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自动检测技术课件第1页，共160页，编辑于2022年，星期二目录3.1 3.1 自感式传感器自感式传感器3.2 3.2 差动变压器差动变压器3.3 3.3 电涡流传感器电涡流传感器3.4 3.4 压磁式传感器压磁式传感器3.5 3.5 电感式传感器的信号调理电感式传感器的信号调理第2页，共160页，编辑于2022年，星期二n电感式传感器是利用非电量的变化引起传感元件线圈自感和互感的变化，从而实现非电量电测量的一种装置。n电感传感器可分为自感式、互感式和涡流式三种类型。第3页，共160页，编辑于2022年，星期二先看一个实验：先看一个实验：将一只将一只380V交流接触器线圈与交流毫安表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串联后，接到机床用控制变压器的36V交流电交流电压源上，如下图所示。开始毫安表的示值约压源上，如下图所示。开始毫安表的示值约为几十毫安。若用手慢慢将接触器的活动铁为几十毫安。若用手慢慢将接触器的活动铁心（称为衔铁）往下按时，我们会发现心（称为衔铁）往下按时，我们会发现毫安毫安表的读数逐渐减小表的读数逐渐减小。当衔铁与固定铁心之间的。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。气隙等于零时，毫安表的读数只剩下十几毫安。第4页，共160页，编辑于2022年，星期二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准备工作准备工作第5页，共160页，编辑于2022年，星期二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第6页，共160页，编辑于2022年，星期二3.1 自感式传感器3.1.1 单线圈自感传感器 自感式传感器亦称变隙式自感传感器或变磁阻式自感传感器，根据铁芯线圈磁路气隙的改变，引起磁路磁阻的改变，从而改变线圈自感的大小。气隙参数的改变可通过改变气隙长度和改变气隙截面积两种方式实现。传感器线圈分单线圈和双线圈两种。第7页，共160页，编辑于2022年，星期二图3-1单线圈变气隙式长度自感传感器第8页，共160页，编辑于2022年，星期二n根据磁路知识，线圈自感L可按下式计算n n与电阻串联类似，串联磁路磁阻为各环节磁阻之和n n实际上由于铁芯工作于非饱和状态，此时铁芯的磁导率远远大于空气的磁导率，因而磁路的总磁阻主要由气隙的磁阻所决定。即可认为第9页，共160页，编辑于2022年，星期二n移动衔铁的位置，即可改变气隙的长度，从而引起线圈自感的变化，实现位移到电感量的变化的转换。n设初始气隙为，电感初值为，当衔铁上移时，气隙变为，可知线圈自感的变为 n当 ，将（3-5）用泰勒级数展开第10页，共160页，编辑于2022年，星期二n当衔铁下移幅度为 时，线圈自感变为 n变气隙长度型传感器 与 呈非线性关系，而且在位移幅度相同但位移方向不同时，所引起的电感变化的绝对量并不完全相同。但在 的前提下，作线性化处理，可得第11页，共160页，编辑于2022年，星期二n其灵敏度为 n非线性误差为 n为提高自感传感器的灵敏度，可减小;n但 的减小又限制了测量范围，而且使非线性加重。第12页，共160页，编辑于2022年，星期二电感式传感器的应用电感式传感器的应用-位移测量位移测量 轴向式轴向式电感测微电感测微器的外形器的外形 航空插头航空插头红宝石测头红宝石测头第13页，共160页，编辑于2022年，星期二其他电感测微头其他电感测微头第14页，共160页，编辑于2022年，星期二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引引线电缆线电缆 2 2固定磁筒固定磁筒 3 3衔铁衔铁 4 4线线圈圈 5 5测测力力弹弹簧簧 6 6防防转销转销 7 7钢钢球球导轨导轨（直（直线轴线轴承）承）8 8测测杆杆 9 9密封套密封套 10 10测测端端 11 11被被测测工件工件 12 12基准面基准面 第15页，共160页，编辑于2022年，星期二电感式滚柱直径分选示意电感式滚柱直径分选示意滚滚柱直径分柱直径分选选装置装置图图 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限位限位挡挡板板 