机械工程测试技术——第七章

1、第七章：第七章：电感式传感器电感式传感器石河子大学机械电气工程学院电气工程系石河子大学机械电气工程学院电气工程系石河子大学机械电气工程学院干燥技术与装备实验室石河子大学机械电气工程学院干燥技术与装备实验室机械工程测试技术机械工程测试技术TM第七章第七章 电感式传感器电感式传感器内容提示：内容提示：7.1 7.1 自感传感器自感传感器7.2 7.2 差动变压器传感器差动变压器传感器7.3 7.3 电感传感器的应用电感传感器的应用7.4 7.4 电涡流传感器电涡流传感器TM第七章第七章 电感式传感器电感式传感器电感传感器是利用线圈自感或互感量系数的变电感传感器是利用线圈自感或互感量系数的变化来实现

2、非电量测量的一种装置。电感传感器化来实现非电量测量的一种装置。电感传感器的分辨力高，但响应速度慢。的分辨力高，但响应速度慢。电感传感器种类很多，可分为自感式和互感式电感传感器种类很多，可分为自感式和互感式两大类。两大类。人们习惯上讲的电感传感器通常是指自感式传人们习惯上讲的电感传感器通常是指自感式传感器，而互感式传感器是利用变压器原理，又感器，而互感式传感器是利用变压器原理，又往往做成差动式，故常被称为差动变压器式传往往做成差动式，故常被称为差动变压器式传感器。感器。TM7.1 7.1 自感传感器自感传感器 将一只将一只380V380V交流接触器线圈与交流毫交流接触器线圈与交流毫安表串联后，接

3、到机床用控制变压器的安表串联后，接到机床用控制变压器的36V36V交流电压源上。这时毫安表的示值约交流电压源上。这时毫安表的示值约为几十毫安。用手慢慢将接触器的活动铁为几十毫安。用手慢慢将接触器的活动铁心（称为衔铁）往下按，我们会发现毫安心（称为衔铁）往下按，我们会发现毫安表的读数逐渐减小。当衔铁与固定铁心之表的读数逐渐减小。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间的气隙等于零时，毫安表的读数只剩下十几毫安。十几毫安。TM7.1 7.1 自感传感器自感传感器F220V准备工作准备工作TM7.1 7.1 自感传感器自感传感器气隙变气隙变小，电感变大，电流变小小，电感变大，电流变小

4、TM7.1 7.1 自感传感器自感传感器 当铁心的气隙较大时，磁路的磁阻当铁心的气隙较大时，磁路的磁阻Rm也较大，线圈的电感量也较大，线圈的电感量L和感抗和感抗XL较小，较小，所以电流所以电流I较大。当铁心闭合时，磁阻变较大。当铁心闭合时，磁阻变小、电感变大，电流减小。小、电感变大，电流减小。 2LUUUIZXfLTM7.1 7.1 自感传感器自感传感器7.1.1 电感传感器的基本工作原理电感传感器的基本工作原理衔铁线圈铁芯 I A l1 S1 l2 S2 Usr .M2RNL RM磁阻，它包括铁芯磁阻，它包括铁芯磁阻和气隙的磁阻，即磁阻和气隙的磁阻，即RSlRiiiMTM7.1.1 电感传感

5、器的基本工作原理电感传感器的基本工作原理iiiSl 铁磁材料各段的磁阻之和，铁磁材料各段的磁阻之和，当铁芯一定时，其值为一定。当铁芯一定时，其值为一定。li 各段铁芯长度；各段铁芯长度；i各段铁芯的磁导率各段铁芯的磁导率；Si各段铁芯的截面积各段铁芯的截面积；R 空气隙的磁阻空气隙的磁阻，R 2 2 / / 0 0STM7.1.1 电感传感器的基本工作原理电感传感器的基本工作原理即可得电感为即可得电感为SSlNLiii022 因为铁磁材料其磁阻与空气隙磁阻相比较小，因为铁磁材料其磁阻与空气隙磁阻相比较小，计算时可忽略不计，这时有计算时可忽略不计，这时有202SNL TM7.1.1 电感传感器的

