传感检测技术及其应用优秀课件.ppt

传感检测技术及其应用传感检测技术及其应用2022/10/211第1页，本讲稿共45页第五章第五章 电感式传感器及应用电感式传感器及应用了解电感式传感器的工作原理；了解电感式传感器的工作原理；了解自感式传感器、互感式感传感器和电涡流式传感器的了解自感式传感器、互感式感传感器和电涡流式传感器的特点；特点；了解自感式传感器、互感式感传感器和电涡流式传感器了解自感式传感器、互感式感传感器和电涡流式传感器的应用的应用2022/10/212第2页，本讲稿共45页电感式传感器概念和类型电感式传感器概念和类型 电感式传感器电感式传感器是以电和磁为媒介，利用磁场的变化是以电和磁为媒介，利用磁场的变化引起线圈的电感量或互感量的变化，把非电量转化引起线圈的电感量或互感量的变化，把非电量转化为电量的装置（基于电磁感应原理）。为电量的装置（基于电磁感应原理）。按照转换方式的不同可分为自感式（包括可变按照转换方式的不同可分为自感式（包括可变磁阻式与涡流式）和互感式（差动变压器式）两种。磁阻式与涡流式）和互感式（差动变压器式）两种。2022/10/213第3页，本讲稿共45页5-15-1自感式传感器自感式传感器 自感式传感器是利用线圈自身电感的改变来实现非电量与电量的转换。主要有变气隙型、变面积型、螺管插铁型。一一、变磁路气隙式电感传感器变磁路气隙式电感传感器组成组成：线圈、铁芯和衔铁组：线圈、铁芯和衔铁组成。在铁芯与衔铁之间存在成。在铁芯与衔铁之间存在气隙气隙。2022/10/214第4页，本讲稿共45页根据磁路理论，磁通为：根据磁路理论，磁通为：原理分析：根据电磁感应定律，当线圈中通以电流I时，产生磁通，其大小与电流成正比，线圈的自感量L为2022/10/215第5页，本讲稿共45页线圈自感可用下式计算：磁路的磁阻主要是气隙磁路的磁阻主要是气隙产生的气隙磁阻，产生的气隙磁阻，联立式（51）、（52）、（54），线圈的电感量为2022/10/216第6页，本讲稿共45页线圈电感变化量（气隙减小）非线性误差非线性误差灵敏度和线性度之间存在矛盾；一般变气隙式电感传感器只能在较小的气隙范灵敏度和线性度之间存在矛盾；一般变气隙式电感传感器只能在较小的气隙范围内变化微小的位移。围内变化微小的位移。因此只适用于微小位移量的检测，一般约为因此只适用于微小位移量的检测，一般约为0.0011 mm。上式说明：当活动衔铁的位移很小时，线圈的电感变化量与位移量成线性关系。其灵敏度为2022/10/217第7页，本讲稿共45页 原理1.灵敏度是一常数；2.在一定范围内不存在非线性；3.当正反方向变化相同的x时，其电感变化量具有对称性。但当xa时就不再存在直线关系，其线性范围是有限的。结论二、二、变磁路截面积式自感传感器变磁路截面积式自感传感器传感器的灵敏度2022/10/218第8页，本讲稿共45页三、三、螺管插铁型电感传感器螺管插铁型电感传感器式中：式中：L L单个线圈的电感量；单个线圈的电感量；L L0 0空心螺管线圈的电感量，空心螺管线圈的电感量，W W单个线圈的匝数；单个线圈的匝数；r r线圈的平均半径；线圈的平均半径；r rc c柱形衔铁的半径；柱形衔铁的半径；l l 单个螺管线圈长度；单个螺管线圈长度；l lc c柱形衔铁插入到单个螺管内的长度；柱形衔铁插入到单个螺管内的长度；铁芯的有效磁导率。铁芯的有效磁导率。原理：单个线圈电感量与衔铁插入长度关系为2022/10/219第9页，本讲稿共45页传感器的灵敏度：螺管线圈电感变化量总结：结构简单、易制造，灵敏度低，适于较大位移（数毫米）测量。2022/10/2110第10页，本讲稿共45页四、四、差动电感传感器差动电感传感器 自感式传感器是单线圈工作，存在的问题：没有信号输入时，仍有输出；外界干扰时输出产生误差；灵敏度低等。