9 9电电磁翻板磁翻板 1010容器（料斗）容器（料斗）第16页，共160页，编辑于2022年，星期二第17页，共160页，编辑于2022年，星期二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）滑道滑道分选分选仓位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）第18页，共160页，编辑于2022年，星期二电感式滚柱直径分选装电感式滚柱直径分选装置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（参考无锡市通达滚子（参考无锡市通达滚子有限公司资料）有限公司资料）废料仓废料仓第19页，共160页，编辑于2022年，星期二电感式滚柱直径分选界面电感式滚柱直径分选界面 分选结分选结果基本符合果基本符合 正态分布正态分布第20页，共160页，编辑于2022年，星期二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第21页，共160页，编辑于2022年，星期二 自感传感器总要接入测量电路中去，有必要研究传感器相对于测量电路的等效电路。不能把它看成一个理想的纯电感L。实际上：线圈导线存在电阻Rc；传感器中的铁磁材料在交变磁场中一方面被磁化，另一方面形成涡流及损耗，这些损耗可分别用磁滞损耗电阻 和涡流损耗电阻Re表示；还存在线圈的匝间电容和电缆线分布电容，二者用C统一表示。第22页，共160页，编辑于2022年，星期二图图3-2 3-2 自感传感器的等效电路自感传感器的等效电路第23页，共160页，编辑于2022年，星期二单线圈自感传感器结构虽然简单，但存在诸多缺陷，技术性能较差：n由于线圈流往负载的电流不可能为零，存在起始电流，衔铁始终受电磁引力，会引起附加误差；n非线性误差较大；n某些客观存在的干扰如电源、温度的波动，都会对输出造成影响。第24页，共160页，编辑于2022年，星期二n双线圈变气隙式自感传感器采用两个线圈激磁，工作时两线圈的自感呈反相变化，形成差动输出，因而称之为差动自感传感器。n差动自感传感器亦有变气隙长度型和变气隙截面积型，由两只完全对称的单线圈自感传感器共用一个活动衔铁而构成。3.1.2 差动自感传感器第25页，共160页，编辑于2022年，星期二图图3-3 3-3 变气隙长度型差动自感传感器变气隙长度型差动自感传感器n设设 ，则两线圈自感分别为，则两线圈自感分别为第26页，共160页，编辑于2022年，星期二 当衔铁偏离中间位当衔铁偏离中间位置时，两个线圈的电感置时，两个线圈的电感量一个量一个增加增加，一个减小一个减小，形成形成差动形式差动形式。差动电感传感器的特点差动电感传感器的特点 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 差动式电感传感器对差动式电感传感器对外界影响，如外界影响，如温度的变温度的变化、电源频率的变化化、电源频率的变化等等基本上可以互相抵消，基本上可以互相抵消，衔铁承受的衔铁承受的电磁吸力也电磁吸力也较小较小，从而减小了测量，从而减小了测量误差。误差。第27页，共160页，编辑于2022年，星期二图图3-4 3-4 差动自感传感器的输出特性示意图差动自感传感器的输出特性示意图n差动自感传感器的输出特性示意图如图所示。第28页，共160页，编辑于2022年，星期二差动电感传感器的特性差动电感传感器的特性 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 请分析：请分析：从曲线图可以看出，从曲线图可以看出，与与非差动非差动电感传感器相电感传感器相比较，差动式电感传感比较，差动式电感传感器的器的灵敏度灵敏度、线性度线性度有有何变化？何变化？第29页，共160页，编辑于2022年，星期二采用差动结构能带来的好处：将传感器两线圈接入交流电桥的相邻两臂图图3-5 3-5 差动自感传感器接入交流电桥差动自感传感器接入交流电桥第30页，共160页，编辑于2022年，星期二n初始时，衔铁处于中间位置，即 ,而 是固定臂，于是电桥平衡，输出电压 =0。n当衔铁偏离中间位置 时，两线圈电感量(或阻抗)一增、一减第31页，共160页，编辑于2022年，星期二n此时电桥失衡，有电压输出，输出为n n因为线圈的品质因数很高，n可见，输出信号的幅值与衔铁的位移幅度成正比，其相位取决于位移的方向，若衔铁上移，输出信号与激励电源同相位；若衔铁下移，输出信号与激励电源相位相差180o。