6、基本工作原理电感传感器的基本工作原理 由上式可知，当线圈及铁芯一定时，匝数由上式可知，当线圈及铁芯一定时，匝数N为常数，若改变为常数，若改变（气隙厚度）或（气隙厚度）或S（气隙面（气隙面积），积），L值就会引起相应的变化。电感传感器就值就会引起相应的变化。电感传感器就是利用这一原理制成的。是利用这一原理制成的。 根据以上原理，自感传感器常被制成以下三根据以上原理，自感传感器常被制成以下三种形式：变隙式、变面积（变截面）式和螺线管种形式：变隙式、变面积（变截面）式和螺线管式。式。TM7.1.2 变隙式电感传感器变隙式电感传感器 输入输出是非线性关系，气隙越小灵敏度越高，为输入输出是非线性关系，气

7、隙越小灵敏度越高，为了保证一定的线性度，变隙式电感传感器只能工作在一了保证一定的线性度，变隙式电感传感器只能工作在一段很小的区域，因而只能用于测量微小位移。段很小的区域，因而只能用于测量微小位移。TM7.1.3 变面积式电感传感器变面积式电感传感器 理论上电感量理论上电感量L与气隙截面积与气隙截面积A成正比，输入输出成正比，输入输出呈线性关系，灵敏度为常数。但由于漏感等原因，即使呈线性关系，灵敏度为常数。但由于漏感等原因，即使在在A=0时，仍有较大的电感，所以其线性区较小，灵敏时，仍有较大的电感，所以其线性区较小，灵敏度较低。度较低。TM7.1.4 螺线管式电感传感器螺线管式电感传感器螺管式自

8、感传感器的特点：螺管式自感传感器的特点： 结构简单，制造装配容易；结构简单，制造装配容易； 由于由于空气间隙大空气间隙大，磁路的，磁路的磁阻高，因此磁阻高，因此灵敏度低灵敏度低，但测，但测量范围广；量范围广； 由于磁路大部分为空气，由于磁路大部分为空气，易受外部磁场干扰；易受外部磁场干扰； 因螺管可以做的较长，故因螺管可以做的较长，故宜于测量较大位移；宜于测量较大位移； 要求线圈框架尺寸和形状要求线圈框架尺寸和形状必须稳定，否则影响其线性和必须稳定，否则影响其线性和稳定性稳定性TM7.1.5 差动电感传感器差动电感传感器 以上三种电感传感器由于线圈中通有交流以上三种电感传感器由于线圈中通有交流

9、励磁电流，因而衔铁始终承受电磁吸力，会引励磁电流，因而衔铁始终承受电磁吸力，会引起振动及附加误差，而且非线性误差较大；另起振动及附加误差，而且非线性误差较大；另外，外界的干扰如电源电压频率的变化，温度外，外界的干扰如电源电压频率的变化，温度的变化都使输出产生误差。的变化都使输出产生误差。TM7.1.5 差动电感传感器差动电感传感器TM7.1.5 差动电感传感器差动电感传感器从结构图可以看出，差动式电感传感器对从结构图可以看出，差动式电感传感器对外界影响，如温度的变化、电源频率的变外界影响，如温度的变化、电源频率的变化等基本上可以互相抵消，衔铁承受的电化等基本上可以互相抵消，衔铁承受的电磁吸力也

10、较小，从而减小了测量误差。磁吸力也较小，从而减小了测量误差。从曲线图可以看出，差动式电感传感器的从曲线图可以看出，差动式电感传感器的线性较好，且输出曲线较陡，灵敏度约为线性较好，且输出曲线较陡，灵敏度约为非差动式电感传感器的两倍。非差动式电感传感器的两倍。 TM7.2 7.2 差动变压器传感器差动变压器传感器7.2.1 7.2.1 差动变压器的工作原理差动变压器的工作原理TM7.2.1 7.2.1 差动变压器的主要特性差动变压器的主要特性 差动变压器的灵敏度一般可达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。为了提高灵敏度，励行程越小，灵敏度越高。为了提高灵敏度，励磁电压