差动自感式传感器可以克服这些缺点。由两个结构、材料和电气参数相同自感传感器构成。2022/10/2111第11页，本讲稿共45页 对差动式传感器，当共用衔铁位移时，两线圈的间隙按0、0+变化，即一个线圈自感增加，另一个减小。当/1时：1.工作原理2022/10/2112第12页，本讲稿共45页灵敏度，为原来的两倍。非线性误差降低了一个数量级。2022/10/2113第13页，本讲稿共45页2.交流电桥 初始条件电桥处于平衡状态，输出USC=0。当衔铁偏移时，则2022/10/2114第14页，本讲稿共45页所以上式为，将代入后上式表明输出电压与衔铁的位移成正比，其相位与运动方向有关，如图所示，其优点为：从理论上消除了零位输出误差；灵敏度提高一倍；线性度得到改善；差动形式可以提高外界的干扰。2022/10/2115第15页，本讲稿共45页3.3.变压器交流电桥变压器交流电桥电桥的工作臂是Z1、Z2，另外两个臂是变压器的次级线圈，输出取自A、B两点，B点为线圈的中心，并接地。初始时，当衔铁偏离 时，2022/10/2116第16页，本讲稿共45页同理，当衔铁偏移时，可推导出综合上两式有结论：a）以上交流电桥，变压器电桥其输出正比于L/L0。b）输出为交流信号，其方向、大小需通过整流、滤波后才能获得相应直流信号。4、相敏整流2022/10/2117第17页，本讲稿共45页5-2 5-2 互感式传感器互感式传感器 互感式传感器又称变压器式传感器，是把非电量的变化转换成线圈相互的互感量的变化，然后再经过转换电路转换成为电信号输出。结构形式主要有三种：螺管型差动变压器、型差动变压器及旋转变压器。但目前常用的是螺管型差动变压器。一、螺管型差动变压器 螺管型差动变压器按绕组排列形式可分为二段式、三段式、四段式、五段式等。1.原理2022/10/2118第18页，本讲稿共45页 如上图左是三段绕组螺管型差动变压器，上图右是其等效电路。由等效电路可得 主要由线圈绕组（初级绕组和次级绕组）、可移动衔铁、导磁外壳三大部分组成。2022/10/2119第19页，本讲稿共45页所以有当衔铁处于中间位置时M1=M2，E2=0当衔铁偏离中间位置时，设当衔铁偏离中间位置时，设M M1 1M+MM+M1 1，M M2 2M MM M 2，M1 M1 M 2M 2 M M，有，有 位移量与位移量与M M有近似线性关系。有近似线性关系。2022/10/2120第20页，本讲稿共45页2.主要特性（1）输出特性 差动变压器输出电压可用下式计算：E2为差动变压器输出电压有效值；x衔铁的位移量；k1与变压器结构尺寸和电参数有关的系数；k2与变压器结构有关的系数。（2）线性度 在输出特性公式中，通常在输出特性公式中，通常k2x2lMHz)(lMHz)激励电流，产生的高频磁场作用于金激励电流，产生的高频磁场作用于金属板的表面，由于集肤效应，在金属板表面将形成涡属板的表面，由于集肤效应，在金属板表面将形成涡电流。与此同时，该涡流产生的交变磁场又反作用于电流。与此同时，该涡流产生的交变磁场又反作用于线圈，引起线圈自感线圈，引起线圈自感L L或阻抗或阻抗Z ZL L的变化，其变化与距离的变化，其变化与距离该金属板的电阻率该金属板的电阻率、磁导率、磁导率、激励电流、激励电流i i，及角频，及角频率率等有关，若只改变距离等有关，若只改变距离而保持其他系数不变，则可而保持其他系数不变，则可将位移的变化转换为线圈自感的变化，通过测量电路转换将位移的变化转换为线圈自感的变化，通过测量电路转换为电压输出。高频反射式涡流传感器多用于位移测量。为电压输出。