第5章 电感式传感器.ppt

第5章电感式传感器 传感器原理与应用 主要内容 5 1变磁阻式电感传感器5 2差动变压器式电感传感器5 3电涡流式传感器 电感传感器测量滚珠直径 实现按误差分装塞选 用电感传感器实现的自动检测控制装置 各种电感式传感器 非接触式位移传感器 测厚传感器 电感粗糙度仪 接近式开关 概述 电感式传感器利用电磁感应定律将被测量 如位移 压力 振动 转换为电感的自感或互感的变化 电感式传感器是一种机电转换装置 特点是体积大 灵敏度高 输出信号大 在自动控制设备中广泛应用 电感式传感器按结构可分为 变磁阻式电感传感器变压器式电感传感器电涡流式电感传感器 5 1 自感式 变磁阻式电感传感器5 1 1工作原理 传感器结构 铁芯 线圈 衔铁三部分组成 铁芯和衔铁之间有气隙 气隙厚度为 0 传感器运动部分与衔铁相连 衔铁移动时 发生变化引起磁路的磁阻Rm变化 使电感线圈的电感值L变化 气隙厚度 1 2 0 铁芯 衔铁和空气的磁导率 l1 l2 磁通经过铁心和衔铁的长度 S1S2S0 铁心 衔铁和气隙的截面积 5 1 1工作原理 线圈电感量可按下式计算 式中 N为线圈匝数 变磁阻式传感器又分为 变气隙厚度型 变气隙截面积型 S0 可见只要改变气隙厚度或气隙截面积就可以改变磁路的气隙磁阻 由于导磁材料的磁导率远大于空气气隙的磁导率 磁路电阻可近似为气隙磁阻 5 1 1工作原理 角度 截面积 厚度 下面以变气隙厚度型进行讨论 5 1 2输出特性 变气隙厚度 衔铁位移 引起的电感变化为 气隙厚度变化时 L与 为反比关系 电感初始气隙 0处 初始电感量为 特性曲线非线性 0 5 1 2输出特性 1时 可将前式用泰勒级数展开 求出电感增量 衔铁下移时电感的相对增量增大 衔铁上移时电感的相对增量减小 5 1 2输出特性 满足 1时 忽略高次项 非线性项 有 电感相对变化量与气隙变化成正比关系 定义变磁阻式传感器的灵敏度为 对上式作线性处理 即 衔铁的气隙变化引起的电感相对变化量 5 1 2输出特性 讨论 传感器测量范围 与灵敏度k0相矛盾 与线性度 0相矛盾 0越小高次项迅速减小 非线性误差越小 但传感器量程变小 变间隙式电感传感器用于小位移比较精确 一般取 0 0 1 0 2 1 2mm 10mm 为减小非线性误差实际测量中多采用差动形式 5 1 2输出特性 差动式原理差动变隙式由两个相同的线圈L1 L2构成磁路 当被测量通过导杆使衔铁 左右 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 当衔铁移动时 两个电感一个增加另一个减小变化时 两个电感量产生相对变化为总的电感变化 5 1 2输出特性 对上式进行线性处理 忽略高次项得到 气隙相对变化引起的电感的相对变化为 差动变隙式总的电感变化为 差动形式的电感输出灵敏度为单线圈的两倍 5 1 2输出特性 1 比较单线圈 差动式的灵敏度提高了一倍 2 差动式非线性项与单线圈相比 多乘了 因子 不存在偶次项使 0进一步减小 线性度得到改善 3 差动式的两个电感结构可抵消部分温度 噪声干扰 差动形式与单线圈比较 结论 传感器线圈结构 5 1 3 L U转换 测量电路 两个桥臂由相同线圈组成差动形式 另外两个为平衡电阻 差动变隙式交流电桥结构示意图等效电路 1 交流电桥式检测电路 差动变隙式 5 1 3测量电路 电桥输出电压U0与气隙变量 有正比关系 与输入桥压有关 桥压UAC升高输出电压U0增加 