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1、2021/1/24 1 上節(jié)回顧 : 1.電容傳感器 本節(jié)主要內(nèi)容 : 1.電感傳感器 2021/1/24 2 本章學(xué)習 自感式傳感器和差 動變壓器的結(jié)構(gòu)、工作原理、測 量電路 以及他們的應(yīng)用，掌握一 次儀表的相關(guān)知識。 第 4章 電感式傳感器 2021/1/24 3 第一節(jié) 自感式傳感器 先看一個實驗： 將一只 380V交流接觸器線圈與交流 毫安表串聯(lián)后，接到機床用控制變壓器 的 36V交流電壓源上，如圖 4-1所示。這 時毫安表的示值約為幾十毫安。用手慢 慢將接觸器的活動鐵心（稱為銜鐵）往 下按，我們會發(fā)現(xiàn)毫安表的讀數(shù)逐漸減 小。當銜鐵與固定鐵心之間的氣隙等于 零時，毫安表的讀數(shù)只剩下十幾
2、毫安。 2021/1/24 4 電感傳感器的基本工作 原理演示 F 220V 準備工作 2021/1/24 5 電感傳感器的基本工作 原理演示 氣隙變小，電感變大，電流變小 F 2021/1/24 6 電感傳感器的基本工作 原理 當鐵心的氣隙較大時，磁路的磁阻 Rm也 較大，線圈的電感量 L和感抗 XL 較小，所以 電流 I 較大。當鐵心閉合時，磁阻變小、電 感變大，電流減小。 ( 3 1 ) 2 L U U U I Z X fL 2021/1/24 7 電感量計算公式 ： 請分析電感量 L與氣隙厚度 及氣隙的有效截 面積 A之間的關(guān)系，并討論有關(guān)線性度的問題。 2 0 2 NA L N：線圈
3、匝數(shù)； A ：氣隙的有效截面積； 0 ：真空磁導(dǎo)率； ： 氣隙厚度 。 2021/1/24 8 自感式電感傳感器常見的形式 變隙式 變截面式 螺線管式 三種傳感器在使用中 , 非線性誤差較大 ,外界 會使輸出產(chǎn)生誤差 ,靈 敏度較小 ,實際應(yīng)用常 采用差動式 . 2021/1/24 9 差動電感傳感器的特點 請分析：靈敏度、 線性度 有何變化 曲線 1、 2為 L1、 L2 的特性， 3為差動特性 在變隙式差動電感傳感 器中，當銜鐵隨被測量移動 而偏離中間位置時，兩個線 圈的電感量一個增加，一個 減小，形成差動形式。 1-差動線圈 2-鐵心 3-銜鐵 4-測桿 5-工件 從結(jié)構(gòu)圖可以看出，差動
4、式電感傳感器對 外界影響，如溫度的變化、電源頻率的變 化等基本上可以互相抵消，銜鐵承受的電 磁吸力也較小，從而減小了測量誤差。 從曲線圖可以看出，差動式電感傳感器的 線性較好，且輸出曲線較陡，靈敏度約為 非差動式電感傳感器的兩倍。 2021/1/24 10 測量轉(zhuǎn)換電路 測量轉(zhuǎn)換電路的作用是將電感量的變化 轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化，以便用儀表指示 出來。 但若僅 采用電橋電路和普通的檢波電 路，則只能判別位移的大小，卻無法判別輸 出的相位和位移的方向。 如果在輸出電壓送到指示儀前，經(jīng)過一 個能判別相位的檢波電路，則不但可以反映 位移的大?。ǖ姆担?，還可以反映位移的 方向（的相位）。這種檢波電路
