传感器检测项目四几何量的检测与处理.ppt

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1、自动检测技术自动检测技术傅大梅2008.92008.9项目四 几何量的检测与处理 任务一任务一:自动分检装置自动分检装置 任务二任务二:涡流非导电材料厚度测量涡流非导电材料厚度测量 任务三任务三:汽车油箱油量的检测汽车油箱油量的检测 任务四任务四:污水池液位的检测污水池液位的检测知识点知识点电感式、电容式、超声波传感器的分类与基本结构电感式、电容式、超声波传感器的分类与基本结构电感式、电容式传感器的测量方法与适用范围电感式、电容式传感器的测量方法与适用范围超声波式传感器的工作原理超声波式传感器的工作原理技能点技能点掌握电感式传感器的使用、测量方法掌握电感式传感器的使用、测量方法掌握电容式传感器

2、的使用、测量方法掌握电容式传感器的使用、测量方法项目四 几何量的检测与处理掌握超声波式传感器的使用方法掌握超声波式传感器的使用方法问题引入：问题引入：1.1.什么是几何量？什么是几何量？几何量是表征物体的尺寸、形状和位置几何量是表征物体的尺寸、形状和位置的一种空间量，用来描述物体的几何特征。的一种空间量，用来描述物体的几何特征。几何量的基本参量主要有两个，即长度和角几何量的基本参量主要有两个，即长度和角度，此外，它还包括一些多维复合工程参量，度，此外，它还包括一些多维复合工程参量，如圆度、表面粗糙度等。如圆度、表面粗糙度等。项目四 几何量的检测与处理位移、角位移位移、角位移面与面、线与线、点与

3、点之间的距面与面、线与线、点与点之间的距离及它们之间的组合离及它们之间的组合问题引入：问题引入：2.2.各类常用的位移传感器有哪些？各类常用的位移传感器有哪些？能感受位移并按一定规律将其转换成可能感受位移并按一定规律将其转换成可用输出信号的器件或装置称为位移传感器。用输出信号的器件或装置称为位移传感器。项目四 几何量的检测与处理问题引入：问题引入：2.2.各类常用的位移传感器有哪些？各类常用的位移传感器有哪些？项目四 几何量的检测与处理电感式传感器电感式传感器电感式传感器的工作原理？电感式传感器的工作原理？电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被电感式传

4、感器是基于电磁感应原理，它是把被电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。测量转化为电感量的一种装置。测量转化为电感量的一种装置。测量转化为电感量的一种装置。电感式传感器电感式传感器自感型自感型可变磁阻型可变磁阻型涡流式涡流式互感型互感型项目四 几何量的检测与处理任务一:自动分检装置自动分检装置任务目标:气隙变小、电感变大、电流变小气隙变小、电感变大、电流变小电感式传感器电感式传感器自感式传感器自感式传感器1.1.自感式传感器的工作原理？自感式传感器的工作原理？任务一:自动分检装置自动分检装置组成：线圈1，铁芯2，衔铁3，螺旋管4和铁心5等。0.5l123x(a)变间

5、隙式(b)变截面式(C)螺管型45N：线圈匝数；Rm：磁路总磁阻(铁芯与衔铁磁阻和空气隙磁阻)任务一:自动分检装置自动分检装置自感式传感器自感式传感器自感式传感器自感式传感器自感式传感器的工作原理？自感式传感器的工作原理？任务一:自动分检装置自动分检装置自感式传感器自感式传感器自感式传感器自感式传感器线圈的电感为：因为气隙较小(为0.11mm)，所以，认为气隙磁场是均匀的，忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为：自感式传感器的工作原理？自感式传感器的工作原理？任务一:自动分检装置自动分检装置自感式传感器自感式传感器变间隙式传感器变间隙式传感器1.1.变间隙电感传感器的工作原理？变间隙电感传感器的工作原理

6、？任务一:自动分检装置自动分检装置当衔铁处于初始位置时，初始电感量为：当衔铁上移时：自感式传感器自感式传感器变间隙式传感器变间隙式传感器1.1.变间隙电感传感器的工作原理变间隙电感传感器的工作原理输出特性输出特性，上式用泰勒级数展开成如下的级数形式 任务一:自动分检装置自动分检装置当衔铁处于初始位置时，初始电感量为：当衔铁下移时：自感式传感器自感式传感器变间隙式传感器变间隙式传感器1.1.变间隙电感传感器的工作原理变间隙电感传感器的工作原理输出特性输出特性，上式用泰勒级数展开成如下的级数形式 作线性处理后，即忽略高次项后可得：定义灵敏度为：任务一:自动分检装置自动分检装置自感式传感器自感式传感