桥路输出电压与初始气隙 0有关 0越小输出越大 交流电桥电压输出 线圈品质因素Q较高时可以消除正交分量 参见3章交流电桥 输出电压一个与电源同相的分量 电桥输出为 5 1 3测量电路 电桥的两臂是传感器线圈阻抗臂 另外两个臂是交流变压器次级线圈各占1 2 交流供电 桥路输出电压为 2 变压器式交流电桥检测电路 5 1 3测量电路 衔铁移动相同距离时 输出电压大小相等方向相反 相差180 要判断衔铁方向就是判断信号相位 可采用相敏检波电路解决 该电路最大特点是输出阻抗较小 其输出阻抗为 当衔铁左移时 Z1 Z2 输出电压为正 当衔铁右移时Z1 Z2 输出电压为负 当衔铁在中间位置 Z1 Z2 U0 0 5 1 3测量电路 调幅式电路 调频电路 输出幅值随电感L变化 L0为谐振点的电感值 电感L变化时谐振频率f0变化 f0 1 2 LC 1 2 线性范围小 3 谐振式 调幅 调频 调相 5 1 4变磁阻式传感器的应用 被测压力经过位移 电压两次转换输出 差动变隙式电感传感器压力测量原理 5 1 4变磁阻式传感器的应用 变隙式压力测量原理 5 1 4变磁阻式传感器的应用 游标卡尺分辨率为0 02mm 千分尺分辨率为0 01mm 现代机械加工要求测量工具的分辨率高于公差的一个数量级 m 传统工具无法实现 电感传感器的分辨率可达0 01 m 可优于要求公差 变隙式原始气隙 0可取得很小 0 0 1 0 5mm 当 1 m时 L L0可达1 100 1 500 变隙式传感器灵敏度高 缺点是非线性严重 自由行程小 工艺制作难 5 1 4变磁阻式传感器的应用 测量工具结构示意图 测量工具结构示意图 电感式游标卡尺 千分尺 深度尺 高度尺 5 2 互感式 差动变压器式传感器5 2 1工作原理 结构塑料骨架上绕制线圈 中间初级 两边次级 铁芯在骨架中间可上下移动 这种传感器根据变压器的基本原理制成 并将次级线圈绕组用差动形式连接 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 介绍三节式 可测量1 100mm范围内机械位移 把被测的非电量变化转换成为线圈互感量的变化的传感器称为互感式传感器 5 2 1工作原理 等效电路初级线圈L1 次级线圈L2a L2b须反相连接 保证差动形式如果线圈完全对称 并且铁芯处于中间位置时两线圈互感系数相等 差动输出电压为零 并且有两线圈电动势相等 次级线圈同名端反向连接 5 2 1工作原理 差动变压器的输出电压大小和符号反映了铁心位移的大小和方向 当铁芯上下移动时 输出电压大小 极性随铁芯位移变化 若铁芯上移 若铁芯下移 输出电压与输入同相位 输出电压与输入反相 5 2 2基本特性 由此得到差动变压器输出电压有效值为 差动变压器输出电压与互感的差值成正比 根据电磁感应定律 次级感应电动势与互感关系分别为 输出电压次级开路时 初级电流代入上式 5 2 2基本特性 铁芯向上移 右移 输出与E2a同极性 差动变压器输出是被互感大小调制的交流电压 存在相位问题 有正负变化 铁芯向下移 左移 输出与E2b同极性 铁芯在中间位置时 1 差动变压器输出电压幅值取决于互感 M 即铁芯在线圈中移动的距离X U0与Ui的相位决定铁芯的移动方向 2 输出电压的正 负 反相 结果 经相敏检波后输出曲线反行程翻转为过零直线 3 输出电压U0与激励电压Ui有关 应尽可能大 U0与激励频率成正比 中频在400 1000Hz 差动变压器灵敏度可达0 1 5V mm 