11、在磁电压在10V左右为宜。电源频率以左右为宜。电源频率以110kHz为为易易。 差动变压器线性范围约为线圈骨架长度的差动变压器线性范围约为线圈骨架长度的1/101/10左右。由于差动变压器中间部分磁场是均左右。由于差动变压器中间部分磁场是均匀的且较强，所以只有中间部分线性较好。通匀的且较强，所以只有中间部分线性较好。通常会采用特殊的绕制方式（两头圈数多，中间常会采用特殊的绕制方式（两头圈数多，中间圈数少）来提高线性范围。圈数少）来提高线性范围。 TM7.3 7.3 电感传感器的应用电感传感器的应用7.3.1 7.3.1 位移测量位移测量TM7.3.1 7.3.1 位移测量位移测量各档量程为各档

12、量程为3m、 10m、 30m 100m分辨力可达分辨力可达0.1 mTM7.3.1 7.3.1 位移测量位移测量TM7.3.1 7.3.1 位移测量位移测量TM7.3.1 7.3.1 位移测量位移测量TMTM7.3.2 7.3.2 电感式圆度仪电感式圆度仪TM7.3.2 7.3.2 电感式圆度仪电感式圆度仪TM7.3.3 7.3.3 压力测量压力测量TM7.4 7.4 电涡流传感器电涡流传感器7.4.1 电涡流传感器的工作原理（电涡流效应）电涡流传感器的工作原理（电涡流效应） 当电涡流线圈与当电涡流线圈与金属板的距离金属板的距离x 减小减小时，电涡流线圈的等时，电涡流线圈的等效电感效电感L

13、减小，等效减小，等效电阻电阻R 增大。感抗增大。感抗XL 的变化比的变化比 R 的变化的变化大得多，流过电涡流大得多，流过电涡流线圈的电流线圈的电流 i1 增大。增大。TM7.4.1 电涡流传感器的工作原理电涡流传感器的工作原理电涡流效应电涡流效应 金属导体置于变化的磁场中时，导体表面金属导体置于变化的磁场中时，导体表面就会有感应电流产生。电流的流线在金属体内就会有感应电流产生。电流的流线在金属体内自行闭合，这种由电磁感应原理产生的旋涡状自行闭合，这种由电磁感应原理产生的旋涡状感应电流称为电涡流，这种现象称为电涡流效感应电流称为电涡流，这种现象称为电涡流效应。应。 形成电涡流必须具备的两个条件

14、：形成电涡流必须具备的两个条件：存在交变磁场存在交变磁场导电体处于交变磁场中导电体处于交变磁场中TM7.4.1 电涡流传感器的工作原理电涡流传感器的工作原理集肤效应集肤效应 导体中产生的电涡流导体中产生的电涡流i2在金属导体的纵深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方向并不是均匀分布的，而只集中在金属导体的表面，这称为集肤效应（也称趋肤效应）。的表面，这称为集肤效应（也称趋肤效应）。 集肤效应与激励源频率集肤效应与激励源频率f、工件的电导率、工件的电导率 、磁导率磁导率 等有关。频率等有关。频率f越高，电涡流的渗透的越高，电涡流的渗透的深度就越浅，集肤效应越严重。深度就越浅

15、，集肤效应越严重。TM7.4.1 电涡流传感器的工作原理电涡流传感器的工作原理等效阻抗分析等效阻抗分析 电涡流线圈受电涡流影响时的等效阻抗电涡流线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z Z的的函数表达式为：函数表达式为： Z=R+jL=f（i1、f、 、 、r、x）TM7.4.1 电涡流传感器的工作原理电涡流传感器的工作原理检测深度的控制：由于存在集肤效应，电涡流只能检测深度的控制：由于存在集肤效应，电涡流只能检测导体表面的各种物理参数。改变检测导体表面的各种物理参数。改变f，可控制检测可控制检测深度。激励源频率一般设定在深度。激励源频率一般设定在100kHz1MHz。频率频率越低，检测深度越深。越低，