第32页，共160页，编辑于2022年，星期二n若只将单线圈自感传感器接入该电桥，不妨设Z1为该单线圈自感传感器，可得 采用差动结构能带来的好处：n理论上消除了零位输出，衔铁所受电磁力平衡；n灵敏度提高一倍；n线性度得到改善(高次项能部分相互抵消)；n差动形式可减弱或消除温度、电源变化及外界干扰等共模干扰的影响。因为这些干扰是以相同的方向、相同的幅度作用在两个线圈上的，所引起的自感变化的大小和符号相同，而信号调理电路实质上是将两个线圈自感的差值转换为电信号。第33页，共160页，编辑于2022年，星期二自感传感器直接检测的非电量是微小位移，配合各种敏感元件，它也可完成能够转换为微小位移的其他非电量的检测。图3-6是利用自感传感器测量压力的示意图，可用来测量液位。图图3-6 3-6 利用自感传感器测量压力利用自感传感器测量压力第34页，共160页，编辑于2022年，星期二n图3-7所示为采用差动自感传感器测量压力差的原理结构。若 ，则衔铁处于对称位置，即处于零位，此时有 ；若 时，则下面的电感增大，上面电感减小，压力差与电感变化具有确切对应关系。如果某密闭压力容器内部储存的是具有固定密度的液体，则其底部压力与顶部压力之差和液位之间将具有确切对应关系，则图3-7可用来测量其液位。第35页，共160页，编辑于2022年，星期二图图3-7 3-7 采用差动自感传感器测量压力差采用差动自感传感器测量压力差第36页，共160页，编辑于2022年，星期二电感式轮廓仪电感式轮廓仪 旁向式旁向式电感电感 测微头测微头第37页，共160页，编辑于2022年，星期二电感式圆度计原理电感式圆度计原理 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第38页，共160页，编辑于2022年，星期二电感式圆度测试系统电感式圆度测试系统旁向式电感测微头旁向式电感测微头第39页，共160页，编辑于2022年，星期二电感式圆度测量系统外形电感式圆度测量系统外形（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第40页，共160页，编辑于2022年，星期二圆度测量打印圆度测量打印第41页，共160页，编辑于2022年，星期二粗糙度仪外形粗糙度仪外形金刚石测头金刚石测头第42页，共160页，编辑于2022年，星期二目录3.1 3.1 自感式传感器自感式传感器3.2 3.2 差动变压器差动变压器3.3 3.3 电涡流传感器电涡流传感器3.4 3.4 压磁式传感器压磁式传感器3.5 3.5 电感式传感器的信号调理电感式传感器的信号调理第43页，共160页，编辑于2022年，星期二 复习电工知识：复习电工知识：差动整流电路差动整流电路中用到的中用到的“单相变压器单相变压器”有有一一个一次线圈个一次线圈，有，有两个二次线圈两个二次线圈。当一次线圈加上交流激磁电压当一次线圈加上交流激磁电压Ui后，将在二后，将在二次线圈中产生感应电压次线圈中产生感应电压UO O。在全波整流电路中，。在全波整流电路中，两个二次线圈串联两个二次线圈串联，总电压等于，总电压等于两个二次线圈的两个二次线圈的电压之和电压之和。n3.2 差动变压器第44页，共160页，编辑于2022年，星期二第45页，共160页，编辑于2022年，星期二差动变压器的工作原理差动变压器的工作原理 差动变压器是把差动变压器是把被测位移量被测位移量转换为一次线圈与二次转换为一次线圈与二次线圈间的线圈间的互感量互感量M的变化的变化的装置。由于两个二次线圈采用差的装置。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。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；在同一线框的上端上端和和下端下端再绕制两组再绕制两组完全对称的线圈完全对称的线圈（称二次线圈），它们（称二次线圈），它们反向串联反向串联，组成，组成差动输出差动输出形式。图中形式。图中标有黑点的一端称为标有黑点的一端称为同名端同名端，通俗的说法是指线圈的，通俗的说法是指线圈的“头头”。第46页，共160页，编辑于2022年，星期二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：两个二次线圈两个二次线圈反向串联，组成反向串联，组成差动输出形式。