性能包括三个内容 传感器类型 转换电路 电源 出厂标定灵敏度规定 输出电压U0 1V 衔铁位移1 m 讨论 差动变压器输出电压和位移的关系 5 2 3零点残余电压 理论上讲 铁芯处于中间位置时输出电压应为零 而实际输出U0 0 在零点上总有一个最小的输出电压 这个铁芯处于中间位置时最小不为零的电压称为零点残余电压 产生零点残余电压的原因是 1 由于两个次级线圈绕组电气参数 M互感 L电感 R内阻 不同 几何尺寸工艺上很难保证完全相同 2 电源中高次谐波 线圈寄生电容的存在等 使实际的特性曲线总有最小输出 零点残余电压主要成分是频率 幅度不同的基波 谐波 零点残余电压过大会使灵敏度下降 非线性误差增大 放大器末级饱和 因此是直接影响传感器质量的参数 为减小零点残余电压的影响变压器工艺上采取措施 电路补偿等 5 2 3零点残余电压 为减小零点残余电压的影响 一般要用电路进行补偿 电路补偿的方法较多 可采用以下方法 串联电阻 消除两次级绕组基波分量幅值上的差异 并联电阻电容 消除基波分量相差 减小谐波分量 加反馈支路 初 次级间反馈 减小谐波分量 相敏检波电路对零点残余误差有很好的抑制作用 这些电路可单个使用也可综合使用 需要通过实验证实效果 5 2 3零点残余电压 不同形式的零点残余电压补偿电路 哪个部分是传感器 二极管组成的是什么电路 电阻R0 电容C有什么作用 已知初级信号为正弦波 上 下 画出次级信号波形 分析整流电路的输出电流电压的方向 上半周下半周 如果铁芯上移 分析输出电压U0 UAO UBO的极性 讨论差动整流电路 请同学回答问题 5 2 4测量电路 1 差动整流电路 5 2 4测量电路 差动变压器输出交流信号 为正确反映位移大小和方向 常采用差动整流电路和相敏检波电路 差动整流电路输入一交流信号时 无论极性如何 整流电路的输出电压始终为U0 UAO UBO上绕组输出始终为U24下绕组输出始终为U68R0为调零电阻 1 差动整流电路 5 2 4测量电路 整流电路的输出电压大小极性与铁心位置有关 铁心T在中间位置时 U24 U68 U0 0 铁心T上移 U24 U68 U0 0 铁心T下移 U24 U68 U0 0 1 差动整流电路 5 2 4测量电路 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下半周差分整流下线圈上半周差分整流下线圈下半周 铁芯上移铁芯下移 差动整流电路的特点 结构简单 可以不考虑相位调整和零点残余电压的影响 分布电容影响小 便于远距离传输 图中比较电压 和 同频 经过移相器使 和 保持同相或反相 且满足 2 相敏检波电路 当衔铁在中间位置时 位移x t 0 传感器输出电压 0 只有 起作用 正半周时 因为是从中心抽头 所以u1 u 故i i 流经RL的电流为i i i i4 i3 负半周时 同理可知i i 所以流经RL的电流为i i i i1 i2 i4 当衔铁在零位以上时 位移x t 0 与 同频同相 正半周时 i3 故i i 流经RL的电流为i i i 负半周时 故i i 流经RL的电流为i i i i2 i1 正半周 负半周 故i i 流经RL的电流为i i i 当衔铁在零位以下时 位移x t 0 与 同频反相 i4 i3 同理 在 负半周 正半周时 i i 流经RL的电流为i i i 表示i0的方向也与规定正方向相反 i2 i1 结论 衔铁在中间位置时 无论参考电压是正半周还是负半周 在负载RL上的输出电压始终为0 