7、器变间隙式传感器变间隙式传感器1.1.变间隙电感传感器的工作原理变间隙电感传感器的工作原理输出特性输出特性1.输出-输入特性是非线性的。2.欲提高其灵敏度需减小气隙厚度。3.减小气隙厚度会增加非线性误差，且受到工艺和结构的限制。适用于测量微小位移场合。4.取=0.10.5mm,=(0.10.2)5.4.常采用差动式结构。任务一:自动分检装置自动分检装置自感式传感器自感式传感器变间隙式传感器变间隙式传感器2.2.变间隙电感传感器的工作特性：变间隙电感传感器的工作特性：任务一:自动分检装置自动分检装置自感式传感器自感式传感器变间隙式传感器变间隙式传感器1-铁芯；2-线圈；3-衔铁差动式原理：差动变

8、隙式由两个相同的线圈和磁路组成。当被测量通过导杆使衔铁上下位移时，两个回路中磁阻发生大小相等、方向相反的变化，形成差动形式。3.3.差动变间隙电感传感器的工作原理：差动变间隙电感传感器的工作原理：任务一:自动分检装置自动分检装置自感式传感器自感式传感器变间隙式传感器变间隙式传感器1-铁芯；2-线圈；3-衔铁电感的变化为：3.3.差动变间隙电感传感器的工作原理差动变间隙电感传感器的工作原理输出特性输出特性忽略高次项得:差动式灵敏度为：任务一:自动分检装置自动分检装置自感式传感器自感式传感器变间隙式传感器变间隙式传感器1.差动变间隙式自感传感器的灵敏度是单线圈式传感器的两倍。2.差动变间隙式自感式

9、传感器线性度得到明显改善。3.温度变化、电源波动、外界干扰等对传感器的影响，由于能够相互抵消而减小。4.这些结论对下面讨论的截面型及螺管型传感器也同样适合。3.3.差动变间隙电感传感器的工作特性：差动变间隙电感传感器的工作特性：任务一:自动分检装置自动分检装置自感式传感器自感式传感器变面积式传感器变面积式传感器1.1.变面积式电感传感器的工作原理？变面积式电感传感器的工作原理？任务一:自动分检装置自动分检装置自感式传感器自感式传感器变面积式传感器变面积式传感器1.1.变面积式电感传感器的工作原理变面积式电感传感器的工作原理输出特性输出特性气隙长度保持不变，令磁通截面积随被测位移而变。初始时，衔

10、铁与铁芯覆盖长度为a，此时：若衔铁沿水平方向左移a，则：任务一:自动分检装置自动分检装置自感式传感器自感式传感器变面积式传感器变面积式传感器1.1.变面积式电感传感器的工作原理变面积式电感传感器的工作原理输出特性输出特性若衔铁沿水平方向左移a，则：对上式计算得：灵敏度k0为：任务一:自动分检装置自动分检装置自感式传感器自感式传感器变面积式传感器变面积式传感器2.2.变面积式电感传感器的工作特性：变面积式电感传感器的工作特性：1）变面积式自感传感器在忽略气隙磁通边缘效应的条件下，输入与输出呈线性关系，能得到较大的线性范围。2）与变气隙式自感传感器相比，其灵敏度较低。任务一:自动分检装置自动分检装

11、置自感式传感器自感式传感器螺管型传感器螺管型传感器1.1.螺管型电感传感器的工作原理？螺管型电感传感器的工作原理？rx螺旋管铁心单线圈螺管型传感器结构图l主要元件为一只螺管线圈和一根圆柱形铁芯。传感器工作时，因铁芯在线圈中伸入长度的变化，引起螺管线圈自感值的变化。设线圈长度为l、线圈的平均半径为r、线圈的匝数为N、衔铁进入线圈的长度la、衔铁的半径为ra、铁心的有效磁导率为m，则线圈的电感量L与衔铁进入线圈的长度la的关系可表示为:任务一:自动分检装置自动分检装置1.1.螺管型电感传感器的工作原理螺管型电感传感器的工作原理输出特性输出特性自感式传感器自感式传感器螺管型传感器螺管型传感器任务一:

12、自动分检装置自动分检装置1.1.螺管型电感传感器的工作特性螺管型电感传感器的工作特性自感式传感器自感式传感器螺管型传感器螺管型传感器1）结构简单，制造装配容易；2）由于空气间隙大，磁路的磁阻高，因此灵敏度低，但线性范围大；3）由于磁路大部分为空气，易受外部磁场干扰4）由于磁阻高，为了达到某一自感量，需要的线圈匝数多，因而线圈分布电容大；5）要求线圈框架尺寸和形状必须稳定，否则影响其线性和稳定性。任务一:自动分检装置自动分检装置1.1.自感式传感器的测量电路的作用自感式传感器的测量电路的作用自感式传感器自感式传感器测量电路测量电路 为了测出自感或互感量的变化，同时也为了送入下级电路进行放大和处理

