传感器与检测技术 4轴承滚子自动分拣装置分析设计

传感器与检测技术轴承滚子自动分拣装置分析设计——项目导入项目导入轴承滚子自动分拣装置知识目标能力目标素质目标知识技能素质电感式传感器工作原理电感式传感器测量电路电感应变式传感器应用项目实施电感式传感器特性实训接近开关选型与使用轴承滚子自动分拣装置分析设计项目拓评项目小结项目评价传感器与检测技术轴承滚子自动分拣装置分析设计——项目导入4.1项目导入4.1项目导入一、案例介绍轴承：支撑机械旋转体指南车轴承转动4.1项目导入一、案例介绍滑道分选仓位轴承滚子外形4.1项目导入一、案例介绍标准件4.1项目导入二、教学目标1）熟悉自感式传感器的工作原理，掌握自感式传感器的类型及特性。2）了解相敏整流电路和相敏检波电路的工作原理与作用。3）熟悉差动变压器的工作原理，掌握零点残余电压的产生与补偿。4）掌握电涡流式传感器的工作原理、类型及应用。知识目标1）会根据使用场合、传感器特性等选择不同电感式传感器及型号。2）会根据被测对象的材料、尺寸、形状选择合适的接近开关。3）会分析二线制、三线制传感器的接线和信号分析。4）会根据传感器手册使用各种类型的电感式传感器。能力目标1）具备合作交流、团队协作的品质和意识。2）培养遵从标准、推崇规范的职业素质。3）培养善于思考、勤于总结的良好习惯。素质目标传感器与检测技术轴承滚子自动分拣装置分析设计——相关知识与技能：电感式传感器工作原理4.2相关知识与技能4.2.1电感式传感器工作原理物理基础：电磁感应原理将被测量转换成线圈的自感或互感电感→电压、电流、振荡频率特点：高灵敏度、高分辨率(0.1um);高精度(0.1%~0.5%)；结构简单、高稳定性、高重复性、长寿命；灵敏度、线性度和测量范围互相制约，对电源频率和稳定度要求较高；频率响应较低，不适用于快速动态测量(除电涡流传感器外)……应用：位移、速度、加速度、振动；压力、流量；力、形变、比重；接近觉4.2.1电感式传感器工作原理一、自感式电感传感器1、变间隙型结构：线圈＋铁心＋衔铁气隙δ，位移Δδ工作原理：线圈自感系数：改变其一,可得到不同的传感器:

气隙型、截面型、磁导率型δ衔铁Δδ线圈铁芯s1s2s非线性4.2.1电感式传感器工作原理一、自感式电感传感器

4.2.1电感式传感器工作原理一、自感式电感传感器2、变面积型结构：线圈＋铁心＋衔铁气隙δ，位移Δδ

SLS与L成线性关系4.2.1电感式传感器工作原理一、自感式电感传感器3、螺管型

铁芯移动改变磁路气隙漏磁通变化

磁阻变化

自感L变化

特点结构简单、易于制造；非线性严重；灵敏度低，用于大位移测量导杆铁芯线圈4.2.1电感式传感器工作原理一、自感式电感传感器3、螺管型

线圈衔铁总长线圈半径插入长度衔铁半径特点：灵敏稍差、线性好、量程大、易批量生产。衔铁移动la变L变4.2.1电感式传感器工作原理一、自感式电感传感器差动结构自感式传感器

结构：两个线圈几何尺寸完全相同，铁心安装完全对称。两个传感器共用一个衔铁，构成差动电感传感器+ΔL-ΔL螺线管型变间隙型变面积型+ΔL-ΔL+ΔL-ΔL特点：提高灵敏度、改善线性度、对温度变化、易于补偿电源频率变化影响。4.2.1电感式传感器工作原理一、自感式电感传感器差动结构自感式传感器当衔铁向上移动时，两个线圈的电感变化量ΔL1、ΔL2

