传感器资料.ppt

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1、4.3 4.3 电涡流式传感器电涡流式传感器 4.3.1 4.3.1 电涡流式传感器的基本原理电涡流式传感器的基本原理 涡流式传感器是利用金属导体在交流磁场中的涡流式传感器是利用金属导体在交流磁场中的电电涡流效应涡流效应。若一金属板置于一只线圈的附近，它。若一金属板置于一只线圈的附近，它们之间相互的间距为们之间相互的间距为，当线圈输入一交变电流当线圈输入一交变电流i 时，便产生交变磁通量时，便产生交变磁通量，金属板在此交变磁场金属板在此交变磁场中会产生感应电流中会产生感应电流i1 1，i1 1在金属体内是闭合的，在金属体内是闭合的，所以称之为所以称之为电涡流或涡流电涡流或涡流。涡流的大小与金属

2、板涡流的大小与金属板的电阻率的电阻率、磁导率磁导率、厚度厚度h、金属板与线圈的金属板与线圈的距离距离、激励电流角频率激励电流角频率等参数有关等参数有关。若固定。若固定某些参数，就可根据涡流的变化测量另一个参数。某些参数，就可根据涡流的变化测量另一个参数。演演示示实实验验4.3.2 电涡流传感器的等效电路电涡流传感器的等效电路把被测导体上形成的电涡流等效成一个短路环中把被测导体上形成的电涡流等效成一个短路环中的电流，短路环可以认为是一匝短路线圈，其电的电流，短路环可以认为是一匝短路线圈，其电阻为阻为R1、电感为、电感为L1。这样线圈与被测导体便可等。这样线圈与被测导体便可等效为两个相互耦合的线圈

3、。线圈与导体间存在一效为两个相互耦合的线圈。线圈与导体间存在一个互感个互感M，它随线圈与导体间距，它随线圈与导体间距x的减小而增大。的减小而增大。图图4-19 4-19 电涡流传感器等效电路电涡流传感器等效电路MMR RL L1 1L LR R1 1根据克希霍夫定律，可列出下面的方程：根据克希霍夫定律，可列出下面的方程：传感器线圈的等效阻抗为：传感器线圈的等效阻抗为：线圈的等效电阻和电感为：线圈的等效电阻和电感为：当被测导体的某些参数发生变化时，可引起涡流当被测导体的某些参数发生变化时，可引起涡流式传感器线圈的阻抗式传感器线圈的阻抗Z、电感、电感L和品质因数和品质因数Q变化，变化，测量测量Z、

4、L或或Q就可求出被测量参数的变化。就可求出被测量参数的变化。4.3.3 电涡流传感器的种类电涡流传感器的种类电涡流在金属导体内的渗透深度为电涡流在金属导体内的渗透深度为:说明电涡流在金属导体内的渗透深度与传感器说明电涡流在金属导体内的渗透深度与传感器线圈的激励信号频率有关。故电涡流式传感器线圈的激励信号频率有关。故电涡流式传感器可分为可分为高频反射式高频反射式和和低频透射式低频透射式两类。目前高两类。目前高频反射式电涡流传感器应用较广泛。频反射式电涡流传感器应用较广泛。高高频频(lMHzlMHz)激激励励电电流流产产生生的的高高频频磁磁场场作作用用于于金金属属板板的的表表面面，由由于于集集肤肤

5、效效应应，在在金金属属板板表表面面将将形形成成涡涡电电流流。与与此此同同时时，该该涡涡流流产产生生的的交交变变磁磁场场又又反反作作用用于于线线圈圈，引引起起线线圈圈自自感感L L或或阻阻抗抗Z ZL L的的变变化化。线线圈圈自自感感L L或或阻阻抗抗Z ZL L的的变变化化与与距距离离该该金金属属板板的的电电阻阻率率、磁磁导导率率、激激励励电电流流i i及及角角频频率率 等等有有关关，若若只只改改变变距距离离 而而保保持持其其它它参参数数不不变变，则则可可将将位位移移的的变变化化转转换换为为线线圈圈自自感感的的变变化化，通通过测量电路转换为电压输出。过测量电路转换为电压输出。高频反射式涡流传感