13、，就要用转换电路把自感变化转换成电压（或电流）变化。把传感器自感接入不同的转换电路后，原则上可将自感变化抟换成电压（电流）的幅值、频率、相位的变化，它们分别称为调幅、调频、调相电路。任务一:自动分检装置自动分检装置1.1.自感式传感器的测量电路自感式传感器的测量电路交流电桥交流电桥自感式传感器自感式传感器测量电路测量电路两个桥臂由相同线圈组成，另外两个为平衡电阻。（a)交流电桥结构示意图 (b)等效电路 任务一:自动分检装置自动分检装置1.1.自感式传感器的测量电路自感式传感器的测量电路交流电桥交流电桥自感式传感器自感式传感器测量电路测量电路两个桥臂由相同线圈组成，另外两个为平衡电阻。(b)等

14、效电路 电桥平衡条件：Z1=Z2;Z3=Z4衔铁偏离中心位置后：忽略高次项,有：，故：任务一:自动分检装置自动分检装置2.2.自感式传感器的测量电路自感式传感器的测量电路变压器电桥变压器电桥自感式传感器自感式传感器测量电路测量电路u0z2z1u/2u/2电桥两臂Z1、Z2为传感器线圈阻抗,另外两桥臂为交流变压器次级线圈的 1/2 阻抗。当负截阻抗为无穷大时,桥路输出电压：初始平衡状态，Z1=Z2=Z,u0=0u0z2z1u/2u/2当双臂工作时，衔铁下移，此时Z1=ZZ，Z2=Z+Z，有：当双臂工作时，衔铁上移，此时Z1=Z+Z，Z2=Z-Z，有：任务一:自动分检装置自动分检装置2.2.自感式

15、传感器的测量电路自感式传感器的测量电路变压器电桥变压器电桥自感式传感器自感式传感器测量电路测量电路任务一:自动分检装置自动分检装置2.2.自感式传感器的测量电路自感式传感器的测量电路变压器电桥的特性：变压器电桥的特性：自感式传感器自感式传感器测量电路测量电路1）使用元件少，输出阻抗小,获得广泛应用；2）两种情况的输出电压大小相等，方向相反，即相位差180o。为了判别衔铁位移方向，即判别信号的相位，要在后续电路中配置相敏检波器来解决。任务一:自动分检装置自动分检装置2.2.自感式传感器的测量电路自感式传感器的测量电路相敏检波电路相敏检波电路自感式传感器自感式传感器测量电路测量电路 如果在输出电压

16、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波电路。任务一:自动分检装置自动分检装置2.2.自感式传感器的测量电路自感式传感器的测量电路相敏检波电路相敏检波电路自感式传感器自感式传感器测量电路测量电路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任务一:自动分检装置自动分检装置3.3.自感式传感器的测量电路自感式传感器的测量电路调幅电路和调频电路调幅电路和调频电路自感式传感器自感式传感器测量电路测量电路 调幅式电路调幅式电路调幅式电路调幅式电路输出幅值随电

17、感输出幅值随电感输出幅值随电感输出幅值随电感L L L L变化变化变化变化谐振频率随电感谐振频率随电感谐振频率随电感谐振频率随电感L L L L变化变化变化变化调频式电路调频式电路调频式电路调频式电路任务一:自动分检装置自动分检装置电感式传感器电感式传感器互感式传感器互感式传感器1.1.互感式传感器的工作原理（差动变压器式）？互感式传感器的工作原理（差动变压器式）？任务一:自动分检装置自动分检装置v 把被测的非电量变化转换成为线圈把被测的非电量变化转换成为线圈互感量互感量M M的变化的传感器称为互感式传的变化的传感器称为互感式传感器。感器。这种传感器根据变压器的基本原理这种传感器根据变压器的基

18、本原理制成，并将次级线圈绕组用差动形式制成，并将次级线圈绕组用差动形式连接。连接。差动变压器的结构形式较多，应用差动变压器的结构形式较多，应用最多的是螺线管式差动变压器。它可最多的是螺线管式差动变压器。它可测量测量1 1100mm100mm范围内的机械位移。范围内的机械位移。次次级级次次级级骨架骨架初初级级衔衔铁铁次次级级次次级级初初级级电感式传感器电感式传感器互感式传感器互感式传感器1.1.互感式传感器的工作原理（差动变压器式）？互感式传感器的工作原理（差动变压器式）？W1W2AW2B在线圈框架上绕有一组输入线圈（称一次绕组），作为差动变压器激励用，相当于变压器的原边；在同一线圈框架的上端和