5、稱為相敏檢 波電路 。 2021/1/24 11 圖 3-7 相敏檢波 輸出特性曲線 a）非相敏檢波 b）相敏檢波 1 理想特性曲線 2 實際特性曲線 2021/1/24 12 第二節(jié) 差動變壓器式傳感器 電源中用到的 “ 單相變壓器 ” 有一個一次線圈（又稱為初 級線圈），有若干個二次線圈（又稱次級線圈）。當一次線圈 加上交流激磁電壓 Ui后，將在二次線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓 UO。在 全波整流電路中，兩個二次線圈串聯(lián)，總電壓等于兩個二次線 圈的電壓之和。 請將 單相變壓 器 二次線圈 N21、 N22的有關(guān)端點按 全波整流電路的要 求 正確地連接起來。 2021/1/24 13 差動變壓器式傳感
6、器的工作原理 差動變壓器式傳感器是把被測位移量轉(zhuǎn)換為一次 線圈與二次線圈間的互感量 M的變化的裝置。當一次 線圈接入激勵電源之后，二次線圈就將產(chǎn)生感應(yīng)電動 勢，當兩者間的互感量變化時，感應(yīng)電動勢也相應(yīng)變 化。由于兩個二次線圈采用差動接法，故稱為差動變 壓器。目前應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)型式是螺線管式差動變 壓器。 差動變壓器的結(jié)構(gòu)原理如圖 4-13所示。在線框上 繞有一組輸入線圈（稱一次線圈）；在同一線框的上 端和下端再繞制兩組完全對稱的線圈（稱二次線圈）， 它們反向串聯(lián)，組成差動輸出形式。理想差動變壓器 的原理如圖 4-14。圖中標有黑點的一端稱為同名端， 通俗說法是指線圈的 “ 頭 ” 。 202
7、1/1/24 14 差動變壓器式傳感器的等效電路 結(jié)構(gòu)特點： 兩個二次線圈反 向串聯(lián)，組成差 動輸出形式。 請將二次 線圈 N21、 N22的 有關(guān)端點正確地 連接起來，并指 出哪兩個為輸出 端點。 2021/1/24 15 靈敏度與線性度 差動變壓器的靈敏度一般可達 0.55V/mm， 行程越小，靈敏度越高。 為了提高靈敏度，勵磁電壓在 10V左右為 宜。電源頻率以 110kHz為好。 差動變壓器線性范圍約為線圈骨架長度的 1/10左右 。 例：欲測量 20mm2mm軸的直徑誤 差，應(yīng)選擇 線圈骨架長度 為多少的 差動變 壓器（或 電感傳感器）為宜 ？ 2021/1/24 16 測量電路 （
8、以 差動整 流 為例） 若 1、 2 虛焊， Ua o、 Ub o將變成什么 波形？ 2021/1/24 17 差動整流的特點 電路是以兩個橋路整流后的直流電 壓之差作為輸出的，所以稱為差動整流 電路。它不但可以反映位移的大?。?壓的幅值），還可以反映位移的方向。 上圖中的 RP是用來微調(diào)電路平衡的， VD1VD4、 VD5VD8組成普通橋式整流電路， 3、 4、 3、 4組成低通濾波電路， 1及 21、 22、 f、 23組成差動減法放大器， 用于克服 a、 b兩點的對地共模電壓。 2021/1/24 18 第三節(jié) 電感式傳感器的應(yīng)用 一、 位移測量 軸向式電感 測微器的外形 航空插頭 紅
9、寶石測頭 2021/1/24 19 其他電感測微頭 2021/1/24 20 模擬式及數(shù)字 式電感測微儀 2021/1/24 21 軸向式電感測微器的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 1 引線電纜 2 固定磁筒 3 銜鐵 4 線圈 5 測力彈簧 6 防轉(zhuǎn)銷 7 鋼球?qū)к墸ㄖ本€軸承） 8 測桿 9 密封套 10 測端 11 被測工件 12 基準面 2021/1/24 22 二、電感式滾柱直徑分選裝置 圖 3-14 滾柱直徑分選裝置 1 氣缸 2 活塞 3 推桿 4 被測滾柱 5 落料管 6 電感測微器 7 鎢鋼測頭 8 限位擋板 9 電磁翻板 10 容器（料斗） 2021/1/24 23 二、電感式滾柱直徑分選裝置 測
