机械自动检测与转换技术培训课件

机械工业出版社

中等职业教育电气类规划教材

《自动检测与转换技术》

第三章

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2009－5－1更新12/18/20221在这一章里，卡卡给大家介绍电感传感器的类型、基本原理、特性和应用。电感传感器可以用于测量微小的位移以及与位移有关的工件尺寸、压力等参数。电感传感器种类很多，人们习惯上讲的电感传感器通常是指自感传感器。而互感量传感器是利用了变压器原理，又往往做成差动式，故常称为差动变压器。电感传感器属于接触式测量，需要较大的驱动力。它的最大特点是分辨力高，可达0.1μm。第三章电感传感器12/18/20222第一节自感传感器

电感传感器种类很多，可分为自感式和互感量式两大类。人们习惯上讲电感传感器通常是指自感传感器。12/18/20223为了观察铁心气隙与电感的关系，我们先来做一个实验。将一只380V交流接触器线圈与交流毫安表串联后，接到机床用控制变压器的36V交流电压源上，如图3-1所示。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（称为衔铁）往下按，将会发现毫安表的读数逐渐减小。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十几毫安。小实验12/18/20224电感传感器的基本工作原理演示F220V准备工作12/18/20225电感传感器的基本工作原理演示气隙变小，电感变大，电流变小F12/18/20226由电工知识可知，当铁心的气隙较大时，磁路的磁阻Rm较大，线圈的电感量L和感抗XL就较小，所以电流I较大。当铁心闭合时，磁阻变小、电感变大，电流减小。我们可以利用上述实验中自感量随气隙而改变的原理来制作测量位移的自感传感器。回顾与总结12/18/20227自感式电感传感器常见的形式

变隙式变截面式螺线管式

1－线圈2－铁心3－衔铁4－测杆5－导轨6－工件7－转转轴12/18/20228电感传感器的衔铁较重，响应较慢，不宜用于快速动态测量。小贴士单线圈螺线管式电感传感器的结构如图3-2c所示。主要元件是一只螺线管和一根柱形衔铁。传感器工作时，衔铁在线圈中伸入长度的变化将引起螺线管电感量的变化。电感量L在几毫米的范围内与衔铁插入深度l1大致成正比。测量范围越大，分辨力越低。最常用的电感传感器

