第三章电感传感器ppt课件

1、 本章学习本章学习自感式自感式电感传感器和电感传感器和差动差动变压器变压器（互感）式电感传感器，介绍他（互感）式电感传感器，介绍他们的结构、工作原理、测量电路们的结构、工作原理、测量电路以及应以及应用。用。第三章第三章 电感式传感器电感式传感器电感式传感器：利用电磁感应原理将被测非电量（位移、压力、流量、振动等）转换成线圈自感量L或互感量M的变化, 再由测量电路转换为电量（电压、电流）的变化量输出的装置。 优点：结构简单，工作可靠，测量精度高(1m)，零点稳定，输出功率较大。 缺点：灵敏度、线性度和测量范围相互制约，传感器自身频率响应低，不适用于快速动态测量。第一节第一节 自感式传感器自感式传

2、感器 观看一个小实验观看一个小实验F F220V准备工作准备工作电感传感器的基本工作电感传感器的基本工作原理演示原理演示气隙变小，电感变大，电流变小。气隙变小，电感变大，电流变小。F F 当将一只当将一只380V380V交流接触器线圈与交流毫安表串联后，交流接触器线圈与交流毫安表串联后，接到控制变压器的接到控制变压器的36V36V交流电压源上，这时毫安表的示交流电压源上，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心（称为值约为几十毫安。用手慢慢将接触器的活动铁心（称为衔铁）往下按，我们会发现毫安表的读数逐渐减小。当衔铁）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间的

3、气隙等于零时，毫安表的读数只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十几毫安。剩下十几毫安。 当铁心的当铁心的气隙较大气隙较大时，磁路的磁阻时，磁路的磁阻R Rm m也较大，线也较大，线圈的电感量圈的电感量L L和感抗和感抗XL XL 较小，所以电流较小，所以电流I I 较大。较大。 当铁心闭合时，当铁心闭合时，气隙变小气隙变小，磁阻变小、电感变大，磁阻变小、电感变大，电流减小。电流减小。(3 1)2LUUUIZXfL一、一、 工作原理工作原理 变磁阻式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。变磁阻式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料（硅钢片、坡莫合金）制成，铁铁

4、芯和衔铁由导磁材料（硅钢片、坡莫合金）制成，铁芯和衔铁之间有气隙，厚度为芯和衔铁之间有气隙，厚度为，传感器的运动部分与，传感器的运动部分与衔铁相连。衔铁相连。 当衔铁移动时，气隙当衔铁移动时，气隙厚度厚度发生改变，引起磁发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感值变化，电感线圈的电感值变化，因此只要能测出这种电感因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁量的变化，就能确定衔铁位移量的位移量的大小大小和和方向方向。 自感传感器的工作原理自感传感器的工作原理根据电磁感应定义，线圈中电感量可由下式确定：根据电磁感应定义，线圈中电感量可由下式确定： 式中：式中：线圈总

5、磁链；线圈总磁链； II通过线圈的电流；通过线圈的电流； NN线圈的匝数；线圈的匝数； 穿过线圈的磁通。穿过线圈的磁通。 由磁路欧姆定律，由磁路欧姆定律， 得：得： 式中：式中：RmRm磁路总磁阻。磁路总磁阻。INILmRIN 因为气隙很小，所以可以认为气隙中的磁场是均匀的。因为气隙很小，所以可以认为气隙中的磁场是均匀的。若忽略磁损，则磁路总磁阻为：若忽略磁损，则磁路总磁阻为： 式中式中:1 1铁芯材料的导磁率；铁芯材料的导磁率； 2 2衔铁材料的导磁率；衔铁材料的导磁率； L L1 1磁通通过铁芯的长度；磁通通过铁芯的长度； L L2 2磁通通过衔铁的长度；磁通通过衔铁的长度； A A1 1

6、铁芯的截面积；铁芯的截面积； A A2 2衔铁的截面积；衔铁的截面积； 0 0空气的导磁率；空气的导磁率； 气隙的厚度；气隙的厚度； A A0 0气隙的截面积。气隙的截面积。 002221112AALALRm 通常通常 ，气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻，气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻，即：即：可近似为：可近似为：联立可得：联立可得：002AuRm111002AuLAu222002AuLAu021和20022ANRNLm 上式表明，当线圈匝数为常数时上式表明，当线圈匝数为常数时, 电感电感L仅仅是磁路仅仅是磁路中磁阻中磁阻Rm的函数，只要改变的函数，只要改变、A0或或0 均可导致电感均可导致电感

7、变化，因此变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度变化，因此变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度的传的传感器、变气隙面积感器、变气隙面积A0的传感器和变磁导率的传感器和变磁导率0的传感器。的传感器。使用最广泛的是变气隙厚度使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器。式电感传感器。自感式电感传感器常见的形式自感式电感传感器常见的形式 变隙式变隙式 变截面式变截面式 螺线管式螺线管式 请分析电感量请分析电感量L L与气隙厚度与气隙厚度 、气隙的有效截面积、气隙的有效截面积A A及材料磁导率及材料磁导率之间的关系，并讨论有关线性度的问题。之间的关系，并讨论有关线性度的问题。 输出特性输出特性 设电感传感器初始气隙为设