19、下端再绕制两组完全对称的线圈（称二次绕组），相当于变压器的副边。它们反向串联，组成差动输出形式。电感式传感器电感式传感器互感式传感器互感式传感器1.1.互感式传感器的工作原理（差动变压器式）？互感式传感器的工作原理（差动变压器式）？任务一:自动分检装置自动分检装置在线圈框架上绕有一组输入线圈（称一次绕组），作为差动变压器激励用，相当于变压器的原边；在同一线圈框架的上端和下端再绕制两组完全对称的线圈（称二次绕组），相当于变压器的副边。它们反向串联，组成差动输出形式。电感式传感器电感式传感器互感式传感器互感式传感器1.1.互感式传感器的工作原理（差动变压器式）？互感式传感器的工作原理（差动变压器式

20、）？任务一:自动分检装置自动分检装置U1E2M1M2W2AW2b如果线圈完全对称并且衔铁处于中间位置时两线圈互感系数相等，则电动势相等：电感式传感器电感式传感器互感式传感器互感式传感器任务一:自动分检装置自动分检装置U1E2M1M2W2AW2b如果衔铁上下移动时，输出电压随衔铁位移变化。若衔铁上移：若衔铁下移：可见，输出电压大小和符号反映了铁心位移的大小和方向。1.1.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输出特性输出特性当次级开路时有，初级线圈激励电流：根据电磁感应定律，次级绕组中感应电势的表达式为 次级两绕组反相串联，且考虑到次级开路，则 电感式传感器电感式传感器互感式传

21、感器互感式传感器1.1.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输出特性输出特性任务一:自动分检装置自动分检装置输出电压有效值：，输出电压和互感差值有关。（1）当活动衔铁处于中间位置时 M1=M2=M，则 U2=0（2）当活动衔铁向W2a方向移动时 M1=M+M,M2=M-M（3）当活动衔铁向W2b方向移动时 M1=M-M，M2=M+M 电感式传感器电感式传感器互感式传感器互感式传感器任务一:自动分检装置自动分检装置1.1.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输出特性输出特性副0e2e2e2Ae2Bx副原线圈差动变压器输出电势e2与衔铁位移x的关系。其中x表

22、示衔铁偏离中心位置的距离。电感式传感器电感式传感器互感式传感器互感式传感器任务一:自动分检装置自动分检装置1.1.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输出特性输出特性1）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。2）为了提高灵敏度，励磁电压在10V左右为宜。电源频率以110kHz为好。3）差动变压器线性范围约为线圈骨架长度的1/10左右。例：欲测量例：欲测量20mm 2mm轴的直径误差，应选择线轴的直径误差，应选择线圈骨架长度为多少的差动变压器（或电感传感器）圈骨架长度为多少的差动变压器（或电感传感器）为宜为宜？电感式传感器电感式传感器互感式传感器互

23、感式传感器1.1.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工作特性工作特性任务一:自动分检装置自动分检装置电感式传感器电感式传感器互感式传感器互感式传感器2.2.差动变压器式传感器的误差分析差动变压器式传感器的误差分析任务一:自动分检装置自动分检装置1 1）激励电压幅值与频率的影响）激励电压幅值与频率的影响 激励电源电压幅值的波动，会使线圈激励磁场的磁通发生变化，直接影响输出电势。而频率的波动，只要适当地选择频率，其影响不大。2 2）温度变化的影响）温度变化的影响 周围环境温度的变化，引起线圈及导磁体磁导率的变化，从而使线圈磁场发生变化产生温度漂移。当线圈品质因数较低时，影响更

24、为严重，因此，适当提高线圈品质因数并采用差动电桥可以减少温度的影响。电感式传感器电感式传感器互感式传感器互感式传感器2.2.差动变压器式传感器的误差分析差动变压器式传感器的误差分析任务一:自动分检装置自动分检装置3 3）零点残余电压的影响）零点残余电压的影响 当差动变压器的衔铁处于中间位置时，理想条件下其输出电压为零。但实际上，当使用桥式电路时，在零点仍有一个微小的电压值(从零点几mV到数十mV)存在，称为零点残余电压。0e2x-xe20电感式传感器电感式传感器互感式传感器互感式传感器2.2.差动变压器式传感器的误差分析差动变压器式传感器的误差分析任务一:自动分检装置自动分检装置3 3）零点残

25、余电压的影响）零点残余电压的影响 零点残余电压的存在造成零点附近的不灵敏区；零点残余电压太大，将使线性度变坏；零点残余电压输入放大器内会使放大器末级趋向饱和，影响电路正常工作等。电感式传感器电感式传感器互感式传感器互感式传感器2.2.差动变压器式传感器的误差分析差动变压器式传感器的误差分析任务一:自动分检装置自动分检装置3 3）零点残余电压的影响）零点残余电压的影响原因原因ee1e20e2012345(a)残余电压的波形(b)波形分析tt1 基波正交分量 2 基波同相分量 3 二次谐波 4 三次谐波 5 电磁干扰基基波波分分量量。由于差动变压器两个次级绕组不可能完全一致，因此它的等等效效电电路