差动输出形式。请将二次线请将二次线圈圈N21、N22的有的有关端点正确地连关端点正确地连接起来，并指出接起来，并指出哪两个为输出端哪两个为输出端点。点。第47页，共160页，编辑于2022年，星期二n3.2.1 工作原理n差动变压器将位移量转换为线圈间互感的变化。n它实质上是种变压器，主要由原边绕组、副边绕组和铁芯组成。n它往往做成差动结构形式，副边两个绕组进行“差接”。在其原边绕组施加激励电压后，由于互感系数变化，副边差接绕组的感应电势将相应地发生变比。n由于它结构简单测量精度较高、测量范围宽，作为位移传感器得到广泛应用。其中螺管式差动变压器是差动变压器的主要结构形式。第48页，共160页，编辑于2022年，星期二图图3-8 3-8 螺管式差动变压器结构示意图螺管式差动变压器结构示意图第49页，共160页，编辑于2022年，星期二差动变压器主要由线圈、铁芯组成。线圈由初级线圈和次级线圈组成。线圈中插入圆柱形铁心b。图中所示为三段式差动变压器，即线圈骨架分成三段，中间为初级线圈，上下为次级线圈。线圈绕制方式多为初级在内，次级在外；差动变压器的电气连接方法如图3-9所示，次级线圈S1和S2反极性串联。第50页，共160页，编辑于2022年，星期二图图3-9 3-9 差动变压器的电气连接方法差动变压器的电气连接方法第51页，共160页，编辑于2022年，星期二差动变压器的工作原理可以用变压器原理解释，所不同的是一般变压器的磁路是闭合的、而差动变压器的磁路是不闭合的。一般变压器的初次级间的互感系数是常数，差动变压器的初次级之间的互感是随衔铁移动而作相应的变化。差动变压器的工作正是建立在互感变化的基础上。第52页，共160页，编辑于2022年，星期二图图3-10 3-10 差动变压器输出特性曲线差动变压器输出特性曲线实际的差动变压器当铁芯位于线圈中心位置时，输出电压值不为零，而是 ，称为零点残余电压。因此差动变压器的实际输出特性如图3-10(a)中虚线所示。第53页，共160页，编辑于2022年，星期二n产生零点残余电压的原因主要有：n1)由于两个次级线圈的绕制在工艺上不可能完全一致，因此它们的等效参数(互感、自感和损耗电阻)不可能完全相等。初级线圈中铜损和铁损的存在以及匝间寄生电容的存在使激励电流与所产生的磁通之间有相位差。上述因素就使两个次级线圈的感应电势不仅数值不等，并且相位也不相同。这是零点残余电压中基波分量产生的原因。n2）由于磁滞损耗和铁磁饱和的影响，使得激励电流与磁通波形不致，导致产生非正弦波磁通，从而在次级线圈感应出非正弦波电势，其主要是含三次谐波。这是零点残余电压中所含高次谐波产生的原因。第54页，共160页，编辑于2022年，星期二n零点残余电压的存在，使差动变压器在机械零位附近的灵敏度下降，非线性误差增大，降低了它在零位附近的分辨率。n消除或减小零点残余电压般可采用以下方法：1)设计和加工应尽量保证线圈和磁路对称，结构上可附加磁路调节机构。其次，应选用高导磁率、低矫顽磁力、低剩磁感应的导磁材料，并将导磁体加以热处理，消除残余应力，以提高磁性能的均匀性和稳定性。在选取磁路工作点时，应使其不工作在磁化曲线饱和区。2)选用合适的测量电路，如相敏检波和差动整流电路，其直流输出不仅可以鉴别铁心位移方向，而且可以减小或消除零点残余电压。第55页，共160页，编辑于2022年，星期二n3)采用补偿电路，为常采用的零点残余电压补偿电路原理图。消除零点残余电压的补偿电路有四种：附加串联电阻以消除基波同相成分；附加并联电阻以消除基波正交成分；附加并联电容。改变相移，补偿高次谐波分量；附加反馈绕组和反馈电容，以补偿基波及高次谐波分量。串联电阻的阻值很小，为0.55，并联电阻的阻值为数十到数百千欧；并联电容的数值在数百PF范围。实际数值通常由实验来确定。第56页，共160页，编辑于2022年，星期二图图3-11 3-11 差动变压器的零位补偿差动变压器的零位补偿第57页，共160页，编辑于2022年，星期二n3.2.2 输出特性n1 等效电路n忽略实际差动变压器中的涡流损耗、铁损和寄生电容等，其等效电路如图3-12所示。图图3-12 3-12 差动变压器的等效电路差动变压器的等效电路第58页，共160页，编辑于2022年，星期二可列出如下方程：可列出如下方程：第59页，共160页，编辑于2022年，星期二n当铁芯位于中间位置时，当铁芯位于中间位置时，=0 =0n铁芯向上位移时，铁芯向上位移时，n铁芯向下位移时，铁芯向下位移时，第60页，共160页，编辑于2022年，星期二n2 灵敏度n指在单位电压激励下，铁心移动单位距离时的输出电压变化量，其量纲为mv/mm/V。