6、器多用于位移测量。高频反射式涡流传感器多用于位移测量。1.高频反射式电涡流传感器高频反射式电涡流传感器由由安安置置在在框框架架上上的的扁扁平平圆圆形形线线圈圈构构成成。此此线线圈圈可可粘粘贴贴于于框框架架上上，或或在在框框架架上上开开一一槽槽，将将导导线线绕绕在在槽槽内内。下下图图为为CZF1CZF1型型涡涡流流传传感感器器的的结结构构原原理理，它是将导线绕在聚四氟乙烯框架窄槽内。它是将导线绕在聚四氟乙烯框架窄槽内。1234561 1 线圈线圈 2 2 框架框架 3 3 衬套衬套4 4 支架支架 5 5 电缆电缆 6 6 插头插头iedMe电涡流传感器原理图电涡流传感器原理图高频激励信号使线圈

7、产生一个高频交变磁场高频激励信号使线圈产生一个高频交变磁场 i i，当被测导体靠近时，在磁场作用范围的导体表层当被测导体靠近时，在磁场作用范围的导体表层产生电涡流产生电涡流i ie e，而电涡流又将产生一交变磁场而电涡流又将产生一交变磁场 e e阻碍外磁场的变化。在被测导体内存在着电涡流阻碍外磁场的变化。在被测导体内存在着电涡流损耗（损耗（当频率较高时，忽略磁损耗当频率较高时，忽略磁损耗）。能量损耗）。能量损耗使传感器的使传感器的QQ值和等效阻抗值和等效阻抗Z Z降低，因此当被测体降低，因此当被测体与传感器间的距离与传感器间的距离d d改变时，传感器的改变时，传感器的Q Q值和等效值和等效阻抗

8、阻抗Z Z、电感电感L L均发生变化，于是把位移量转换成均发生变化，于是把位移量转换成电量。这便是电涡流传感器的基本原理。电量。这便是电涡流传感器的基本原理。2.低频透射式电涡流传感器低频透射式电涡流传感器发发射射线线圈圈L L1 1和和接接收收线线圈圈L L2 2分分置置于于被被测测金金属属板板的的上上下下方方。由由于于低低频频磁磁场场集集肤肤效效应应小小，渗渗透透深深，当当低低频频(音音频频范范围围)电电压压u u1 1加加到到线线圈圈L L1 1的的两两端端后后，所所产产生生磁磁力力线线的的一一部部分分透透过过金金属属板板,使使线线圈圈L L2 2产产生生感感应应电电动动势势u u2 2

9、。但但由由于于涡涡流流消消耗耗部部分分磁磁场场能能量量，使使感感应应电电动动势势u u2 2减减少少，当当金金属属板板越越厚厚时时，损损耗耗的的能能量量越越大大，输输出出电电动动势势u u2 2越越小小。因因此此，u u2 2的的大大小小与与金金属属板板的的厚厚度度及及材材料料的的性性质质有有关关.试试验验表表明明u u2 2随随材材料料厚厚度度h h的的增增加加按按负负指指数数规规律律减减少少,因因此此，若若金金属属板板材材料料的的性性质质一一定定，则则利利用用u u2 2的的变化即可测厚度。变化即可测厚度。线圈线圈L2 的感应电压与被测厚度的增大按负幂指数的感应电压与被测厚度的增大按负幂指

10、数的规律减小，即的规律减小，即式中式中 被测金属板的厚度；被测金属板的厚度；h贯穿深度。贯穿深度。测量厚度时，激励频率应选得较低。频率测量厚度时，激励频率应选得较低。频率太高，贯穿深度小于被测厚度，不利于进行厚太高，贯穿深度小于被测厚度，不利于进行厚度测量，通常选度测量，通常选激励频率为激励频率为1kHz左右左右。测测薄金属板薄金属板时，频率一般应略时，频率一般应略高高些，些，测厚测厚金属板金属板时，频率应时，频率应低低些。在测量电阻率些。在测量电阻率较小较小的的材料时，应选较材料时，应选较低低的频率（如的频率（如500Hz），测量），测量较大较大的材料时，应选用较的材料时，应选用较高高的频率

11、（如的频率（如2kHz），），从而保证在测量不同材料时能得到较好的线性从而保证在测量不同材料时能得到较好的线性和灵敏度。和灵敏度。4.3.4 电涡流传感器的转换电路电涡流传感器的转换电路电涡流传感器转换电路的作用就是将电涡流传感器转换电路的作用就是将Z、L或或Q转转换为电压或电流的变化。换为电压或电流的变化。阻抗阻抗Z的转换电路一般的转换电路一般用用电桥电桥，电感电感L的转换电路一般用的转换电路一般用谐振电路谐振电路，又，又可以分为调幅法和调频法两种。可以分为调幅法和调频法两种。1.交流电桥交流电桥将传感器线圈的阻抗变化转化为电压或电流的将传感器线圈的阻抗变化转化为电压或电流的变化。图中变化。

