刀刀龙门龙门框架框架 5 5立柱立柱 6 6伺服伺服电动电动机机 7 7铣铣刀刀 8 8毛坯毛坯 电感测微器电感测微器 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation仿形铣床外形仿形铣床外形 仿形机床仿形机床采用采用 闭环闭环工作方式工作方式仿形头仿形头主主轴轴 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation七、电感式不圆度计原理七、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 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation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 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation电感式不圆度测量系统外形电感式不圆度测量系统外形（参考洛阳汇智测控技术有限公司资料）（参考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 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation不圆度测量打印不圆度测量打印 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation电感式轮廓仪电感式轮廓仪 旁向式旁向式电感电感 测微头测微头 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation八、电感传感器在粗糙度测量中的应用八、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：5m5m；可存储可存储500500个粗糙度参个粗糙度参数值及数值及4 4组轮廓数据；组轮廓数据；可进行粗糙度参数的打可进行粗糙度参数的打印；印；可对外圆、内孔、轴肩、可对外圆、内孔、轴肩、圆锥面等各种复杂表面圆锥面等各种复杂表面进行测试；进行测试；金刚石测头金刚石测头 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation粗糙度测量结果打印（粗糙度测量结果打印（1）轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation粗糙度测量结果打印（粗糙度测量结果打印（2）轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation第三节电涡流式传感器第三节电涡流式传感器利用涡流效应原理制造的传感器。当通过金属体的磁通发生变化利用涡流效应原理制造的传感器。当通过金属体的磁通发生变化时，就会在导体中产生感生电流，这种电流在导体中是自行闭合时，就会在导体中产生感生电流，这种电流在导体中是自行闭合的，这就是电涡流。电涡流的产生必然要消耗一部分能量，从而的，这就是电涡流。电涡流的产生必然要消耗一部分能量，从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化，这种物理现象称为涡流效应。使产生磁场的线圈阻抗发生变化，这种物理现象称为涡流效应。当电涡流线圈与金当电涡流线圈与金属板的距离属板的距离x 减小减小时，电涡流线圈的时，电涡流线圈的等效电感等效电感L 减小，减小，等效电阻等效电阻R 增大。增大。感抗感抗XL 的变化比的变化比 R 的变化的变化 大大 得得 多，多，流过电涡流线圈的流过电涡流线圈的电流电流 i1 增大。增大。轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation电涡流的应用电涡流的应用 在我们日常生活中经常可以遇到在我们日常生活中经常可以遇到 干净、干净、高效的高效的 电磁炉电磁炉 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation电磁炉内部的励磁线圈电磁炉内部的励磁线圈 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation电磁炉的工作原理电磁炉的工作原理 高频电流通过高频电流通过励磁线圈，产励磁线圈，产生交变磁场，生交变磁场，在铁质锅底会在铁质锅底会产生无数的电产生无数的电涡流，使锅底涡流，使锅底自行发热，烧自行发热，烧开锅开锅 内内 的的 食食 物。物。轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation一、电涡流式传感器的复阻抗一、电涡流式传感器的复阻抗等效电阻等效电阻R R等效电感等效电感L L原理图原理图等效电路等效电路等效等效阻抗阻抗距离距离 互感互感M M 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation二、高频反射式电涡流传感器二、高频反射式电涡流传感器金金属属物物体体 高频反射式电涡流传感器利用线圈与金属导体高频反射式电涡流传感器利用线圈与金属导体之间的磁性耦合程度的变化测量距离。之间的磁性耦合程度的变化测量距离。金属物体的电导率越高，测量灵敏度越高。金属物体的电导率越高，测量灵敏度越高。线圈线圈框架框架框架框架衬套衬套固定螺母固定螺母电缆电缆 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation三、低频透射式电涡流传感器三、低频透射式电涡流传感器接收线圈接收线圈发射线圈发射线圈涡流及涡流及磁场磁场 金属板越厚，接收侧磁场越弱，接收线圈的感应电压金属板越厚，接收侧磁场越弱，接收线圈的感应电压u u2 2 越小。发射线圈的电源频率取越小。发射线圈的电源频率取1kHz1kHz左右。左右。发射发射磁场磁场接收侧接收侧磁场磁场 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation四、测量电路四、测量电路（一）（一）电桥电路电桥电路两个差动两个差动涡流线圈涡流线圈 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation（二）（二）谐振法测量电路谐振法测量电路并联谐振的谐振频率：并联谐振的谐振频率：并联谐振时的阻抗最大：并联谐振时的阻抗最大：线圈电感的变化，会引起（线圈电感的变化，会引起（1 1）振荡电路阻抗变化；）振荡电路阻抗变化；（2 2）谐振频率变化。）谐振频率变化。因此，测量这两种的任一种都可以测出电感量的变化。因此，测量这两种的任一种都可以测出电感量的变化。（1 1）调幅式测量电路）调幅式测量电路（L ZL Z变化变化 输出变化）输出变化）轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation（2 2）调频式测量电路）调频式测量电路（L L 振荡频率变化）振荡频率变化）传感器传感器分布分布电容电容 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation五、电涡流式传感器的应用五、电涡流式传感器的应用（一）（一）测量位移测量位移被测零件被测零件涡流传感器涡流传感器被测零件被测零件涡流传感器涡流传感器涡流传感器涡流传感器机械轴机械轴振形图振形图测量测量机械轴机械轴（二）（二）测量振动测量振动动态位移动态位移测量测量 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation（三）（三）测量转速测量转速被测被测零件零件涡流涡流传感器传感器被测被测零件零件涡流涡流传感器传感器 设测出脉冲频率为设测出脉冲频率为f f（HzHz），被测零件齿数），被测零件齿数为为N N，则轴的转速为：，则轴的转速为：（转（转/分）分）轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation（四）（四）测量厚度测量厚度涡流涡流传感器传感器1 1涡流涡流传感器传感器2 2测出距离测出距离x x1 1测出距离测出距离x x2 2预置距离预置距离D D 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation（五）（五）测量温度测量温度（六）（六）其他测量其他测量测出等效电感变化测出等效电感变化温度变化温度变化 变化变化 电感变化电感变化 谐振频率变化谐振频率变化 测出谐振频率变化测出谐振频率变化接近开关、计数、尺寸检测等。接近开关、计数、尺寸检测等。轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation补充：补充：电涡流传感器结构及特性电涡流传感器结构及特性 电涡流探头电涡流探头外形外形交变磁场交变磁场 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation电涡流探头电涡流探头内部结构内部结构 1电涡流线圈电涡流线圈 2探头壳体探头壳体 3壳体上的位置调壳体上的位置调节螺纹节螺纹 4印制线路板印制线路板 5夹持螺母夹持螺母 6电源指电源指示灯示灯 7阈值指示灯阈值指示灯 8输出屏蔽电缆线输出屏蔽电缆线 9电缆插头电缆插头 轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway TransportationCZF-1系列传感器的性能系列传感器的性能 分析上表请得出结论：分析上表请得出结论：探头的直径与测量范围及分辨力探头的直径与测量范围及分辨力之间有何关系？之间有何关系？轨道交通学院轨道交通学院 School of Railway Transportation大直径电涡流探雷器大直径电涡流探雷器