10、微儀 圓柱滾子 2021/1/24 24 電感式滾柱直徑分選裝置 （外形） 滑道 分選倉位 軸承滾子外形 （參考中原量儀股份有限公司資料） 2021/1/24 25 電感式滾柱直徑分選裝置（ 機械結(jié)構(gòu)放大） 汽缸 控制鍵盤 直徑測微裝置 長度測微裝置 滑道 2021/1/24 26 三、電感式不圓度計原理 該圓度計采用 旁向式電感測微頭 2021/1/24 27 電感式不圓度測試系統(tǒng) 旁向式電感測微頭 2021/1/24 28 電感式不圓度測量系統(tǒng)外形 （參考 洛陽匯智測控技術(shù)有限公司資料） 旋轉(zhuǎn)盤 測量頭 2021/1/24 29 不圓度測量打印 2021/1/24 30 壓力測量用的膜盒
11、膜盒由兩片波紋膜片焊接而成。所謂波紋膜片是 一種壓有同心波紋的圓形薄膜。當膜片四周固定，兩 側(cè)面存在壓差時，膜片將彎向壓力低的一側(cè)，因此能 夠?qū)毫ψ儞Q為直線位移。 四、壓力測量 2021/1/24 31 壓力測量 1 壓力輸入接頭 2 波紋膜盒 3 電纜 4 印制線路板 5 差動線圈 6 銜鐵 7 電源變壓器 8 罩殼 9 指示燈 10 密封隔板 11 安裝底座 2021/1/24 32 圖 3-17b 某一 壓力變送器的測量電路 2021/1/24 33 五、電感傳感器在粗糙度測量中的應(yīng)用 手持式粗糙度儀 觸針 : 金剛石圓錐； 針尖圓弧半徑： 5 m； 可存儲 500個粗糙度參數(shù)值及 4
12、組輪廓數(shù)據(jù)； 可進行粗糙度參數(shù)的打印； 可對外圓、內(nèi)孔、軸肩、圓錐面等各種復(fù) 雜表面進行測試； 2021/1/24 34 粗糙度儀外形 金剛石測頭 2021/1/24 35 粗糙度測量結(jié)果打?。?1） 2021/1/24 36 粗糙度測量結(jié)果打印（ 2） 2021/1/24 37 七、一次儀表與 420mA二線制輸出方式 壓力變送器已經(jīng)將傳感器與信號處理電路 組合在一個殼體中 ， 這在工業(yè)中被稱為一次 儀表 。 一次儀表的輸出信號可以是電壓 ， 也 可以是電流 。 由于電流信號不易受干擾 ， 且 便于遠距離傳輸 （ 可以不考慮線路壓降 ） ， 所以在一次儀表中多采用電流輸出型 。 2021/1
13、/24 38 420mA二線制輸出方式 新的國家標準規(guī)定電流輸出為 420mA；電壓輸出 為 15V(舊國標為 010mA或 02V)。 4mA對應(yīng)于零輸 入 ， 20mA對應(yīng)于滿度輸入 。 不讓信號占有 04mA這 一范圍的原因 ， 一方面是有利于判斷線路故障 （ 開 路 ） 或儀表故障；另一方面 ， 這類一次儀表內(nèi)部均 采用微電流集成電路 ， 總的耗電還不到 4mA， 因此 還能利用 04mA這一部分 “ 本底 ” 電流為一次儀表 的內(nèi)部電路提供工作電流 ， 使一次儀表成為兩線制 儀表 。 2021/1/24 39 420mA二線制輸出方式 所謂二線制儀表是指儀表與外界的聯(lián)系 只需兩根導(dǎo)線
14、。 多數(shù)情況下， 其中一根（紅 色）為 +24V電源線，另一根（黑色）既作為 電源負極引線，又作為信號傳輸線。在信號 傳輸線的末端通過一只標準負載電阻（也稱 取樣電阻）接地（也就是電源負極），將電 流信號轉(zhuǎn)變成電壓信號。 2021/1/24 40 420mA二線制儀表接線方法 420mA 2021/1/24 41 420mA二線制數(shù)顯表外形及計算 在上一張圖中，若取樣電阻 RL =500.0， 則對應(yīng)于 420mA的輸出電流，輸出電壓 Uo為 210V。 2021/1/24 42 本章作業(yè) 習題 P62 第 1題、 3題， 4、 5題（選做） 2021/1/24 43 休息一下 2021/1/