26、路参参数数（互感M、自感L及损耗电阻R）不可能相同，从而使两个次级绕组的感应电势数值不等。又因初级线圈中铜损电阻及导磁材料的铁损和材质的不均匀，线圈匝间电容的存在等因素，使激励电流与所产生的磁通相位不同。电感式传感器电感式传感器互感式传感器互感式传感器2.2.差动变压器式传感器的误差分析差动变压器式传感器的误差分析任务一:自动分检装置自动分检装置3 3）零点残余电压的影响）零点残余电压的影响原因原因ee1e20e2012345(a)残余电压的波形(b)波形分析tt1 基波正交分量 2 基波同相分量 3 二次谐波 4 三次谐波 5 电磁干扰高高次次谐谐波波。高次谐波分量主要由导磁材料磁化曲线的非

27、非线线性性引起。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一致产生了非正弦(主要是三次谐波)磁通，从而在次级绕组感应出非正弦电势。另外，激励电流波形失真，因其内含高次谐波分量，这样也将导致零点残余电压中有高次谐波成分。电感式传感器电感式传感器互感式传感器互感式传感器2.2.差动变压器式传感器的误差分析差动变压器式传感器的误差分析任务一:自动分检装置自动分检装置3 3）点残余电压的影响）点残余电压的影响消除方法消除方法 从设计和工艺上保证结构对称性 为保证线圈和磁路的对称性，首先，要求提高加工精度，线圈选配成对，采用磁路可调节结构。其次，应选高磁导率、低矫顽力、低剩磁感应的导磁材料。

28、并应经过热处理，消除残余应力，以提高磁性能的均匀性和稳定性。由高次谐波产生的因素可知，磁路工作点应选在磁化曲线的线性段。电感式传感器电感式传感器互感式传感器互感式传感器2.2.差动变压器式传感器的误差分析差动变压器式传感器的误差分析任务一:自动分检装置自动分检装置3 3）零零点点残残余余电电压压的的影影响响消消除除方方法法 选用合适的测量线路 采用相敏检波电路不仅可鉴别衔铁移动方向，而且把衔铁在中间位置时，因高次谐波引起的零点残余电压消除掉。如图，采用相敏检波后衔铁反行程时的特性曲线由1变到2，从而消除了零点残余电压。e2+x-x210相敏检波后的输出特性电感式传感器电感式传感器互感式传感器互

29、感式传感器2.2.差动变压器式传感器的误差分析差动变压器式传感器的误差分析任务一:自动分检装置自动分检装置3 3）零零点点残残余余电电压压的的影影响响消除方法消除方法 选用合适的补偿电路 并联电位器W用于调零，改变两次级线圈输出电压的相位，如图所示。电容C(0.02F)可防止调整电位器时使零点移动。e1e2CR1R2W电感式传感器电感式传感器互感式传感器互感式传感器2.2.差动变压器式传感器的误差分析差动变压器式传感器的误差分析任务一:自动分检装置自动分检装置3 3）零零点点残残余余电电压压的的影影响响消除方法消除方法 选用合适的补偿电路接入R0(几百k)或补偿线圈L0(几百匝)。绕在差动变压

30、器的初级线圈上以减小负载电压，避免负载不是纯电阻而引起较大的零点残余电压。e1e2R0W(a)R或L补偿电路e1e2L0W(b)电感式传感器电感式传感器互感式传感器互感式传感器3.3.差动变压器式传感器的测量电路差动变压器式传感器的测量电路任务一:自动分检装置自动分检装置两个目的：两个目的：辨别移动方向消除零点残余电压两种方法：两种方法：差动整流电路相敏检波电路电感式传感器电感式传感器互感式传感器互感式传感器3.3.差动变压器式传感器的测量电路差动变压器式传感器的测量电路差动整流电路差动整流电路任务一:自动分检装置自动分检装置3.3.差动变压器式传感器的测量电路差动变压器式传感器的测量电路差动

31、整流电路差动整流电路R02b537e1RR86a4cUSC1d电感式传感器电感式传感器互感式传感器互感式传感器3.3.差动变压器式传感器的测量电路差动变压器式传感器的测量电路差动整流电路差动整流电路任务一:自动分检装置自动分检装置3.3.差动变压器式传感器的测量电路差动变压器式传感器的测量电路差动整流电路差动整流电路差动整流电路分析动画演示：差动整流电路分析动画演示：差分整流上线圈上半周差分整流上线圈上半周差分整流上线圈下半周差分整流上线圈下半周差分整流下线圈上半周差分整流下线圈上半周差分整流下线圈下半周差分整流下线圈下半周铁铁芯芯上上移移铁铁芯芯下下移移U0U0任务二:涡流非导电材料厚度测量