8、电感传感器初始气隙为0 0, , 初始电感量为初始电感量为L L0 0, , 衔铁位移引起的气隙变化量为衔铁位移引起的气隙变化量为，从下式可知，从下式可知L L与与之间是非线性关系，特性曲线如图所示，初始电感量之间是非线性关系，特性曲线如图所示，初始电感量为：为：020002NAL 请分析：灵敏度、请分析：灵敏度、 线性度有何变化线性度有何变化曲线曲线1 1、2 2为为L L1 1、L L2 2 的特性，的特性，3 3为差动特性为差动特性 在变隙式差动电感传感在变隙式差动电感传感器中，当衔铁随被测量移动器中，当衔铁随被测量移动而偏离中间位置时，两个线而偏离中间位置时，两个线圈的电感量一个增加，

9、一个圈的电感量一个增加，一个减小，形成差动形式。减小，形成差动形式。 1-1-差动线圈差动线圈 2-2-铁心铁心 3-3-衔铁衔铁 4-4-测杆测杆 5-5-工件工件 差动电感传感器的特点差动电感传感器的特点 当当衔铁上移衔铁上移时，时，上部分铁心与衔铁的气隙减小上部分铁心与衔铁的气隙减小，即即=0 0-，则此时输出电感为，则此时输出电感为L= LL= L0 0+L+L，代入上式式并整，代入上式式并整理，得：理，得：00000201)(2LswLLL 当当/01/01时时, , 可将上式用台劳级数展开成级数形式为：可将上式用台劳级数展开成级数形式为：.)()()(1 3020000LLLL 由

10、上式可求得电感增量由上式可求得电感增量LL和相对增量和相对增量L/ LL/ L0 0的表达式的表达式, , 即即 .)()(1 20000LL.)()(1 20000LL 而下部分铁心与衔铁的气隙增大而下部分铁心与衔铁的气隙增大，即，即=0+=0+，则，则此时输出电感为此时输出电感为L= L0-L，代入式子式并整理，得：，代入式子式并整理，得：.)()(1 20000LL.)()(1 20000LL 对上面两式作求差，忽略高次项，可得：对上面两式作求差，忽略高次项，可得：002LL00022LLK灵敏度为：灵敏度为：当当衔铁下移衔铁下移时，情况刚好相反。时，情况刚好相反。 从结构图可以看出，差

11、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、电源频率的变化等外界影响，如温度的变化、电源频率的变化等基本上可以基本上可以互相抵消互相抵消，衔铁承受的电磁吸力也，衔铁承受的电磁吸力也较小，从而减小了测量误差。较小，从而减小了测量误差。 差动式电感传感器的特性差动式电感传感器的特性 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，线性较好，且输出曲线较陡，灵敏度灵敏度约为非差约为非差动式电感传感器的动式电感传感器的两倍两倍。 测量转换电路的作用是测量转换电路的作用是将电感量的变化转换将电感量的变化转换成电压或电流的变

12、化成电压或电流的变化，以便用仪表指示出来。因，以便用仪表指示出来。因激励电源为交流电源，若仅采用电桥电路和普通激励电源为交流电源，若仅采用电桥电路和普通的检波电路，则只能判别位移的大小，却无法判的检波电路，则只能判别位移的大小，却无法判别输出的相位和位移的方向。别输出的相位和位移的方向。 如果在输出电压送到指示仪前，经过一个能如果在输出电压送到指示仪前，经过一个能判别相位的判别相位的检波电路检波电路，则不但可以反映，则不但可以反映位移的大位移的大小小（的幅值），还可以反映（的幅值），还可以反映位移的方向位移的方向（的相（的相位）。这种检波电路称为相敏检波电路。位）。这种检波电路称为相敏检波电路

13、。测量转换电路测量转换电路相敏检波相敏检波输出特性曲线输出特性曲线 a a）非相敏检波）非相敏检波 b b）相敏检波）相敏检波 11理想特性曲线理想特性曲线 22实际特性曲线实际特性曲线 实测得到的实测得到的 相敏检波电相敏检波电路的特性曲路的特性曲线线 通过调零通过调零电路，可使输电路，可使输出曲线平移到出曲线平移到原点。原点。标定位移时的实验数据及曲线标定位移时的实验数据及曲线第二节第二节 差动变压器式传感器差动变压器式传感器 电源中用到的电源中用到的“单相变压器单相变压器”有一个一次线圈（又有一个一次线圈（又称为称为初级线圈初级线圈），有若干个二次线圈（又称），有若干个二次线圈（又称次级