15、24 44 2.6 電渦流式傳感器 電渦流在用電中是有害的 ， 應(yīng)盡量避免 ， 如電機 、 變壓器的鐵心用相互絕緣的硅鋼片疊成 ， 以切斷電 渦流的通路；而在電加熱方面卻有著廣泛應(yīng)用 ， 如 金屬熱加工的 400Hz中頻爐 、 表面淬火的 2MHz高頻 爐 、 烹飪用的電磁爐等 。 在檢測領(lǐng)域 ， 電渦流式傳 感器結(jié)構(gòu)簡單 ， 其最大特點是可以實現(xiàn)非接觸測量 ， 因此在工業(yè)檢測中得到了越來越廣泛的應(yīng)用 。 例如 位移 、 厚度 、 振動 、 速度 、 流量和硬度等 ， 都可以 使用電渦流式傳感器來測量 。 2021/1/24 45 第一節(jié) 電渦流傳感器工作原理 電渦流效應(yīng)演示 當電渦流線 圈與
16、金屬板的距 離 x 減小時，電 渦流線圈的等效 電感 L 減小，等 效電阻 R 增大。 感抗 XL 的變化比 R 的變化 大 得 多，流過電渦流 線圈的電流 i1 增 大。 根據(jù)法拉弟電磁感應(yīng)定律 ,金屬 導(dǎo)體置于變化的磁場中時 ,導(dǎo)體 表面就會有感應(yīng)電流產(chǎn)生 .電流 的流線在金屬體內(nèi)自行閉合 ,這 種由電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生的旋渦狀 感應(yīng)電流稱為電渦流 ,這種現(xiàn)象 稱為電渦流效應(yīng) . 當高頻（ 100kHz左右）信號源產(chǎn)生 的高頻電壓施加到一個靠近金屬導(dǎo) 體附近的電感線圈 L1時，將產(chǎn)生高 頻磁場 H1。如被測導(dǎo)體置于該交變 磁場范圍之內(nèi)時，被測導(dǎo)體就產(chǎn)生 電渦流 i2。 i2在金屬導(dǎo)體的縱深方向
17、 并不是均勻分布的，而只集中在金 屬導(dǎo)體的表面，這稱為集膚效應(yīng) （也稱趨膚效應(yīng)）。 集膚效應(yīng)與激勵源頻率 f、工件的電 導(dǎo)率 、磁導(dǎo)率 等有關(guān)。頻率 f越 高，電渦流的滲透的深度就越淺， 集膚效應(yīng)越嚴重。 2021/1/24 46 電渦流的應(yīng)用 在我們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)?？梢杂龅?干凈、 高效的 電磁爐 2021/1/24 47 二、等效阻抗分析 檢測深度與 激勵源頻率有何關(guān)系？ 電渦流線圈受電渦流影響時的等效阻抗 Z的 函數(shù)表達式為： Z=R+j L=f（ i1、 f、 、 、 r、 x） （ 4-1） 如果控制上式中的 i1、 f、 、 、 r(表面因素 ) 不變 ， 電渦流線圈的阻抗 Z就成為
18、哪個非電量的 單值函數(shù) ？ 屬于接觸式測量還是非接觸式測量 ？ 由于存在集膚效應(yīng)，電渦流只能檢 測導(dǎo)體表面的各種物理參數(shù)。改變 f， 可控制檢測深度。激勵源頻率一般 設(shè)定在 100kHz1MHz。頻率越低， 檢測深度越深。 間距 x的測量：如果控制上式中的 i1、 f、 、 、 r不變 ， 電渦流線圈的阻 抗 Z就成為間距 x的單值函數(shù) ， 這樣 就成為非接觸地測量位移的傳感器 。 多種用途：如果控制 x、 i1、 f不變 ， 就可以用來檢測與表面電導(dǎo)率 有關(guān) 的表面溫度 、 表面裂紋等參數(shù) ， 或 者用來檢測與材料磁導(dǎo)率 有關(guān)的材 料型號 、 表面硬度等參數(shù) 。 2021/1/24 48 電