衔铁在零位以上移动时 无论参考电压是正半周还是负半周 在负载RL上得到的输出电压始终为正 衔铁在零位以下移动时 无论参考电压是正半周还是负半周 在负载RL上得到的输出电压始终为负 由此可见 该电路能判别铁芯移动的方向 图13相敏检波前后的输出特性曲线 经过相敏检波电路后 正位移输出正电压 负位移输出负电压 差动变压器的输出经过相敏检波以后 特性曲线由图13的 a 变成 b 残存电压自动消失 5 2 4测量电路 3 集成相敏检波电路差动变压器输出与差动放大器连接 5 2 4测量电路 3 集成相敏检波电路输出正负电压的结果由相敏检波后反行程旋转由 工作曲线为过零点的直线 相敏检波前后输出特性 L1 L2传感器作两个桥臂 C1 C2为另外两个桥臂 D1 D4组成相敏整流器 磁饱和变压器T提供桥压 被测厚度正常时 L1 L2 Uc Ud IM 0 设厚度变化 T上移 L1 L2 Z1 Z2正半周 a b 时 D1 D4导通 I1 I4 负半周 a b 时 D2 D3导通 I3 I2 3 电感测厚仪 二极管相敏检波电路 无论极性如何始终有Ud Uc 电流方向 若T下移 L1 L2 Z1 Z2 Ud Uc 电流方向 5 2 5差动变压器式传感器应用 差动变压器式传感器可直接用于位移测量 也可以测量与位移有关的任何机械量 如振动 加速度 应变等等 压差计当压差变化时 腔内膜片位移使差动变压器次级电压发生变化 输出与位移成正比 与压差成正比 液位测量沉筒式液位计将水位变化转换成位移变化 再转换为电感的变化 差动变压器的输出反映液位高低 变压器与被测件固定 铁心连接在悬臂弹簧的自由端 差动变压器结构形式 5 2 5差动变压器式传感器应用 电感测厚仪 电感位移测量仪 差动变压器式压力传感器 两个差动变压器传感器输出电压送差动放大器 控制电机的正转或反转 5 3电涡流式传感器 电涡流传感器是一种非接触式的线性化计量工具 在大型旋转机械状态的在线监测与故障诊断中得到广泛应用 电涡流传感器能准确测量被测体 必须是金属导体 与探头端面之间静态和动态的相对位移变化 电涡流式传感器最大的特点 能够对位移 厚度 表面温度 速度 应力 材料损伤等被测量进行非接触式测量 电涡流传感器目前主要应用于位移 振动 转速 厚度等机械量测量 另外可测材料 测温度和电涡流探伤 测振动 测轴心轨迹 测厚 测转速 5 3 1电涡流效应 由法拉第电磁感应原理可知 一个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 导体内部会产生一圈圈闭和的电流 这种电流叫电涡流 这种现象叫做电涡流效应 根据电涡流效应制作的传感器称电涡流传感器 H2I2 形成电涡流必须具备的两个条件 存在交变磁场 金属导体处于交变磁场中 金属导体 UAC 5 3 2等效电路分析 把一个扁平线圈置于金属导体附近 当线圈中通以交变电流I1时 线圈周围空间产生交变磁场H1 当金属导体靠近交变磁场中时 导体内部就会产生涡流I2 按照楞次定律 这个涡流总是企图抵消原磁场的变化 产生反抗H1的交变磁场H2 涡流线圈结构非常简单 但要定量分析是很困难的 可根据实际情况建立一个模型 求出模型的等效电路参数 5 3 2等效电路分析 根据涡流的分布 把涡流所在范围近似看成一个单匝短路的次级线圈 线圈远离被测体时 相当次级开路 原线圈阻抗为 当线圈靠近金属导体时 初次级线圈通过互感相互作用回路方程 次级 初级 5 3 2等效电路分析 等效电感 