——螺线管式电感传感器12/18/20229在模拟电子学中，采用两个参数完全相同的三极管组成差动放大电路，可以克服温漂以及电源不稳定等外界因数引起的输出电压漂移。回顾一下上述3种电感传感器使用时，由于线圈中通有交流励磁电流，因而衔铁始终承受电磁吸力，会引起振动。温度升高时，线圈的尺寸增大，电感量随之增大，将引起测量误差。在实际使用中常采用差动形式，两个完全相同的线圈共用一根活动衔铁，构成差动式电感传感器，既可以提高传感器的灵敏度，又可以减小测量误差。差动式电感传感器的结构如图3-3所示。12/18/202210当衔衔铁铁偏偏离离中中间间位位置置时时，，两两个个线线圈圈的的电电感感量量一一个个增加加，一个个减减小小，形形成成差动动形形式式。差动动电电感感传传感感器器的的特特点点1-差差动动线线圈圈2-铁铁心心3-衔衔铁铁4-测测杆杆5-工工件件差动动式式电电感感传传感感器器对对外外界界影影响响，，如如温度度的的变变化化、、电电源源频频率率的的变变化化等基基本本上上可可以以互互相相抵抵消消，，衔衔铁铁承承受受的的电磁磁吸吸力力也也较较小小，从从而而减减小小了了测测量量误误差差。。12/7/202211差动动电电感感传传感感器器的的特特性性曲线线1、2为为L1、L2的特特性性，，3为为差差动动特特性性请分分析析：：从曲曲线线图图可可以以看看出出，，与与非差差动动电感感传传感感器器相相比比较较，，差差动动式式电电感感传传感感器器的的灵敏敏度度、线性性度度有何何变变化化？？12/7/202212测量量转转换换电电路路测量量转转换换电电路路的的作作用用是是将将电电感感量量的的变变化化转转换换成成电电压压或或电电流流的的变变化化，，以以便便用用仪仪表表指指示示出出来来。。但若若仅仅采用用电电桥桥电电路路和和普普通通的的检检波波电电路路，，则则只只能能判判别别位位移移的的大大小小，，却却无无法法判判别别输输出出的的相位位和和位位移移的的方方向向。如果在输输出电压压送到指指示仪前前，经过过一个能能判别相相位的检检波电路路，则不不但可以以反映幅值（位位移的大大小），还可以以反映输输出电压压的相位（位位移的方方向）。这种检检波电路路称为相敏检波波电路。12/7/202213普通的全全波整流流电路及及波形电电路只能得到到单一方方向的直直流电，，不能反反映输入入信号的的相位。。12/7/202214相敏检波波输出特性性曲线a）非相敏敏检波b）相敏检检波1—理想特特性曲线线2—实际特特性曲线线12/7/202215实测得到到的相敏检波波电路的的特性曲曲线通过调零零电路，，可使输输出曲线线平移到到原点。。标定位移移时的实实验数据据及曲线线12/7/202216第二节差差动动变压器器传感器器＋复习电工工知识：：全波整流电路路中用到的的“单相相变压器器”有一个一次次线圈，有两个二次次线圈。当一次线线圈加上上交流激激磁电压压Ui后，将将在二次次线圈中中产生感感应电压压UO。在全全波整流流电路中中，两个二次次线圈串串联，总电压压等于两个二次次线圈的的电压之之和。12/7/202217普通的的全波波整流流电路路及波波形电电路只能得得到单单一方方向的的直流流电，，不能能反映映输入入信号号的相相位。。12/7/202218请将单相变变压器器的二次线线圈N21、N22的有关关端点点按全波整整流电电路的要求求正确地地连接接起来来。12/7/202219请将单相变压器器的二次线圈N21、N22的有关端点点按全波整流电电路的要求正确地连接接起来。Uo10V10V=20V12/7/202220差动变压器器的工作原原理差动变压器器是把被测位移量量转换为一次次线圈与二二次线圈间间的互感量M的变化的装置。由由于两个二二次线圈采采用差动接接法，故称称为差动变变压器。目目前应用最最广泛的结结构型式是是螺线管式式差动变压压器。在差动变压压器的线框框上绕有一一组输入线线圈（称一一次线圈））；在同一一线框的上端和下端再绕制两组组完全对称的的线圈（称二次线线圈），它它们反向串联，组成差动输出形式。图中中标有黑点点的一端称称为同名端，通俗的说说法是指线线圈的“头”。12/7/202221差动变压器器式传感器器的等效电电路及接线线结构特点：：两个二次线线圈反向串串联，组成成差动输出出形式。请将二次线线圈N21、N22的有关端点点正确地连连接起来，，并指出哪哪两个为输输出端点。。uo=u21-u2212/7/202222灵敏度与线线性度差动变压器器的灵敏度度一般可达达0.5~5V/mm，行程程越小，灵灵敏度越高高。为了提高灵灵敏度，励励磁电压在在10V左右右为宜。电源源频率以1~10kHz为好。差动变压器器线性范围围约为线圈圈骨架长度度的1/10左右。例：欲测量量Φ120mm2mm轴的直直径误差，，应选择线线圈骨架长长度为多少少的差动变变压器（或或电感传感感器）为宜宜？答：线圈骨骨架长度约约为被测变变化量的10倍左右右，选2mm×2=40mm。12/7/202223测量电路（以差动整流为例）Ｃ1、Ｃ2虚焊，Uao、Ubo将变成什么么波形？