16、检测深度越深。间距间距x的测量：如果控制上式中的的测量：如果控制上式中的i1、f、 、 、r不不变，电涡流线圈的阻抗变，电涡流线圈的阻抗Z就成为间距就成为间距x的单值函数，的单值函数，这样就成为非接触地测量位移的传感器。这样就成为非接触地测量位移的传感器。多种用途：如果控制多种用途：如果控制x、i1、f不变，就可以用来检测不变，就可以用来检测与表面电导率与表面电导率 有关的表面温度、表面裂纹等参数，有关的表面温度、表面裂纹等参数，或者用来检测与材料磁导率或者用来检测与材料磁导率 有关的材料型号、表有关的材料型号、表面硬度等参数。面硬度等参数。TM7.4.1 电涡流传感器的工作原理电涡流传感器的

17、工作原理TM7.4.1 电涡流传感器的工作原理电涡流传感器的工作原理要求锅体具有较好的导磁性要求锅体具有较好的导磁性TM7.4.2 7.4.2 电涡流传感器的结构与特性电涡流传感器的结构与特性TM7.4.2 7.4.2 电涡流传感器的结构与特性电涡流传感器的结构与特性1 1电涡流线圈电涡流线圈 2 2探头壳体探头壳体 3 3壳体上的调节螺纹壳体上的调节螺纹 4 4印制线路板印制线路板 5 5夹持螺母夹持螺母 6 6电源指示灯电源指示灯7 7阈值指示灯阈值指示灯 8 8输出屏蔽电缆线输出屏蔽电缆线 9 9电缆插头电缆插头 TM7.4.2 7.4.2 电涡流传感器的结构与特性电涡流传感器的结构与特

18、性CZF-1CZF-1系列传感器的性能系列传感器的性能 探头的直径越大，测量范围越大，但分辨探头的直径越大，测量范围越大，但分辨力就越差，灵敏度降低力就越差，灵敏度降低TM7.4.2 7.4.2 电涡流传感器的结构与特性电涡流传感器的结构与特性被测物体材料、形状和大小对灵敏度的影响被测物体材料、形状和大小对灵敏度的影响对于非磁性材料，被测体的电导率越高，灵敏度越对于非磁性材料，被测体的电导率越高，灵敏度越高高对于磁性材料，其灵敏度要视被测金属的具体情况对于磁性材料，其灵敏度要视被测金属的具体情况而定而定当被测体为圆盘状物体的平面时，物体的直径应大当被测体为圆盘状物体的平面时，物体的直径应大于线

19、圈直径的于线圈直径的2 2倍以上，否则灵敏度将降低倍以上，否则灵敏度将降低当被测体为圆柱体的圆弧面时，其直径应为线圈直当被测体为圆柱体的圆弧面时，其直径应为线圈直径的径的4 4倍以上倍以上应保证被测体的厚度在应保证被测体的厚度在0.2mm以上以上此外，在测量时，传感器线圈周围除被测到体外，此外，在测量时，传感器线圈周围除被测到体外，应尽量避开其他导体，以免干扰磁场，引起线圈的应尽量避开其他导体，以免干扰磁场，引起线圈的附加损失附加损失TM7.4.2 7.4.2 电涡流传感器的结构与特性电涡流传感器的结构与特性大直径电涡流探雷器大直径电涡流探雷器 TM7.4.37.4.3电涡流传感器的测量转换电

20、路电涡流传感器的测量转换电路调频调频（FM）式电路式电路(100kHz1MHz） 当电涡流线圈与被测体的距离当电涡流线圈与被测体的距离x 改变时，电涡流改变时，电涡流线圈的等效电感量线圈的等效电感量L 也随之改变，引起也随之改变，引起LC 振荡器的振荡器的输出频率变化，此频率可直接用计算机测量。如果要输出频率变化，此频率可直接用计算机测量。如果要用模拟仪表进行显示或记录时，必须使用鉴频器，将用模拟仪表进行显示或记录时，必须使用鉴频器，将 f转换为电压转换为电压 UO 。TM7.4.37.4.3电涡流传感器的测量转换电路电涡流传感器的测量转换电路021LCfTM7.4.4 7.4.4 电涡流传感