32、 任务目标:电感式传感器电感式传感器电涡流式传感器电涡流式传感器1.1.电涡流式传感器的外形和结构？电涡流式传感器的外形和结构？任务二:涡流非导电材料厚度测量 电感式传感器电感式传感器电涡流式传感器电涡流式传感器1.1.电涡流式传感器的外形和结构？电涡流式传感器的外形和结构？任务二:涡流非导电材料厚度测量 1234561 线圈 2 框架 3 衬套4 支架 5 电缆 6 插头电感式传感器电感式传感器电涡流式传感器电涡流式传感器2.2.电涡流式传感器的工作原理？电涡流式传感器的工作原理？任务二:涡流非导电材料厚度测量 块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时,导体内将产生呈涡旋状的

33、感应电流,此电流叫电涡流,以上现象称为电涡流效应。特点：能对位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等进行非接触式连续测量。线圈置于金属导体附近：线圈中通以高频信号 is 正弦交变磁场 H1 金属导体内就会产生涡流 涡流产生电磁场 反作用于线圈,改变了电感 电感式传感器电感式传感器电涡流式传感器电涡流式传感器2.2.电涡流式传感器的工作原理？电涡流式传感器的工作原理？任务二:涡流非导电材料厚度测量 距离x 减小，等效电感L 减小，等效电阻R 增大，电涡流线圈的电流 i1 增大。电感式传感器电感式传感器电涡流式传感器电涡流式传感器2.2.电涡流式传感器的工作原理电涡流式传感器的工作原理电涡流效

34、应演示电涡流效应演示任务二:涡流非导电材料厚度测量 电感式传感器电感式传感器电涡流式传感器电涡流式传感器2.2.电涡流式传感器的工作原理电涡流式传感器的工作原理等效电路分析等效电路分析任务二:涡流非导电材料厚度测量 根根根根据据据据涡涡涡涡流流流流的的的的分分分分布布布布，可可可可以以以以把把把把涡涡涡涡流流流流所所所所在在在在范范范范围围围围近近近近似似似似看看看看成成成成一一一一个个个个单单单单匝匝匝匝短短短短路路路路次次次次级级级级线线线线圈圈圈圈。当当当当线线线线圈圈圈圈靠靠靠靠近近近近金金金金属属属属导导导导体体体体时，次级线圈通过互感时，次级线圈通过互感时，次级线圈通过互感时，次级

35、线圈通过互感 M M M M 对初级作用。对初级作用。对初级作用。对初级作用。等效电路的两个回路方程：等效电路的两个回路方程：等效电路的两个回路方程：等效电路的两个回路方程：电感式传感器电感式传感器电涡流式传感器电涡流式传感器2.2.电涡流式传感器的工作原理电涡流式传感器的工作原理等效电路分析等效电路分析等效电感为：等效电感为：等效电感为：等效电感为：解方程得到传感器的等效阻抗解方程得到传感器的等效阻抗解方程得到传感器的等效阻抗解方程得到传感器的等效阻抗 等效电阻为：等效电阻为：等效电阻为：等效电阻为：任务二:涡流非导电材料厚度测量 电感式传感器电感式传感器电涡流式传感器电涡流式传感器2.2.

36、电涡流式传感器的工作原理电涡流式传感器的工作原理等效电路分析等效电路分析任务二:涡流非导电材料厚度测量 结论：结论：结论：结论：凡凡凡凡是是是是能能能能引引引引起起起起 R R R R2 2 2 2 L L L L2 2 2 2 M M M M变变变变化化化化的的的的物物物物理理理理量量量量均均均均可可可可以以以以引引引引起起起起传传传传感感感感器器器器线线线线圈圈圈圈R R R R1 1 1 1、L L L L1 1 1 1的的的的变化。变化。变化。变化。被被被被测测测测体体体体（金金金金属属属属）的的的的电电电电阻阻阻阻率率率率导导导导磁磁磁磁率率率率厚厚厚厚度度度度d d d d，线线线

37、线圈圈圈圈与与与与被被被被测测测测体体体体间间间间的的的的距距距距离离离离X X X X，激激激激励励励励线线线线圈圈圈圈的的的的角角角角频频频频率率率率等等等等都都都都通通通通过过过过涡涡涡涡流流流流效效效效应应应应和和和和磁磁磁磁效效效效应应应应与与与与线线线线圈圈圈圈阻抗阻抗阻抗阻抗Z Z Z Z发生关系。发生关系。发生关系。发生关系。电感式传感器电感式传感器电涡流式传感器电涡流式传感器2.2.电涡流式传感器的工作原理电涡流式传感器的工作原理等效电路分析等效电路分析任务二:涡流非导电材料厚度测量 结论：结论：结论：结论：、d d d d、X X X X、的变化使的变化使的变化使的变化使R