图差动式变间隙式电感传感器δ衔铁R1R2L2L1要求：上下传感器结构、性能、材料完全对称ΔL1ΔL2

L1+ΔL1L2+ΔL2

4.2.1电感式传感器工作原理一、自感式电感传感器差动结构自感式传感器衔铁上移Δδ时，上传感器气隙δ-Δδ下传感器气隙δ+Δδδ衔铁R1R2L2L14.2.1电感式传感器工作原理一、自感式电感传感器差动结构自感式传感器当时灵敏度：非线性误差：δ衔铁R1R2L2L1差动型0灵敏度提高1倍□非线性误差大大下降在同等非线性下，测量范围显著增加4.2.1电感式传感器工作原理二、差动变压器等效电路初级线圈Lp,等效电阻Rp次级线圈Ls1，Ls2,Rs次级线圈反极性串联初级接交流电源：次级产生感应电动势Es1，Es2感应电动势与互感系数及初级电源电压有关212LPRS2LS1M1M2LS2RS1RP～Es1Es2原边副边1副边2原边副边1副边24.2.1电感式传感器工作原理二、差动变压器工作原理初级电流Ip次级开路时感应电压负载电阻足够大时输出电压输出电压有效值LPRS2LS1M1M2LS2RS1RP～Es1Es2Es与互感之差成线性关系

Es与铁芯位移成线性关系互感M：表示变压器的耦合程度互感M与两线圈的位置、周围介质的导磁能力有关其它因素确定时M1-M2与位移Δx近似成正比4.2.1电感式传感器工作原理二、差动变压器当铁芯在中间位置时，

M1=M2=M,Es=0当铁芯上移Δx时M1=M+ΔM，M2=M－ΔM,当铁芯下移Δx时：M1=M-ΔM，M2=M+ΔM,LPRS2LS1M1M2LS2RS1RP～Es1Es2与Ep同相与Ep反相4.2.1电感式传感器工作原理二、差动变压器输出特性输出电压幅值正比于x

；不能辨别位移的方向；存在零点残余电压E0(几十mV)铁芯在中间时，输出Es

≠0两个付边线圈不对称，电源二、三次谐波、基波利用合适的测量电路，如相敏检波电路可消除零点残余电压；辨别位移方向。Es2Es10xEsE０4.2.1电感式传感器工作原理二、差动变压器减小零点残余电动势的方法（1）保证传感器几何尺寸、线圈电气参数和磁路对称，磁性材料要经过处理，消除内部残余应力，使其性能均匀稳定（2）选用合适测量电路，如相敏整流电路（3）采用补偿线路减小零点残余电动势调节电位器，改变二次侧线圈的阻抗，使两二次输出电压的大小和相位改变，使零点电压最小。4.2.1电感式传感器工作原理二、差动变压器当没有信号输入时，铁芯处于中间位置，调节电阻R，使零点残余电压减小；当有信号输入时，铁芯移上或移下，其输出电压经交流放大、相敏检波、滤波后得到直流输出。由表头指示输入位移量的大小和方向。4.2.1电感式传感器工作原理二、差动变压器差动变压器的灵敏度一般可达0.5~5V/mm，行程越小，灵敏度越高。为了提高灵敏度，励磁电压在10V左右为宜。电源频率以1~10kHz为好。差动变压器线性范围约为线圈骨架长度的1/10左右。例：欲测量厚度为120mm2mm轴的板材误差，应选择线圈骨架长度为多少的差动变压器（或电感传感器）为宜？答：线圈骨架长度约为被测变化量的10倍左右，选4mm×10=40mm。4.2.1电感式传感器工作原理三、电涡流式传感器法拉第电磁感应原理：金属板靠近高频电流的线圈时，金属板中感应出环形闭合电流——电涡流涡流磁场反作用与线圈，使线圈的等效阻抗发生变化电涡流大小与多种因素有关：金属电阻率ρ、导磁率μ、金属板厚度t线圈端面与金属板的距离δ、线圈激q励电流频率改变其一，固定其它，可制成对应传感器距离检测实例4.2.1电感式传感器工作原理三、电涡流式传感器4.2.1电感式传感器工作原理三、电涡流式传感器高频电流通过励磁线圈，产生交变磁场，在铁质锅底会产生无数的电涡流，使锅底自行发热，烧开锅内的食物。返回法拉第原理4.2.1电感式传感器工作原理三、电涡流式传感器X↓M↑Z↓U=I×Z4.2.1电感式传感器工作原理三、电涡流式传感器高频反射式电涡流传感器工作原理电涡流处于金属表面层内,不能穿透金属板；当其它参数确定、金属板半径远远大于线圈半径时,涡流的大小只取决于线圈到金属板的距离。线圈等效阻抗为：理论推导略