一般螺管式差动变压器的灵敏度大于5mV/mm/V。为提高灵敏度，可采取下列措施：增大差动变压器的几何尺寸以提高线圈的Q值。般线圈长度为其直径的1.52.0倍较为合适。适当提高激磁频率。增大铁芯直径，但不应触及线圈骨架；铁芯采用导磁率高、铁损小、涡流损耗小的材料。在不使初级线圈过热的前提条件下当提高激励电压。第61页，共160页，编辑于2022年，星期二坡莫合金的导磁性能好，但涡流损耗较大，所以对激磁频率为500Hz以上的差动变压器，大多使用铁氧体铁芯；低频激磁时，多采用工业纯铁作铁芯材料。在要求电流输出的场合，宜采用次级线圈匝数较少的差动变压器，以降低其输出阻抗，再选择合适的输出电路，可得到1mA/mm/V的灵敏度。第62页，共160页，编辑于2022年，星期二n3 频率特性n差动变压器的激励频率般在50Hz至10kHz范围。频率太低时，其灵敏度显著降低，由温度和频率波动引起的附加误差增大；但频率太高，其涡流损耗和铁损增加，寄生电容影响加大。根据具体应用场合选择合适的工作频率非常重要。n当负载电阻RL与次级线圈串联时，RL上的输出电压 表示为第63页，共160页，编辑于2022年，星期二n根据（根据（3-193-19）画出差动变压器频率特性如图）画出差动变压器频率特性如图3-3-1313。n当当R RL L远大于差动变压器内阻时，下限截止频率远大于差动变压器内阻时，下限截止频率f fL L为为图图3-13 3-13 差动变压器频率特性差动变压器频率特性第64页，共160页，编辑于2022年，星期二n4 相位n差动变压器的次级电压相对初级电压的相位通常超前几度到几十度。超前相角大小与差动变压器的结构和激磁频率有关。小型、低频者超前角大，大型、高频者超前角小。n5 线性范围n差动变压器铁芯的材质、长度、直径和线圈骨架的形状、大小均对其次级电压与铁芯位移之间关系的线性度有直接影响通常其线性范围约为其线圈骨架长度的110到14。n 通常所说的线性度不仅包括铁芯位移与次级电压关系的线性程度，还要求次级电压的相位角为某固定值。后点住往难于满足。若考虑此因素，差动变压器线性范围约为其线圈骨架长度的110左右。第65页，共160页，编辑于2022年，星期二n6 温度特性n初级线圈的电阻温度系数对差动变压器的温度特性影响最大。铜导线的电阻温度系数约为0.4%/，对于小型差动变压器且在较低频率下使用，其初级线圈总阻抗中线圈电阻所占比例较大，此时差动变压器的温度系数约为-0.3%/。对于大型差动变压器且使用频率较高时，其温度系数较小，一般约为-0.1%/至-0.05%/。第66页，共160页，编辑于2022年，星期二n3.2.3 典型应用举例n差动变压器直接测量的物理量是铁芯位移，配合相应的敏感元件，它也可用于其它物理量的测量。n图3-14是利用差动变压器测量大型构件如钢梁挠度的示意图。第67页，共160页，编辑于2022年，星期二图图3-14 3-14 利用差动变压器测量大型构件挠度利用差动变压器测量大型构件挠度第68页，共160页，编辑于2022年，星期二图3-15为两种常用的差动变压器测力传感器。图(a)为环形弹性元件，随弹性元件刚度的不同，测力范围为102N106N。图(b)为筒形弹性元件，其特点是输出信号大，线性好，重复性好及漂移小。弹性元件受力产生位移，带动差动变压器的铁芯运动，使两线圈互感发生变化，最后使差动变压器的输出电压产生和弹性元件受力大小成比例地变化。第69页，共160页，编辑于2022年，星期二 （a a）(b)(b)图图3-15 3-15 利用差动变压器测量力利用差动变压器测量力 第70页，共160页，编辑于2022年，星期二n图图3-163-16是另外一种利用差动变压器测量力的方是另外一种利用差动变压器测量力的方案示意图。在该测量方案中采用了反馈原理，案示意图。在该测量方案中采用了反馈原理，反馈是利用力平衡电路实现的。反馈是利用力平衡电路实现的。n差动变压器在力平衡电路中作为零位检测元件差动变压器在力平衡电路中作为零位检测元件使用。当杠杆受到检测力作用时就绕支点偏转，使用。当杠杆受到检测力作用时就绕支点偏转，使差动变压器铁芯相对线圈产生位移，于是差使差动变压器铁芯相对线圈产生位移，于是差动变压器输出电压信号；此电压经放大器放大动变压器输出电压信号；此电压经放大器放大后，再经整流便产生一相应的直流电流。