19、磁爐內(nèi)部的勵磁線圈 2021/1/24 49 電磁爐的工作原理 高頻電 流通過勵磁 線圈，產(chǎn)生 交變磁場， 在鐵質(zhì)鍋底 會產(chǎn)生無數(shù) 的電渦流， 使鍋底自行 發(fā)熱，燒開 鍋 內(nèi) 的 食 物。 2021/1/24 50 第二節(jié) 電渦流傳感器結(jié)構(gòu)及特性 電渦流探頭 外形 交變磁場 2021/1/24 51 電渦流探頭 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 1 電渦流線圈 2 探頭殼體 3 殼體上的位置調(diào)節(jié)螺紋 4 印制線路板 5 夾持螺母 6 電源指示燈 7 閾值指示燈 8 輸出屏蔽電纜線 9 電纜插頭 2021/1/24 52 CZF-1系列傳感器的性能 分析上表請得出結(jié)論： 探頭的直徑與測量范圍及分辨力之間 有何關(guān)系？ 2
20、021/1/24 53 大直徑電渦流探雷器 2021/1/24 54 2.4.3 電渦流傳感器的轉(zhuǎn)換電路 電渦流式傳感器可以采用諧振電路來轉(zhuǎn)換。諧振電路的 輸出也是調(diào)制波，控制幅值變化的稱調(diào)幅波，控制頻率變化 的稱調(diào)頻波。調(diào)幅波要經(jīng)過幅值檢波，調(diào)頻波要經(jīng)過鑒頻才 能獲得被測量的電壓。 如圖 2-21所示 ,晶體振蕩器輸出頻率固定的正弦波，經(jīng)限 流電阻 R接電渦流傳感器線圈與電容器的并聯(lián)電路。當 LC諧振 頻率等于晶振頻率時輸出電壓幅度最大，偏離時輸出電壓幅 度隨之減小，是一種調(diào)幅波。該調(diào)幅信號經(jīng)高頻放大、檢波、 濾波后輸出與被測量相應(yīng)變化的直流電壓信號。 圖 2-21 CZF-1型電渦流傳感器
21、測量電路框圖 2021/1/24 55 2.4.4 電渦流式傳感器使用注意事項 充分利用電渦流以獲得準確的測量效果，使用時應(yīng)注意： 1.電渦流軸向貫穿深度的影響 （ 1）導(dǎo)體厚度的選擇 利用電渦流式傳感器測距離時， 應(yīng)使導(dǎo)體的厚度遠大于電渦流的軸向貫穿深度；采用透 射法測厚度時，應(yīng)使導(dǎo)體的厚度小于軸向貫穿深度。 （ 2）勵磁電源頻率的選擇 導(dǎo)體材料確定之后，可以改 變勵磁電源頻率來改變軸向貫穿深度。電阻率大的材料 應(yīng)選用較高的勵磁頻率，電阻率小的材料應(yīng)選用較低的 勵磁頻率。 渦流在金屬導(dǎo)體中的軸向衰減深度 t可以表示為 2021/1/24 56 電渦流傳感器的應(yīng)用 一、位移測量 電渦流位移傳感
22、器是一種輸出為模擬電壓的電子 器件。接通電源后，在電渦流探頭的有效面（感應(yīng)工 作面）將產(chǎn)生一個交變磁場。 當金屬物體接近此感 應(yīng)面時，金屬表面將吸取電渦流探頭中的高頻振蕩能 量，使振蕩器的輸出幅度線性地衰減，根據(jù)衰減量的 變化，可計算出與被檢物體的距離和振動等參數(shù)。這 種位移傳感器屬于非接觸測量，工作時不受灰塵等非 金屬因素的影響，壽命較長，可在各種惡劣條件下使 用。 2021/1/24 57 位移測量儀 位移測量包含： 偏心、間隙、位 置、傾斜、彎曲、變 形、移動、圓度、沖 擊、偏心率、沖程、 寬度等等。來自不同 應(yīng)用領(lǐng)域的許多量都 可歸結(jié)為位移或間隙 變化。 數(shù)顯 位移測量儀及探頭 202