激励频率>1MHz4.2.1电感式传感器工作原理三、电涡流式传感器等效电路线圈等效为电阻R1、电感L以及分布电容C的串联；电涡流环等效成是一匝线圈电阻为R2,电感为L2测量系统等效为两个相互耦合的线圈线圈与导体间的互感M，M随间距x的减小而增大。MR1L2L1R2C4.2.1电感式传感器工作原理三、电涡流式传感器线圈等效阻抗线圈回路涡流回路MR1L2L1R2C4.2.1电感式传感器工作原理三、电涡流式传感器线圈等效阻抗：高频激励时金属板与线圈耦合程度很弱,M很小,当电源频率很高时金属板的电阻率对线圈的等效阻抗影响可以忽略线圈等效电阻、等效电感MR1L2L1R2C4.2.1电感式传感器工作原理三、电涡流式传感器用途：位移、厚度、无损探伤高精度、动态非接触测量123456传感器系统：传感器+金属板金属板半径>2r0金属物体结构：1线圈2框架3衬套4支架5电缆6插头4.2.1电感式传感器工作原理三、电涡流式传感器4.2.1电感式传感器工作原理三、电涡流式传感器分析上表请得出结论：探头的直径与测量范围及分辨力之间有何关系？4.2.1电感式传感器工作原理三、电涡流式传感器低频透射式电涡流传感器激励电源频率较低时，涡流穿透薄金属板发射线圈与接收线圈分别位于金属板两侧上线圈磁力线被下线圈接收，产生感应电动势金属板涡流抵消激励磁场下线圈电动势减小影响感应电动势的因素：金属板厚度(厚度测量)金属板电阻率(材质鉴别)金属板磁导率(应力硬度)无损探伤测量范围：1～100mm分辨率：0.1μm线性度：1%JoJzz0J0/eh轴向分布传感器与检测技术轴承滚子自动分拣装置分析设计——相关知识与技能：电感式传感器测量电路4.2相关知识与技能4.2.2电感式传感器测量电路一、自感式传感器的测量电路交流电桥，多采用双臂工作方式（a）电阻平衡臂电桥（b）变压器电桥（c）紧耦合电感臂电桥+ΔL-ΔL4.2.2电感式传感器测量电路一、自感式传感器的测量电路令R1'

=R2

'=R'

，L1=L2=L则有：Z1=Z2=R+jωL=Z工作时，Z1=Z＋ΔＺ，

Z２=Z－ΔＺ输出对称电桥，单臂测量时：双臂差动测量时：4.2.2电感式传感器测量电路一、自感式传感器的测量电路差动传感器电感线圈(Z1、Z2)对称差动变压器次级线圈交流输出当线圈品质因数很高时相敏检波鉴别方向Z2Z1IBAC~Z=Rs+jωL4.2.2电感式传感器测量电路一、自感式传感器的测量电路当衔铁上移，使Z1=Z+ΔZ，Z2=Z-ΔZ时，当衔铁下移，使Z1=Z-ΔZ，Z2=Z+ΔZ时，Z2Z1IBAC~4.2.2电感式传感器测量电路一、自感式传感器的测量电路+ΔL-ΔL交流电源电源指示