38、1R1R1R1、L1L1L1L1发生变发生变发生变发生变化，若控制某些参数不变，只改变其中一个参化，若控制某些参数不变，只改变其中一个参化，若控制某些参数不变，只改变其中一个参化，若控制某些参数不变，只改变其中一个参数，数，数，数，可使阻抗可使阻抗可使阻抗可使阻抗 Z Z Z Z 成为这个参数的单值函数。成为这个参数的单值函数。成为这个参数的单值函数。成为这个参数的单值函数。电感式传感器电感式传感器电涡流式传感器电涡流式传感器2.2.电涡流式传感器的工作原理电涡流式传感器的工作原理集肤效应集肤效应任务二:涡流非导电材料厚度测量 电涡流在金属导体的纵深方向并不是均匀分布的，而只集中在金属导体的表

39、面，这称为集肤效应（也称趋肤效应）。集肤效应与激励源频率f、工件的导电率、磁导率等有关。频率f越高，电涡流的渗透的深度就越浅，集肤效应越严重。穿透深度h可表示为：导电率(cm)；r磁导率；f激励源频率(Hz)。电感式传感器电感式传感器电涡流式传感器电涡流式传感器3.3.电涡流式传感器的测量电路电涡流式传感器的测量电路谐振电路谐振电路 任务二:涡流非导电材料厚度测量 调幅式（调幅式（AMAM）：控制幅值变化）：控制幅值变化由由由由石石石石英英英英晶晶晶晶体体体体和和和和传传传传感感感感器器器器线线线线圈圈圈圈L L L L、电电电电容容容容器器器器C C C C组组组组成成成成。石石石石英英英英

40、晶晶晶晶体体体体振振振振荡荡荡荡器器器器起起起起恒恒恒恒流流流流源源源源的的的的作作作作用用用用，给给给给谐谐谐谐振振振振回回回回路路路路提提提提供供供供一一一一个个个个频频频频率率率率（f f f f0 0 0 0）稳稳稳稳定定定定的的的的激激激激励励励励电电电电流流流流i i i io o o o，LCLCLCLC回回回回路输出电压。路输出电压。路输出电压。路输出电压。电感式传感器电感式传感器电涡流式传感器电涡流式传感器3.3.电涡流式传感器的测量电路电涡流式传感器的测量电路谐振电路谐振电路 任务二:涡流非导电材料厚度测量 调幅式（调幅式（AMAM）：控制幅值变化）：控制幅值变化式中,Z为

41、LC回路的阻抗。电感式传感器电感式传感器电涡流式传感器电涡流式传感器3.3.电涡流式传感器的测量电路电涡流式传感器的测量电路谐振电路谐振电路 任务二:涡流非导电材料厚度测量 调幅式（调幅式（AMAM）：控制幅值变化）：控制幅值变化电感式传感器电感式传感器电涡流式传感器电涡流式传感器3.3.电涡流式传感器的测量电路电涡流式传感器的测量电路谐振电路谐振电路 任务二:涡流非导电材料厚度测量 调幅式（调幅式（AMAM）：控制幅值变化）：控制幅值变化 当当金金属属导导体体远远离离或或去去掉掉时时，LC并并联联谐谐振振回回路路谐谐振振频频率率即即为为石石英英振振荡荡频频率率fo，回回路路呈呈现现的的阻阻抗

42、抗最最大大，谐谐振振回回路路上上的的输输出出电电压压也也最最大大；当当金金属属导导体体靠靠近近传传感感器器线线圈圈时时，线线圈圈的的等等效效电电感感L发发生生变变化化，导导致致回回路路失失谐谐，从从而而使使输输出出电电压压降降低低，L的的数数值值随随距距离离x的的变变化化而而变变化化。因因此此，输输出出电电压压也也随随x而而变变化化。输输出出电电压压经经放放大大、检检波波后后，由由指指示示仪仪表直接显示出表直接显示出x的大小。的大小。电感式传感器电感式传感器电涡流式传感器电涡流式传感器3.3.电涡流式传感器的测量电路电涡流式传感器的测量电路谐振电路谐振电路 任务二:涡流非导电材料厚度测量 调频

43、式（调频式（FMFM）：控制频率变化。）：控制频率变化。振荡器的频率为 ：电感式传感器电感式传感器电涡流式传感器电涡流式传感器3.3.电涡流式传感器的测量电路电涡流式传感器的测量电路谐振电路谐振电路 任务二:涡流非导电材料厚度测量 调频式（调频式（FMFM）：控制频率变化。）：控制频率变化。电感式传感器电感式传感器电涡流式传感器电涡流式传感器3.3.电涡流式传感器的测量电路电涡流式传感器的测量电路谐振电路谐振电路 任务二:涡流非导电材料厚度测量 调频式（调频式（FMFM）：控制频率变化。）：控制频率变化。传感器线圈接入LC振荡回路，当传感器与被测导体距离x改变时，在涡流影响下，传感器的电感变化