14、线圈次级线圈）。）。当一次线圈加上交流激磁电压当一次线圈加上交流激磁电压U Ui i后，将在二次线圈中产后，将在二次线圈中产生感应电压生感应电压U UO O。在全波整流电路中，两个二次线圈串联，。在全波整流电路中，两个二次线圈串联，总电压等于两个二次线圈的电压之和。总电压等于两个二次线圈的电压之和。 差动变压器的结构原理如下图所示。在线框上绕有差动变压器的结构原理如下图所示。在线框上绕有一组输入线圈（称一次线圈）；在同一线框的上端和下一组输入线圈（称一次线圈）；在同一线框的上端和下端再绕制两组完全对称的线圈（称二次线圈），它们端再绕制两组完全对称的线圈（称二次线圈），它们反反向串联向串联，组成

15、差动输出形式。图中标有黑点的一端称为，组成差动输出形式。图中标有黑点的一端称为同名端，通俗说法是指线圈的同名端，通俗说法是指线圈的“头头”。 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 差动变压器式传感器是把被测位移量转换为一次线差动变压器式传感器是把被测位移量转换为一次线圈与二次线圈间的圈与二次线圈间的互感量互感量M M 的变化的装置。当一次线圈的变化的装置。当一次线圈接入激励电源之后，二次线圈就将产生感应电动势，当接入激励电源之后，二次线圈就将产生感应电动势，当两者间的互感量变化时，感应电动势也相应变化。由于两者间的互感量变化时，感应电动势也相应变化。由于两个二次线圈两个二次

16、线圈采用差动接法采用差动接法，故称为差动变压器。目前，故称为差动变压器。目前应用最广泛的结构型式是螺线管式差动变压器。应用最广泛的结构型式是螺线管式差动变压器。差动变压器式传感器的等效电路差动变压器式传感器的等效电路结构特点结构特点：两个二次线圈反向串联，组成差动输出形式。：两个二次线圈反向串联，组成差动输出形式。 差动变压器的差动变压器的灵敏度灵敏度一般可达一般可达0.5-5V/mm0.5-5V/mm，行程，行程越小，灵敏度越高。越小，灵敏度越高。 为了提高灵敏为了提高灵敏度，励磁电压在度，励磁电压在10V10V左右为宜。电左右为宜。电源频率以源频率以1-10kHz1-10kHz为好。为好。

17、 差动变压器差动变压器线线性范围性范围约为线圈骨约为线圈骨架长度的架长度的1/101/10左右左右。测量电路 （以差动整流为例）差动整流的特点差动整流的特点 上图中的上图中的RPRP是用来微调电路平衡的，是用来微调电路平衡的， VDVD1 1-VD-VD4 4、VDVD5 5-VD-VD8 8组成普通桥式整流电路，组成普通桥式整流电路，3 3、4 4、3 3、4 4组成低通滤波电路，组成低通滤波电路，1 1及及2121、2222、f f、2323组成组成差动减法放大器，用于克服差动减法放大器，用于克服a a、b b两点的对地共模电压。两点的对地共模电压。 电路是以两个桥路整流后的直流电压之差作

18、电路是以两个桥路整流后的直流电压之差作为输出的，所以称为差动整流电路。它不但可以为输出的，所以称为差动整流电路。它不但可以反映反映位移的大小位移的大小（电压的幅值），还可以反映（电压的幅值），还可以反映位位移的方向移的方向。第三节第三节 电感式传感器的应用电感式传感器的应用 一、位移测量一、位移测量 轴向式电感测微器的外形轴向式电感测微器的外形 红宝石测头红宝石测头航空插头航空插头测头测头轴向式电感测微器的内部结构轴向式电感测微器的内部结构11引线电缆引线电缆22固定磁筒固定磁筒 33衔铁衔铁44线圈线圈 55测力弹簧测力弹簧66防转销防转销 77钢球导轨钢球导轨88测杆测杆99密封套密封套

19、1010测端测端1111被测工件被测工件1212基准面基准面 圆柱滚子圆柱滚子测微仪测微仪电感式滚柱直径分选装置电感式滚柱直径分选装置 滚柱直径分选装置滚柱直径分选装置11气缸气缸 22活塞活塞 33推杆推杆 44被测滚柱被测滚柱 55落料管落料管 66电感测微器电感测微器 77钨钢测头钨钢测头 88限位挡板限位挡板 99电磁翻板电磁翻板 1010容器（料斗）容器（料斗）滑道滑道分选仓位分选仓位电感式滚柱直径分选装置（外形）电感式滚柱直径分选装置（外形）落料振动台落料振动台滑道滑道11个分选仓位个分选仓位二、电感传感器在仿形机床中的应用二、电感传感器在仿形机床中的应用 11标准靠模样板标准靠模样板 22测端测端( (靠模轮靠模轮) 3) 3电感测微器电感测微器 44铣刀龙门框架铣刀龙门框架 55立柱立柱 66伺服电动机伺服电动机 77铣刀铣刀 88毛坯毛坯仿形铣床外形仿形铣床外形 仿形头仿形头主主轴轴仿形机床采用仿形机床采用 闭环工作方式闭环工作方式三、电感式不圆度计原理三、电感式不圆度计原理 该圆度计采用该圆度计采用旁向式电感测微头旁向式电感测微头电感式不圆度测试系统电感式不圆度测试系统旋转