衔铁在中间位置时,无论正负半周，C、D两点等电位，电桥平衡，输出UCD=0V。电压表读数大小反映衔铁的位移；电压表极性反映移动方向。带有相敏整流的交流电桥4.2.2电感式传感器测量电路一、自感式传感器的测量电路+-Z1Z2电源正半周电路分析当衔铁上移+ΔL-ΔL当衔铁上移，D点将比C点电位高，认为电压表正偏。++--4.2.2电感式传感器测量电路一、自感式传感器的测量电路+ΔL-ΔL+-Z1Z2电源负半周电路分析当衔铁上移当衔铁上移，负半周D也比C点电位高，电压表仍正偏。4.2.2电感式传感器测量电路一、自感式传感器的测量电路结论：无论正负半周，只要衔铁上移，电压表头就正转。位移越多，指针偏转越大。同理：无论正负半周，只要衔铁下移，电压表头就反转。位移越多，指针偏转越大。相敏检波电路作用辨别衔铁位移方向。U0的大小反映位移的大小，U0的极性反映位移的方向。消除零点残余电压。使x=0时，U0=0。4.2.2电感式传感器测量电路一、自感式传感器的测量电路Ｚ１、Ｚ２为差动电感传感器的两个线圈，Ｌ为固定电感优点：可以消除与电感臂并联的分布电容对输出信号的影响，使电桥稳定，还可简化接地和屏蔽4.2.2电感式传感器测量电路二、差动变压器的测量电路1.差动相敏检波电路

相敏检波电路要求比较电压与差动变压器二次侧输出电压的频率相同，相位相同或相反。另外还要求比较电压的幅值尽可能大，一般情况下，其幅值应为信号电压的3~5倍。2.差动整流电路

差动整流电路结构简单，一般不需要调整相位，不考虑零点残余电动势的影响，适于远距离传输。差分整流的典型电路4.2.2电感式传感器测量电路三、电涡流式传感器的测量电路电涡流传感器将被测量转换为Z、L或Q转换电路将Z、L或Q转换为电压或电流测阻抗Z的转换电路——交流电桥测电感L的转换电路——谐振电路调幅法调频法正反馈法

4.2.2电感式传感器测量电路三、电涡流式传感器的测量电路交流电桥L1或L2为涡流线圈平衡电容C1、C2;桥臂阻抗:不平衡输出反映线圈阻抗的变化.配用相敏检波电路用于差动电感传感器U0L1振荡器R1R2C2~C1L2检波放大4.2.2电感式传感器测量电路三、电涡流式传感器的测量电路调频式测量电路（a）测量电路框图（b）振荡电路（L振荡频率变化）传感器分布电容涡流线圈与电容组成LC并联谐振回路，控制振荡器的频率，经鉴频器将频率变化转换为电压变化。C与L安装在一起,减小导线分布电容对频率的影响.几皮法的分布电容会引起几千Hz的频率变化.

4.2.2电感式传感器测量电路三、电涡流式传感器的测量电路调幅式测量电路并联谐振的谐振频率：并联谐振时的阻抗最大：

线圈电感的变化，会引起：（1）振荡电路阻抗变化；（2）谐振频率变化。因此，测量这两种的任一种都可以测出电感量的变化。4.2.2电感式传感器测量电路三、电涡流式传感器的测量电路调幅式测量电路涡流线圈与电容组成LC并联谐振回路，由恒流源石英晶体振荡器供电电源振荡频率=LC回路谐振频率没有被测物体时，并联谐振回路的谐振频率等于振荡器的频率f0，LC回路阻抗最大U0=I0·Z

。有被测物时L发生变化，振荡电路失调，输出减小。传感器与检测技术轴承滚子自动分拣装置分析设计——相关知识与技能：电感式传感器应用4.2相关知识与技能4.2.3电感式传感器应用一、位移测量电感测微仪的轴向测试头引线线圈衔铁弹簧导杆测端圆柱滚子航空插头测微仪4.2.3电感式传感器应用一、位移测量电感测微仪-ΔL＋ΔLＵ０～直流电压交流电源4.2.3电感式传感器应用一、位移测量电感测微器(位移测量)