该电后，再经整流便产生一相应的直流电流。该电流流过力平衡线圈，变换成电磁力作用于杠杆；流流过力平衡线圈，变换成电磁力作用于杠杆；此力作为反馈力与被测力共同作用于杠杆，使此力作为反馈力与被测力共同作用于杠杆，使杠杆处于力矩平衡状态，这时流过力平衡线圈杠杆处于力矩平衡状态，这时流过力平衡线圈的电流则与被测力成比例。的电流则与被测力成比例。第71页，共160页，编辑于2022年，星期二图图3-16 3-16 利用差动变压器的零位法力测量利用差动变压器的零位法力测量第72页，共160页，编辑于2022年，星期二目录3.1 3.1 自感式传感器自感式传感器3.2 3.2 差动变压器差动变压器3.3 3.3 电涡流传感器电涡流传感器3.4 3.4 压磁式传感器压磁式传感器3.5 3.5 电感式传感器的信号调理电感式传感器的信号调理第73页，共160页，编辑于2022年，星期二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 电磁炉电磁炉第74页，共160页，编辑于2022年，星期二电磁炉内部的励磁线圈电磁炉内部的励磁线圈第75页，共160页，编辑于2022年，星期二电磁炉的工作原理电磁炉的工作原理 高频电流通高频电流通过励磁线圈，过励磁线圈，产生交变磁产生交变磁场，在铁质场，在铁质锅底会产生锅底会产生无数的电涡无数的电涡流，使锅底流，使锅底发热，烧开发热，烧开锅内食物。锅内食物。第76页，共160页，编辑于2022年，星期二n3.3 电涡流传感器n3.3.1 反射式电涡流传感器n与自感传感器、差动变压器相比，电涡流测量原理的特点有二，其一是对导电率、导磁率等物性参数敏感，其二是能够实现非接触测量。n金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应电流，称之为电涡流。这种现象称为涡流效应。电涡流式传感器正是基于这种涡流效应而工作的。第77页，共160页，编辑于2022年，星期二图图3-17 3-17 电涡流效应电涡流效应第78页，共160页，编辑于2022年，星期二n线圈与导体之间存在磁的联系，若把导电材料看成一个具有内阻的线圈，则图3-17可用图3-18所示的等效电路表示。R1、R2分别为线圈和导电材料的等效电阻，L1、L2分别为线圈和导电材料的等效电感。M为互感参数，表征线圈与导电材料之间磁联系强弱。图图3-18 3-18 电涡流效应的等效电路电涡流效应的等效电路第79页，共160页，编辑于2022年，星期二n由图3-18可列出下列方程n n解上式，可得线圈的等效阻抗n前两项为等效电阻，第三项为等效电抗。前两项为等效电阻，第三项为等效电抗。第80页，共160页，编辑于2022年，星期二n品质因数为品质因数为 n金属导体的电阻率金属导体的电阻率、磁导率、磁导率、线圈与金属导体之、线圈与金属导体之间的距离间的距离d d以及线圈激励电流的角频率以及线圈激励电流的角频率等参数，都等参数，都将通过电涡流效应与线圈等效阻抗发生联系。线圈将通过电涡流效应与线圈等效阻抗发生联系。线圈等效阻抗是这些参数的函数等效阻抗是这些参数的函数 n若能保持上述四个参数中的任意三个参数恒定，则若能保持上述四个参数中的任意三个参数恒定，则等效阻抗将与第四个参数之间建立一一对应的关系，等效阻抗将与第四个参数之间建立一一对应的关系，构成了从第四个参数到等效阻抗之间的转换关系。构成了从第四个参数到等效阻抗之间的转换关系。第81页，共160页，编辑于2022年，星期二第82页，共160页，编辑于2022年，星期二n当图示的电涡流线圈与导体的距离当图示的电涡流线圈与导体的距离x减小时，电涡流线圈减小时，电涡流线圈的等效电感的等效电感L减小，等效电阻减小，等效电阻R增大。从理论和实验都证增大。从理论和实验都证明，此时流过线圈的电流明，此时流过线圈的电流i1是增大的（电表的读数增大，是增大的（电表的读数增大，指针顺时针偏转）。这是因为线圈的感抗指针顺时针偏转）。这是因为线圈的感抗XL的变化比的变化比R的的变化大得多变化大得多(XL减小，减小，R增大增大)。从能量守恒角度来看，也。从能量守恒角度来看，也要求增加流过电涡流线圈的电流，从而为被测金属导体上要求增加流过电涡流线圈的电流，从而为被测金属导体上的电涡流提供额外的能量。的电涡流提供额外的能量。原文来自新原文来自新e代电子网代电子网网址是网址是:http:/ 第84页，共160页，编辑于2022年，星期二n利用位移d作为变换量，可以非接触的测量位移、厚度、振动、转速等，也可做成接近开关等。