图中的RP起什么作用用？12/7/202224测量电路（以差动整流为例）Ｃ1、Ｃ2虚焊，Uao、Ubo将变成什么么波形？图中的RP起什么作用用？12/7/202225第三节电电感式传传感器的应应用一、位移测量轴向式电感感测微器的的外形航空插头红宝石测头头12/7/202226其他电感测测微头12/7/202227模拟拟式式及及数数字字式式电电感感测测微微仪仪12/7/202228轴向向式式电电感感测测微微器器的的内内部部结结构构1——引引线线电电缆缆2——固固定定磁磁筒筒3——衔衔铁铁4——线线圈圈5——测测力力弹弹簧簧6——防防转转销销7——钢钢球球导导轨轨（（直直线线轴轴承承））8——测测杆杆9——密密封封套套10——测测端端11——被被测测工工件件12——基基准准面面12/7/202229电感感式式滚滚柱柱直直径径分分选选装装置置滚柱柱直直径径分分选选装装置置图图1——气气缸缸2——活活塞塞3——推推杆杆4——被被测测滚滚柱柱5——落落料料管管6——电电感感测测微微器器7——钨钨钢钢测测头头8——限限位位挡挡板板9——电电磁磁翻翻板板10——容容器器（（料料斗斗））12/7/202230电感感式式滚滚柱柱直直径径分分选选装装置置测微微仪仪圆柱柱滚滚子子12/7/202231电感感式式滚滚柱柱直直径径分分选选装装置置（外外形形））滑道道分选选仓仓位位轴承承滚滚子子外外形形（参参考考中中原原量量仪仪股股份份有有限限公公司司资资料料））12/7/202232电感感式式滚滚柱柱直直径径分分选选装装置置外形形落料料振振动动台台滑道道11个个分分选选仓仓位位（参参考考无无锡锡市市通通达达滚滚子子有有限限公公司司资资料料））废料料仓仓12/7/202233电感感式式滚滚柱柱直直径径分分选选装装置置（（机械械结结构构放放大大））汽缸缸控制制键键盘盘直径径测测微微装装置置长度度测测微微装装置置滑道道12/7/202234机械械及及气气动动元元件件电感感测测微微器器汽缸缸气水水分分离离器器（供供气气三三联联件件））储气气罐罐导气气管管气压压表表（0.4MPa左左右右））12/7/202235电感感式式滚滚柱柱直直径径分分选选界界面面分选选结结果果基基本本符符合合正态态分分布布12/7/202236差动动变变压压器器式式厚厚度度测测量量原原理理12/7/202237电感感式式不不圆圆度度计计原原理理该圆圆度度计计采采用用旁向向式式电电感感测测微微头头12/7/202238电感感式式不不圆圆度度测测试试系系统统旁向向式式电电感感测测微微头头12/7/202239电感感式式不不圆圆度度测测量量系系统统外外形形（参参考考洛阳阳汇汇智智测测控控技技术术有有限限公公司司资资料料））旋转转盘盘测量量头头12/7/202240不圆圆度度测测量量打打印印12/7/202241电感式式轮廓廓仪旁向式式电感感测测微微头12/7/202242压力测量量1—压力力输入接接头2—波纹纹膜盒3—电缆缆4—印制制线路板板5—差动动线圈6—衔铁铁7—电源源变压器器8—罩壳壳9—指示示灯10—密密封隔板板11—安安装底座座12/7/202243压力测量量1—压力力输入接接头2—波纹纹膜盒3—电缆缆4—印制制线路板板5—差动动线圈6—衔铁铁7—电源源变压器器8—罩壳壳9—指示示灯10—密密封隔板板11—安安装底座座12/7/202244一次仪表表与4~20mA二线制制输出方方式压力变送送器已经经将传感感器与信信号处理理电路组组合在一一个壳体体中，这这在工业业中被称称为一次仪表表。一次仪表表的输出出信号可可以是电压，也可以以是电流。由于电流信号号不易受受干扰，，且便于于远距离离传输（可以不不考虑线线路压降降），所所以在一一次仪表表中多采采用电流输出出型。12/7/2022454~20mA二二线制输输出方式式新的国家家标准规规定电流流输出为为4～20mA；电压输出出为1～～5V(旧国标标为0～～10mA或0`2V)。4mA对对应于零零输入，，20mA对应应于满度度输入。。不让信号号占有0～4mA这一一范围的的原因，，一方面面是有利利于判断断线路故故障（开开路）或或仪表故故障；另另一方面面，这类类一次仪仪表内部部均采用用微电流流集成电电路，总总的耗电电还不到到4mA，因此此还能利利用0～～4mA这一部部分“本本底”电电流”为为一次仪仪表的内内部电路路提供工工作电流流，使一一次仪表表成为两两线制仪仪表。12/7/2022464~20mA二二线制制输出出方式式所谓二二线制制仪表表是指指仪表表与外外界的的联系系只需需两根导导线。多数情情况下下，其中一一根（红色色）为为+24V电源线线，另一一根（黑色色）既既作为为电源源负极极引线线，又又作为为信号号传输输线。在信信号传传输线线的末末端通通过一一只标准负负载电电阻（（也称称取样样电阻阻）接接地（也就就是电电源负负极）），将将电流信信号转转变成成电压压信号号。12/7/2022474~20mA二二线制制仪表表接线线方法法（4~20mA）12/7/2022484~20