红宝石测头

航空插头4.2.3电感式传感器应用一、位移测量金刚石测头粗糙度测量仪4.2.3电感式传感器应用一、位移测量旁向式电感测微头电感式轮廓仪4.2.3电感式传感器应用一、位移测量板厚的测量~4.2.3电感式传感器应用一、位移测量被测零件涡流传感器被测零件涡流传感器动态位移测量4.2.3电感式传感器应用一、位移测量电涡流传感器测偏心振动主轴回转精度测量主轴ZxZz标准球连接件Zy4.2.3电感式传感器应用二、压力测量衔铁线圈线圈罩壳插座膜盒接头弹性体差动变压器式力传感器和微压力传感器4.2.3电感式传感器应用二、压力测量例：张力测量4.2.3电感式传感器应用三、振动和加速度测量悬臂梁线圈a铁芯弹簧壳体四、液位测量4.2.3电感式传感器应用五、转速测量被测零件涡流传感器被测零件涡流传感器设测出脉冲频率为f（Hz），被测零件齿数为N，则轴的转速为：（转/分）4.2.3电感式传感器应用六、表面探伤电涡流探伤仪4.2.3电感式传感器应用六、表面探伤油管探伤手持式裂纹测量仪4.2.3电感式传感器应用六、表面探伤4.2.3电感式传感器应用七、安检门4.2.3电感式传感器应用七、安检门4.2.3电感式传感器应用八、电涡流式传感器（电感线圈）应用于过路关卡、智能车库4.2.3电感式传感器应用八、电涡流式传感器（电感线圈）应用于过路关卡、智能车库传感器与检测技术轴承滚子自动分拣装置分析设计——项目实施：电感式传感器特性实验4.3项目实施4.3.1电感式传感器特性实验一、差动变压器的性能测试1．实训器件差动变压器实训模板、测微头、双踪示波器、差动变压器、音频信号源、直流电源（音频振荡器）、万用表2．实训步骤1）安装差动变压器4.3.1电感式传感器特性实验一、差动变压器的性能测试1．实训器件差动变压器实训模板、测微头、双踪示波器、差动变压器、音频信号源、直流电源（音频振荡器）、万用表2．实训步骤1）安装差动变压器2）接线3）上电4）位移测量并记录4.3.1电感式传感器特性实验二、电涡流式传感器的性能测试1．实训器件电涡流传感器实训模板、电涡流传感器、直流电源、数显单元、测微头、铁圆片2．实训步骤1）安装电涡流传感器4.3.1电感式传感器特性实验二、电涡流式传感器的性能测试1．实训器件电涡流传感器实训模板、电涡流传感器、直流电源、数显单元、测微头、铁圆片2．实训步骤1）安装电涡流传感器2）接线3）装铁圆片，上电4）位移测量并记录4.3.1电感式传感器特性实验二、电涡流式传感器的性能测试1．实训器件电涡流传感器实训模板、电涡流传感器、直流电源、数显单元、测微头、铁圆片2．实训步骤1）安装电涡流传感器2）接线3）装铁圆片，上电4）位移测量并记录5）将铁圆片换成铝和铜圆片，测量位移并记录被测体为铝圆片时的位移为输出电压数据被测体为铜圆片时的位移为输出电压数据4.3.1电感式传感器特性实验二、电涡流式传感器的性能测试1．实训器件电涡流传感器实训模板、电涡流传感器、直流电源、数显单元、测微头、铁圆片2．实训步骤1）安装电涡流传感器2）接线3）装铁圆片，上电4）位移测量并记录5）将铁圆片换成铝和铜圆片，测量位移并记录6）分别用三种不同尺寸的被测铝圆片进行电涡位移特性测定用不同尺寸铝圆片时的特性数据传感器与检测技术轴承滚子自动分拣装置分析设计——项目实施：接近开关选型与使用4.3项目实施4.3.2接近开关选型与使用4.3.2接近开关选型与使用