21、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模拟电压电涡流位移传感器是一种输出为模拟电压的电子器件。接通电源后，在电涡流探头的有的电子器件。接通电源后，在电涡流探头的有效面（感应工作面）将产生一个交变磁场。当效面（感应工作面）将产生一个交变磁场。当金属物体金属物体接近接近此感应面时，金属表面将吸取电此感应面时，金属表面将吸取电涡流探头中的高频振荡能量，使振荡器的输出涡流探头中的高频振荡能量，使振荡器的输出幅度线性地幅度线性地衰减衰减，根据衰减量的变化，可地计，根据衰减量的变化，可地计算出与被检物体的距离、振动等参数。算出与被检物体的距离、振动等参数。 这种位移传感器

22、属于非接触测量，工作时这种位移传感器属于非接触测量，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，寿命较长，可不受灰尘等非金属因素的影响，寿命较长，可在各种恶劣条件下使用。在各种恶劣条件下使用。TM7.4.4 7.4.4 电涡流传感器的应用电涡流传感器的应用420mA电涡流位移传感器外形电涡流位移传感器外形TM7.4.4 7.4.4 电涡流传感器的应用电涡流传感器的应用齐平式电涡流位移传感器外形齐平式电涡流位移传感器外形齐平式传感器安装时可以不高出安装面，不易被损害。齐平式传感器安装时可以不高出安装面，不易被损害。TM7.4.4 7.4.4 电涡流传感器的应用电涡流传感器的应用零件的识别零件的识别TM7.

23、4.4 7.4.4 电涡流传感器的应用电涡流传感器的应用转速的测量转速的测量 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（r/min）的的计算公式为计算公式为zfn60TM7.4.4 7.4.4 电涡流传感器的应用电涡流传感器的应用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，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出仪对标准厚度的镀层和铜箔作出“厚度厚度- -输出输出”电压的标定曲线，以便测量时

24、对照。电压的标定曲线，以便测量时对照。 TM7.4.4 7.4.4 电涡流传感器的应用电涡流传感器的应用电涡流式通道安全检查门电涡流式通道安全检查门 安检门的内部设置有发射线圈和接收线圈。安检门的内部设置有发射线圈和接收线圈。当有金属物体通过时，交变磁场就会在该金属当有金属物体通过时，交变磁场就会在该金属导体表面产生电涡流，会在接收线圈中感应出导体表面产生电涡流，会在接收线圈中感应出电压，计算机根据感应电压的大小、相位来判电压，计算机根据感应电压的大小、相位来判定金属物体的大小。在安检门的侧面还安装一定金属物体的大小。在安检门的侧面还安装一台台“软软x x光光”扫描仪，它对人体、胶卷无害，用扫

25、描仪，它对人体、胶卷无害，用软件处理的方法，可合成完整的光学图像。软件处理的方法，可合成完整的光学图像。 TM7.4.5 7.4.5 接近开关接近开关 接近开关又称无触点行程开关。它能在一接近开关又称无触点行程开关。它能在一定的距离（几毫米至几十毫米）内检测有无物定的距离（几毫米至几十毫米）内检测有无物体靠近。当物体与其接近到设定距离时，就可体靠近。当物体与其接近到设定距离时，就可以发出以发出“动作动作”信号。信号。 TM7.4.5 7.4.5 接近开关接近开关接近开关的外形接近开关的外形TM7.4.5 7.4.5 接近开关接近开关 常用的接近开关有电涡流式（俗称电常用的接近开关有电涡流式（俗称电感接近开关）、电容式、磁性干簧开关、感接近开关）、电容式、磁性干簧开关、霍尔式、光电式、微波式霍尔式、光电式、微波式 、超声波式等。、超声波式等。TM7.4.5 7.4.5 接近开关接近开关 电涡流式接近开关俗称电感接近开关，电涡流式接近开关俗称电感接近开关，属于一种开关量输出