12、图中L1、L2是两个是两个差动差动传感器线圈传感器线圈，它，它们与电容们与电容C1、C2的并联阻抗的并联阻抗Z1、Z2作为电桥的作为电桥的两个桥臂两个桥臂.U U0 0图图4-22 4-22 交流电桥测量电路交流电桥测量电路L L1 1振荡器振荡器R R1 1R R2 2C C2 2 C C1 1L L2 2检波检波检波检波放大放大放大放大2.调幅式电路调幅式电路 图图4-23 4-23 调幅式测量电路原理框图调幅式测量电路原理框图晶体振荡器晶体振荡器L LC C输出输出放大放大检波检波滤波滤波R R涡流传感器线圈与电容并联组成涡流传感器线圈与电容并联组成LC并联谐振回并联谐振回路，由恒流源石

13、英晶体振荡器供电。没有被测物路，由恒流源石英晶体振荡器供电。没有被测物体时，并联谐振回路的谐振频率等于激励振荡器体时，并联谐振回路的谐振频率等于激励振荡器的频率的频率f0，此时，此时LC并联回路呈现阻抗最大。并联回路呈现阻抗最大。谐振回路上输出电压谐振回路上输出电压U0为：为：U0=I0Z 4.4 电感式传感器的应用电感式传感器的应用图图4-25 4-25 加速度传感器加速度传感器1 1 悬臂梁；悬臂梁；2 2 差动变压器；差动变压器；3 3 衔铁衔铁1 12 2a3 3位移测量位移测量振幅测量振幅测量转速测量转速测量差动式电感测厚仪差动式电感测厚仪L L1 1和和和和L L2 2为电感传感器

14、的两个线圈，构成桥路相邻两桥为电感传感器的两个线圈，构成桥路相邻两桥为电感传感器的两个线圈，构成桥路相邻两桥为电感传感器的两个线圈，构成桥路相邻两桥臂，另两个桥臂是臂，另两个桥臂是臂，另两个桥臂是臂，另两个桥臂是C C1 1、C C2 2。4 4只二极管和只二极管和只二极管和只二极管和4 4只电阻只电阻只电阻只电阻R R1 1RR4 4（减小温度误差）组成相敏整流器。（减小温度误差）组成相敏整流器。（减小温度误差）组成相敏整流器。（减小温度误差）组成相敏整流器。1.若若L1 1L2 2，不论电源极性是不论电源极性是a点为正点为正b点为负（点为负（D1 1，D4 4导导通）；或通）；或a点为负点

15、为负b点为正点为正（D2 2，D3 3导通），导通），d点电位点电位总是高于总是高于c点点电位，电位，M的指的指针向一个方向偏转。针向一个方向偏转。2.若若L1 1L2 2，d点电位总是低于点电位总是低于c点电位，点电位，M的指的指针向另一个方向偏转。针向另一个方向偏转。电感测微仪电感测微仪探头探头测量测量电桥电桥交流交流放大放大相敏相敏检波检波指示器指示器振荡器振荡器变气隙式电感测微仪变气隙式电感测微仪F F电感压力传感器电感压力传感器 变气隙式结构变气隙式结构图图4-26 4-26 微压传感器微压传感器1 1 接头；接头；2 2 膜盒；膜盒；3 3 底座；底座；4 4 线路板；线路板；5

16、5 差动变压器；差动变压器；6 6 衔铁；衔铁；7 7 罩壳罩壳1 12 23 34 45 56 67 7变气隙式差动压力传感器变气隙式差动压力传感器电感式油压传感器电感式油压传感器 液压传动的各种机械装置液压传动的各种机械装置电感式接近传感器电感式接近传感器电感式接近传感器电感式接近传感器应用举例应用举例1 1、生产中测量产品的长度、生产中测量产品的长度每个脉冲对应的长度：每个脉冲对应的长度：每个脉冲对应的长度：每个脉冲对应的长度：被测物总长度：被测物总长度：被测物总长度：被测物总长度：2 2、生产线工件的计数、生产线工件的计数3 3、机械手的限位、机械手的限位4 4、生产工件加工定位、生产工件加工定位5 5、时序控制、时序控制动画按扭动画按扭动画按扭动画按扭P79 2、3、4、7