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）内检测有无物体靠近，实现非接触式测量。当物体进入其设定距离范围内时，就发出“动作”信号，该信号属于开关信号（高电平或低电平）。

接近开关的应用已远超出行程开关的行程控制和限位保护范畴。它可以用于高速计数、测速，确定金属物体的存在和位置，测量物位等。。4.3.2接近开关选型与使用一、接近开关的特点非接触检测，不影响被测物的运行工况。不产生机械磨损和疲劳损伤，工作寿命长。响应快，一般响应时间可达几毫秒或十几毫秒。采用全密封结构，防潮、防尘性能较好，工作可靠性强。无触点、无火花、无噪声，所以适用于要求防爆的场合。输出信号大，易于与计算机或可编程序控制器（PLC）等接口。体积小，安装、调整方便。缺点是触点容量较小，负载短路时易烧毁。4.3.2接近开关选型与使用二、接近开关选型常用的接近开关类型电涡流式（以下简称电感接近开关）电容式磁性干簧开关霍尔式光电式微波式超声波式等接近开关在选型时，要考虑被测物特点、环境特征、检测要求、工作电压、负载电流、响应频率等。4.3.2接近开关选型与使用三、接近开关的主要性能指标常见接近开关术语：

动作（检测）距离

复位距离

回差值标准检测体额定工作距离重复定位准确度

动作频率

近低远高1→00动作距离检测距离0→1复位距离回差14.3.2接近开关选型与使用三、接近开关的主要性能指标

对于非磁性材料，被测体的电导率越高，则灵敏度越高；被测体是磁性材料时，其磁导率将影响电涡流线圈的感抗，其磁滞损耗还将影响电涡流线圈的Q值。磁滞损耗大时，其灵敏度通常较高。不同材料的金属检测物对电涡流接近开关动作距离的影响（以Fe为参考金属）4.3.2接近开关选型与使用四、接近开关的规格及接线方式齐平式安装不易被碰坏，但灵敏度较低非齐平式安装灵敏度高安装方式4.3.2接近开关选型与使用四、接近开关的规格及接线方式NPN二线，NPN三线，NPN四线，PNP二线，PNP三线，PNP四线，DC二线，AC二线，AC五线（带继电器）输出形式4.3.2接近开关选型与使用四、接近开关的规格及接线方式输出形式负载负载4.3.2接近开关选型与使用四、接近开关的规格及接线方式输出形式负载负载负载4.3.2接近开关选型与使用四、接近开关的规格及接线方式输出形式NPN二线，NPN三线，NPN四线，PNP二线，PNP三线，PNP四线，DC二线，AC二线，AC五线（带继电器）红黑兰4.3.2接近开关选型与使用四、接近开关的规格及接线方式输出形式负载OUT端与GND端的压降Uces约为0.3V，流过KA的电流IKA=（VCC-0.3）/RKA。若IKA大于KA的额定吸合电流，则KA能够可靠吸合。NPN三极管有0动作无1不动作4.3.2接近开关选型与使用四、接近开关的规格及接线方式输出形式

请按接线图将各元件正确地连接起来。4.3.2接近开关选型与使用四、接近开关的规格及接线方式例：接近开关和PLC控制器怎么连接？红色输出形式4.3.2接近开关选型与使用五、接近开关使用注意事项1.请勿将电感接近开关置于0.02T以上的磁场环境下使用，以免造成误动作。

2.为了保证不损坏接近开关，请用户在接通电源前检查接线是否正确，核定电压是否为额定值。

3.为了使接近开关长期稳定工作，请务必进行定期的维护，包括被检测物体和接近开关的安装位置是否有移动或松动，接线和连接部位是否接触不良，是否有金属粉尘粘附等。

4.DC二线制接近开关具有0.5~1mA的静