图3-19为电涡流位移传感器的几种具体应用。图图3-19 3-19 电涡流位移传感器的几种具体应用电涡流位移传感器的几种具体应用第85页，共160页，编辑于2022年，星期二n图3-20为利用电涡流传感器测量转速的电路框图。在被测对象上开一个凹槽，靠近轴表面安装电涡流探头。每当轴转动到如图示位置，电涡流探头感受到轴表面的位置变化，传感器激励线圈的电感随之改变，轴转一圈，变化一次，振荡器的频率变化一次。通道检波器转换成电压的变化，从而得到与转速成正比的脉冲信号。来自传感器的脉冲信号经整形后，由频率计得到频率值，再转换成转速。第86页，共160页，编辑于2022年，星期二图图3-20 3-20 利用电涡流传感器测量转速利用电涡流传感器测量转速第87页，共160页，编辑于2022年，星期二 图3-21是电涡流式传感器用于检测金属镀膜厚度的原理图。设没有膜时，传感器探头与金属表面距离为，有膜时距离变成，所以膜厚为。膜的厚度不同，消耗磁场能量不同，导致探头的等效阻抗变化，从而引起转换电路的输出电压变化，根据输出电压的变化可知金属镀膜厚度的变化。第88页，共160页，编辑于2022年，星期二图图3-21 3-21 利用电涡流传感器测量金属镀膜厚度利用电涡流传感器测量金属镀膜厚度第89页，共160页，编辑于2022年，星期二第90页，共160页，编辑于2022年，星期二第91页，共160页，编辑于2022年，星期二第92页，共160页，编辑于2022年，星期二第93页，共160页，编辑于2022年，星期二n接近开关在自动控制系统中得到普遍应用，量大面广。图3-22是电涡流式接近开关的电路框图。将绝缘励磁线圈作为振荡电路的一部分，若振荡器有效阻抗产生变化，振荡器的振荡频率也要发生变化。经过检波器转换成的电压与比较器提供的电压相比较：如果不相等，就会产生1个计数脉冲。第94页，共160页，编辑于2022年，星期二图图3-22 3-22 电涡流式接近开关电涡流式接近开关第95页，共160页，编辑于2022年，星期二n利用作为变换量，可以非接触的测量温度、判别材质。例如可以用来构成金属探测器，探测地下金属管线的有无和走向；利用作变换量，可以非接触的测量应力、硬度等；利用变换量d、等综合影响可以制成探伤装置等。例如可以用来探测钢丝绳内部有无断丝、在什么位置断丝、断丝程度如何等。n这种利用传感器激励线圈产生的交变磁场H1在金属导体表面形成涡流环，涡流环所产生的磁场H2反过来抵消激励磁场H1，从而引起传感器线圈等效阻抗改变的传感器称为反射式电涡流传感器。第96页，共160页，编辑于2022年，星期二n由于趋表效应的缘故，电涡流只能在金属导体由于趋表效应的缘故，电涡流只能在金属导体靠近激励线圈一侧的表面薄层内形成，电涡流靠近激励线圈一侧的表面薄层内形成，电涡流轴向渗透轴向渗透(贯穿贯穿)深度为深度为 上式说明，激励频率越高，涡流轴向渗透深度上式说明，激励频率越高，涡流轴向渗透深度越小，反射效应相对越强。因此反射式电涡流越小，反射效应相对越强。因此反射式电涡流传感器多用较高频率的激励源。传感器多用较高频率的激励源。第97页，共160页，编辑于2022年，星期二n由于线圈产生的磁场在金属导体内不可能波及无限大由于线圈产生的磁场在金属导体内不可能波及无限大的区域，因此电涡流形成区有一定范围，基本上在内的区域，因此电涡流形成区有一定范围，基本上在内径为径为2r2r，外径为，外径为2R2R，厚度为，厚度为h h的矩形截面圆环内。电的矩形截面圆环内。电涡流区大小与激励线圈外径涡流区大小与激励线圈外径D D的关系近似为的关系近似为 n因此被测金属导体的表面不应少于激励线圈外径的两倍，因此被测金属导体的表面不应少于激励线圈外径的两倍，否则将不能全部利用所能产生的电涡流效应，致使灵敏否则将不能全部利用所能产生的电涡流效应，致使灵敏度降低。度降低。第98页，共160页，编辑于2022年，星期二n3.3.2 透射式电涡流传感器n透射式电涡流传感器由发射线圈L1、接收线路L2和位于两线圈中间的被测金属板组成，如图3-23所示。图图3-23 3-23 透射式电涡流传感器透射式电涡流传感器第99页，共160页，编辑于2022年，星期二n 幅值可表示为n n 与金属板厚度的关系如图3-24所示。n可利用 来反映金属板的厚度。由图可见，激励频率较低时，线性度较好，因此应选择较低的激励频率(通常为1kHz左右)。可见，厚度较小时，高频激励特性曲线斜率较大，灵敏度较高，因此测薄板时应选相对厚板较高的激励频率。