解方程得到金属靠近后传感器 初级线圈 的等效阻抗 等效电阻 5 3 2等效电路分析 凡是引起次级线圈回路变化的物理量R2 L2 M均可以引起传感器原线圈等效电阻R1 电感L1的变化 M L2 R2 讨论 显然 被测体的电阻率 导磁率 线圈与被测体间的距离X 激励线圈的角频率 都通过涡流效应和磁效应与线圈阻抗Z发生关系 5 3 2等效电路分析 结论 涡流线圈的等效阻抗与被测金属中各种参数有函数关系 金属材料的 d x的变化都可以使初级线圈中的R1 L1发生变化 若控制某些参数不变 只改变其中一个参数 可使初级阻抗Z1成为这个参数的单值函数 利用金属中的磁导率 电阻率 测材料 探伤 利用线圈与金属导体的距离x测位移 测厚 5 3 3涡流的强度和分布 因为金属存在趋肤效应 电涡流只存在于金属导体的表面薄层内 存在一个涡流区 涡流区内各处的涡流密度不同 存在径向分布和轴向分布 径向分布2ros 线圈外径确定后 涡流范围也就确定了 r ros线圈外径处 金属涡流密度最大 r 0线圈中心处 涡流密度为零 j 0 r 0 4ros处 以内 基本没有涡流 r 1 8ros线圈外径处 涡流密度衰减到最大值的5 涡流范围与电涡流线圈的外径有一固定比例关系 涡流密度最大值在线圈外径附近一个狭窄区域内 1 涡流的分布 5 3 3涡流的分布和强度 轴向分布由于趋肤效应涡流只在表面薄层存在 沿磁场方向 轴向 也是分布不均匀的 距离金属表面Z处 涡流按指数规律衰减 j0 Z 0处金属表面涡流密度 最大 jz 金属表面距离Z处的涡流h 趋肤深度 1 涡流的分布 5 3 3涡流的分布和强度 2 强度当线圈与被测体距离改变时 电涡流密度发生变化 强度也要变化 根据线圈 导体系统 金属表面电涡流强度I2与距离x是非线性关系 随x ros上升而下降 I1为线圈激励电流 I2为金属导体中的等效电流 涡流 x 0处 I2 I1 x ros 1 I2 0 3I1 I2只有在x rosros时电涡流很弱了 所以测大位移时线圈直径要大 要增加测量范围需加大线圈直径 传感器体积增大 这是电涡流传感器应用的局限性 5 3 4测量电路 1 调幅式 L为电涡流线圈 2 调频式 电涡流线圈 5 3 4测量电路 3 变频调幅式 电感式接近开关电路原理 涡流变换器 5 3 4测量电路 变频调幅式电路输出特性 检测原理 传感器远离被测体时 回路谐振于f0 此时品质因数Q最高 输出最大 当有磁性导体靠近时 振荡回路失谐L f0 使Q 输出电压下降峰值左移 当有非磁性导体靠近时L f0 由于R Q 电压也下降峰值右移 检测中我们不关心频率的变化 只关心幅值的大小 用检波器获得电压 5 3 5电涡流传感器的应用 电涡流传感器以其长期工作可靠性好 测量范围宽 灵敏度高 分辨率高 响应速度快 抗干扰力强 不受油污等介质的影响 结构简单等优点 在大型旋转机械状态的在线监测与故障诊断中得到广泛应用 电涡流传感器的应用主要是通过位移变化测量其他各种物理量 1 测厚 低频透射式涡流厚度传感器高频反射式涡流厚度传感器 2 测转速 3 测位移 测振动 4 电涡流探伤 5 金属零件计数 尺寸检测 光洁度检测 5 3 5电涡流传感器的应用 1 测厚 低频透射式涡流厚度传感器 在金属板的上下方分别设有发射传感器线圈L1和接收传感器线圈L2 L1加低频电压U1时 L1上产生交变磁通 无金属板时 磁通直接耦合至L2 L2产生感应电压 如果金属板放置两线圈之间 线圈L1在金属板中产生电涡流 磁场能量受到损耗 