高频反射式涡流传感器多用于位移测量。涡流式传感器可分为高频反射式和低频透射式。涡流式传感器可分为高频反射式和低频透射式。涡流式传感器可分为高频反射式和低频透射式。涡流式传感器可分为高频反射式和低频透射式。二、二、涡流传感器类型涡流传感器类型1.高频反射式2022/10/2131第31页，本讲稿共45页 低频透射式涡流传感器的工作原理如图低频透射式涡流传感器的工作原理如图所示，发射线圈所示，发射线圈1 1和接收线圈和接收线圈2 2分别置于被分别置于被测金属板材料测金属板材料G G的上、下方。的上、下方。2 2、低频透射式低频透射式 由于低频磁场集肤效应小，渗透深，当低频（音频范围由于低频磁场集肤效应小，渗透深，当低频（音频范围)电压电压e e1 1加到加到线圈线圈1 1的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板材料的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板材料G,G,使线圈使线圈2 2产生感应电动势产生感应电动势e e2 2。但由于涡流消耗部分磁场能量，使感应电动。但由于涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势势e e2 2减少，当金属板材料减少，当金属板材料G G越厚时，损耗的能量越大，输出电动势越厚时，损耗的能量越大，输出电动势e e2 2越小。因此，越小。因此，e e2 2的大小与的大小与G G的厚度及材料的性质有关，试验表明，的厚度及材料的性质有关，试验表明，e e2 2随材料厚度随材料厚度h h的增加按负指数规律减少的增加按负指数规律减少,如图所示，因此，若金属板如图所示，因此，若金属板材料的性质一定，则利用材料的性质一定，则利用e e2 2的变化即可测量其厚度。的变化即可测量其厚度。2022/10/2132第32页，本讲稿共45页三、特性分析（1）输出特性：一定距离范围内呈线性（2）灵敏度 灵敏度正比于线圈直径，反比于线圈厚度；被测测物体半径大于线圈外径1.8倍，要有一定厚度；正比于电导率，反比于磁导率；正比于工作频率。四、测量电路1.调幅式测量电路2022/10/2133第33页，本讲稿共45页2.调频式测量电路2022/10/2134第34页，本讲稿共45页2022/10/2135第35页，本讲稿共45页3.电桥测量电路2022/10/2136第36页，本讲稿共45页5-4 5-4 电感式传感器应用电感式传感器应用电感式传感器应用电感式传感器应用一、电感式传感器应用1.电感式位移式传感器2.差动变压器测速3.差动变压器测惯性加速度4.磨加工连续表面主动测量仪5.三维电感测头二、电涡流传感器应用1.涡流式传感器测位移2022/10/2137第37页，本讲稿共45页2022/10/2138第38页，本讲稿共45页2022/10/2139第39页，本讲稿共45页2022/10/2140第40页，本讲稿共45页2022/10/2141第41页，本讲稿共45页2.涡流膜厚检测3.电涡流式转速表4.电涡流式接近开关2022/10/2142第42页，本讲稿共45页2022/10/2143第43页，本讲稿共45页思考题1.查资料，了解螺管式差动变压器传感器的结构，为什么要采用多段式结构？2.螺管式差动变压器的输出，直接用电压表（直流或交流式）能否测出衔铁的位移所对应的电压？3.螺管式差动变压器为什么要采用相敏检波？结合课堂上所讲内容，仔细理解相敏检波的原理。4.查找电感式传感器应用（除课堂上应用外）的资料。2022/10/2144第44页，本讲稿共45页2022/10/2145第45页，本讲稿共45页