第100页，共160页，编辑于2022年，星期二图3-24 不同激励频率下 与金属板厚度的关系第101页，共160页，编辑于2022年，星期二第102页，共160页，编辑于2022年，星期二 电涡流传感器的应用电涡流传感器的应用 位移测量位移测量 电涡流位移传感器是一种输出为电涡流位移传感器是一种输出为模拟量模拟量的电的电子器件。当金属物体接近此感应面时，金属表面子器件。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，根据的输出幅度线性地衰减，根据衰减量的变化衰减量的变化或或振荡振荡频率频率的变化，可地计算出与被检物体的距离、振动的变化，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等参数。这种位移传感器属于非接触测量非接触测量，工作时，工作时不受灰尘等因素的影响，可在各种恶劣条件下使不受灰尘等因素的影响，可在各种恶劣条件下使用。用。第103页，共160页，编辑于2022年，星期二位移测量仪位移测量仪 位移测量包含：位移测量包含：偏心、间隙、位置、偏心、间隙、位置、倾斜、弯曲、变形、移倾斜、弯曲、变形、移动、圆度、冲击、偏心动、圆度、冲击、偏心率、冲程、宽度等。率、冲程、宽度等。来自不同应用领域的来自不同应用领域的许多量都可归结为位移或许多量都可归结为位移或间隙变化。间隙变化。数显数显位移测量仪及探头位移测量仪及探头第104页，共160页，编辑于2022年，星期二420mA电涡流位移传感器外形电涡流位移传感器外形（参考德国图尔克公司资料）（参考德国图尔克公司资料）第105页，共160页，编辑于2022年，星期二齐平式电涡流位移齐平式电涡流位移传感器外形传感器外形（参考德国图尔克公司资料）（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，齐平式传感器安装时可以不高出安装面，不易被损害。不易被损害。第106页，共160页，编辑于2022年，星期二V V系列系列电涡流位移电涡流位移传感器外形传感器外形（参考浙江洞头开关厂资料）（参考浙江洞头开关厂资料）第107页，共160页，编辑于2022年，星期二通过测量间隙来测量径向跳动通过测量间隙来测量径向跳动第108页，共160页，编辑于2022年，星期二测量弯曲、波动、变形测量弯曲、波动、变形 对桥梁、丝杆等机械结构的振动测对桥梁、丝杆等机械结构的振动测量，须使用多个传感器。量，须使用多个传感器。第109页，共160页，编辑于2022年，星期二测量金属薄膜、板材厚度电涡流测厚仪测量金属薄膜、板材厚度电涡流测厚仪 测量冷轧板厚度测量冷轧板厚度导向辊的材料可以用金导向辊的材料可以用金属制作吗？属制作吗？第110页，共160页，编辑于2022年，星期二测量尺寸、公差及零测量尺寸、公差及零件识别件识别 通过测量间隙来通过测量间隙来测定测定 热膨胀引起的上下平移热膨胀引起的上下平移第111页，共160页，编辑于2022年，星期二测量封口机工作间隙测量封口机工作间隙间隙越大，电间隙越大，电涡流越小涡流越小第112页，共160页，编辑于2022年，星期二振动测量振动测量 汽轮机叶片测试汽轮机叶片测试 测量悬臂梁的测量悬臂梁的振幅及频率振幅及频率第113页，共160页，编辑于2022年，星期二转速测量转速测量 若转轴上开若转轴上开z z 个槽个槽(或齿或齿)，频率计的读数，频率计的读数为为f（单位为（单位为Hz），则转轴的转速），则转轴的转速n（单位为（单位为r/min）的计算公式为）的计算公式为 第114页，共160页，编辑于2022年，星期二各种测量转速的传感器及其与齿轮的相对位置各种测量转速的传感器及其与齿轮的相对位置第115页，共160页，编辑于2022年，星期二齿轮转速测量齿轮转速测量 例：例：下图中，设齿数下图中，设齿数z z=40，测得频率，测得频率 f=120Hz，求该齿轮的转速，求该齿轮的转速n。第116页，共160页，编辑于2022年，星期二电动机电动机转速测量转速测量第117页，共160页，编辑于2022年，星期二镀层厚度测量镀层厚度测量 由于存在集肤效应，镀层或箔层越薄，电涡流越小。由于存在集肤效应，镀层或箔层越薄，电涡流越小。测量前，可先用电涡流测厚仪对标准厚度的镀层和铜箔作测量前，可先用电涡流测厚仪对标准厚度的镀层和铜箔作出出“厚度厚度-输出输出”电压的标定曲线，以便测量时对照。电压的标定曲线，以便