使达到L2的磁通减弱 最终使L2上感应电动势减弱 金属板越厚 涡流磁能损失越多 下线圈L2上感应电动势输出U2越小 通过测量U2检测金属板的厚度 透射式涡流传感器可检测1 100mm范围 5 3 5电涡流传感器的应用 为克服带材不平或因振动引起的干扰 可采用两个电涡流传感器S1 S2分别放置在被测金属两侧 同时检测两个方向距离X1 X2 电涡流金属板 带材厚度测量 当厚度不变时 两传感器与上下表面距离x1 x2 常数 传感器输出电压之和 假设为2U 数值不变 当厚度变化 时 输出电压 2U U 可将 U放大输出显示带材厚度变化 实际应用时 给定厚度 当厚度变化时与厚度变化值 的代数和就是被测带材厚度 1 测厚 高频反射式涡流厚度传感器 5 3 5电涡流传感器的应用 涡流非导电材料厚度测量 金属镀层厚度测量 5 3 5电涡流传感器的应用 2 电涡流探伤由于趋肤效应 导体表面电涡流密度最大 表面信息量最大 可采用电涡流传感器测量金属表面缺陷 当导体表面存在缺陷时会引起金属的电阻率 磁导率 的变化 可用于金属表面裂纹 热处理裂纹 焊接处质量探伤 探伤时传感器与被测金属保持距离不变 如果有裂纹导体电阻率会发生变化 涡流损耗的改变引起涡流强度变化使电路输出电压变化 火车车轮裂纹检测 5 3 5电涡流传感器的应用 涡流轴心轨迹测量 轴心轨迹测量实验装置 轴心轨迹是转子运行时轴心的位置 忽略轴的圆度误差 可以将两个电涡流位移传感器探头安装为相互成90度 并调整好两个探头到主轴的距离 约1 6mm 调整时 使从前置电路输出的信号刚好为0mV 转子启动后两个传感器测量的就是它在两个垂直方向 X Y 上的瞬时位移 合成为李沙育图就是转子的轴心运动轨迹 3 轴心轨迹测量 轴心轨迹测量实验装置 3 轴心轨迹测量 利萨如 李沙育 图形 5 3 5电涡流传感器的应用 涡流轴心轨迹测量 振动的振幅测量 5 3 5电涡流传感器的应用 5 涡流转速测量被测体是金属或磁性齿轮可计算出齿轮每分钟转速N f n 60f为检测的频率 n齿数 工业常用60齿 N f 4 涡流振动测量通过被测体与传感器间的位移变化进行振动检测 5 3 5电涡流传感器的应用 机械振动测量含有幅值 相位和频率的信息 旋转机械的运动状态主要取决于核心 转轴 而电涡流传感器能直接非接触测量转轴的状态 对诸如转子的不平衡 不对中 轴承磨损 轴裂纹及发生摩擦等机械问题的早期判定 可提供关键的信息 电涡流传感器目前广泛应用于电力 石油 化工 冶金等行业 对汽轮机 水轮机 鼓风机 压缩机 空分机 齿轮箱 大型冷却泵等大型旋转机械轴的径向振动 轴向位移 键相器 轴转速 胀差 偏心 以及转子动力学研究和零件尺寸检验等 5 3 5电涡流传感器的应用 5 3 5电涡流传感器的应用 各种形式的电涡流传感器 电涡流十字路口监控系统 感应线圈 感应线圈 5 3 5电涡流传感器的应用 本章要点 差动变压器做位移测量可得到比例于机械位移的交流电压 关于磁场 磁通 磁性体 差动变压器的应用 差压传感器 位移传感器 流量传感器 电涡流传感器 交流线圈接近金属物体时 金属物上产生 涡流 线圈越近 涡流越大 电涡流传感器的应用 薄膜厚度测量 金属表面探伤 工件间距离测定 钢水液面测量 变磁阻式传感器 自感式 工作原理 测量电路 转换电路 差动变压器式传感器 互感式 工作原理 等效电路及测量电路 零点残余电压的影响和补偿 电涡流传感器的工作原理及应用 思考题 5 1何谓电感式传感器 电感式传感器分为哪几类