44、，将导致振荡频率的变化，该变化的频率是距离x的函数，即f=L(x),该频率可由数字频率计直接测量，或者通过f-V变换，用数字电压表测量对应的电压。任务三:汽车油箱油量的检测汽车油箱油量的检测任务目标:汽车油箱的油量多少关系汽车油箱的油量多少关系到可持续行车的里程，是驾驶到可持续行车的里程，是驾驶员需要知道的重要参数，我们员需要知道的重要参数，我们可以从汽车仪表盘的油量指示可以从汽车仪表盘的油量指示表上读出油箱油量。表上读出油箱油量。问题引入：问题引入：常用的汽车油箱的油量检测方法？常用的汽车油箱的油量检测方法？任务三:汽车油箱油量的检测汽车油箱油量的检测浮子式油量检测浮子式油量检测 电阻丝式圆

45、盘电位器电阻丝式圆盘电位器问题引入：问题引入：常用的汽车油箱的油量检测方法？常用的汽车油箱的油量检测方法？任务三:汽车油箱油量的检测汽车油箱油量的检测电容式油量检测电容式油量检测 问题引入：问题引入：常用的汽车油箱的油量检测方法？常用的汽车油箱的油量检测方法？任务三:汽车油箱油量的检测汽车油箱油量的检测电容式油量检测电容式油量检测 当油箱中注满油时，液位上升，指针停留在转角为m处。当油箱中的油位降低时，电容传感器的电容量Cx减小，电桥失去平衡，伺服电动机反转，指针逆时针偏转（示值减小），同时带动RP的滑动臂移动。当RP阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，伺服电动机停转，指针停留在新的位置

46、（x 处）。电容式传感器电容式传感器1.1.电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理原理原理:将被测量的变化转化为电容量变化。将被测量的变化转化为电容量变化。+dA d d、A A或或发发生生变变化化时时，都都会会引引起起电容的变化。电容的变化。任务三:汽车油箱油量的检测汽车油箱油量的检测电容式传感器电容式传感器1.1.电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理变面积式平板位移变面积式平板位移任务三:汽车油箱油量的检测汽车油箱油量的检测电容式传感器电容式传感器1.1.电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理变面积式平板位移变面积式平板位移 其中极板2可以左右移动，称为动极板。极板1固

47、定不动，称为定极板。任务三:汽车油箱油量的检测汽车油箱油量的检测电容式传感器电容式传感器1.1.电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理变面积式角位移变面积式角位移+任务三:汽车油箱油量的检测汽车油箱油量的检测电容式传感器电容式传感器1.1.电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理变面积式角位移变面积式角位移 初始位置时，两极板重叠。极板2的轴由被测物体带动而旋转一个角位移 度时，两极板的遮盖面积A就减小，因而电容量也随之减小。任务三:汽车油箱油量的检测汽车油箱油量的检测电容式传感器电容式传感器1.1.电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理变极距式变极距式a）结构示意图结构示意图

48、b）电容量与极板距离的关系电容量与极板距离的关系任务三:汽车油箱油量的检测汽车油箱油量的检测电容式传感器电容式传感器1.1.电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理变极距式变极距式 当动极板受被测物体作用引起位移时，改变了两极当动极板受被测物体作用引起位移时，改变了两极板之间的距离板之间的距离d，从而使电容量发生变化。从而使电容量发生变化。任务三:汽车油箱油量的检测汽车油箱油量的检测电容式传感器电容式传感器1.1.电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理变介电常数式变介电常数式 因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。任务三:汽车油箱

49、油量的检测汽车油箱油量的检测电容式传感器电容式传感器1.1.电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理变介电常数式变介电常数式任务三:汽车油箱油量的检测汽车油箱油量的检测电容式传感器电容式传感器1.1.电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理变介电常数式变介电常数式任务三:汽车油箱油量的检测汽车油箱油量的检测测量液位高低测量液位高低。设被测介质的介电常数为1,空气介电常数为,液面高度为h,变换器总高度为H,内筒外径为d,外筒内径为D,初始时电容值为：电容式传感器电容式传感器1.1.电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理变介电常数式变介电常数式任务三:汽车油箱油量的检测汽车油箱油量的

50、检测测量液位高低测量液位高低。当被测介质高度为h时电容值为：电容增量正比于被测液位高度h。电容式传感器电容式传感器1.1.电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理变介电常数式变介电常数式任务三:汽车油箱油量的检测汽车油箱油量的检测测量物体厚度测量物体厚度两平行电极固定不动,极距为d0,相对介电常数为r2的电介质以不同深度插入电容器中,从而改变两种介质的极板覆盖面积。传感器总电容量C为：电容式传感器电容式传感器1.1.电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理变介电常数式变介电常数式任务三:汽车油箱油量的检测汽车油箱油量的检测测量物体厚度测量物体厚度传感器初始电容量C0为：引起电容的相对变