23、1/1/24 58 420mA電渦流位移傳感器外形 （參考德國圖爾克公司資料） 2021/1/24 59 齊平式電渦流位移 傳感器外形 （參考德國圖爾克公司資料） 齊平式傳感器安裝時可以不高出安裝面，不易被損害。 2021/1/24 60 V系列 電渦流位移 傳感器性能一覽表 （摘自洞頭開關(guān)廠資料） 2021/1/24 61 某 V系列電渦流位移傳感器的機械圖 2021/1/24 62 四線制電渦流位移傳感器的接線說明 該位移傳感器同時具備兩種動作輸出狀態(tài)，用 戶可選擇從高電壓向低電壓轉(zhuǎn)變、和從低電壓向高 電壓轉(zhuǎn)變兩種方式，分別稱為 NPN和 PNP輸出模式， 俗稱為常開輸出或常閉輸出模式。
24、2021/1/24 63 電渦流位移傳感器的應(yīng)用 電渦流探頭線圈的阻抗受諸多因素影響，例如金 屬材料的厚度、尺寸、形狀、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、表面 因素、距離等。只要固定其他因素就可以用電渦流傳 感器來測量剩下的一個因素。因此電渦流傳感器的應(yīng) 用領(lǐng)域十分廣泛。但也同時帶來許多不確定因素，一 個或幾個因素的微小變化就足以影響測量結(jié)果。所以 電渦流傳感器多用于定性測量。 即使要用作 定 量 測 量，也必須采用逐點標定、計算機線性糾正、溫度補 補償?shù)却胧?2021/1/24 64 位移傳感器的分類 2021/1/24 65 偏心和振動檢測 2021/1/24 66 測量彎曲、波動、變形 對橋梁、絲桿等機
25、械結(jié)構(gòu)的振動 測量，須使用多個傳感器。 2021/1/24 67 測量金屬薄膜、板材厚度電渦流測厚儀 測量冷軋板厚度 2021/1/24 68 測量尺寸、公差 及零件識別 通過測量間隙來 測定 熱膨脹引起的上下平移 2021/1/24 69 位移的標定方法 使用千分尺，逐一對照測量電路的輸 出電壓及數(shù)顯表讀數(shù)，列出對照表，存入 計算機，從而達到線性化的目的。 2021/1/24 70 電渦流位移傳感器的距離 與輸出電壓特性曲線 1 量程為 10mm 2 量程為 16mm 3 量程為 20mm 2021/1/24 71 二、振動測量 用電渦 流探頭、 調(diào)幅法測 量簡諧振 動時，探 頭的輸出 波形
26、。 2021/1/24 72 調(diào)頻法測量振動的波形 2021/1/24 73 振動測量 汽輪機葉片測試 測量懸臂梁的 振幅及頻率 2021/1/24 74 三、轉(zhuǎn)速測量 若轉(zhuǎn)軸上開 z 個槽 (或齒 )，頻率計的讀數(shù) 為 f（單位為 Hz），則轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速 n（單位為 r/min）的計算公式為 60 f n z 2021/1/24 75 齒輪轉(zhuǎn)速測量 例： 下圖中，設(shè)齒數(shù) z =48，測得頻率 f=120Hz，求該齒輪的轉(zhuǎn)速 n 。 2021/1/24 76 電動機 轉(zhuǎn)速測量 2021/1/24 77 四、電渦流式通道安全檢查門 安檢門的內(nèi)部設(shè)置有發(fā)射線 圈和接收線圈。當有金屬物體通 過時，交變磁場就會在該金屬導(dǎo) 體表面產(chǎn)生電渦流，會在接收線 圈中感應(yīng)出電壓，計算機根據(jù)感 應(yīng)電壓的大小、相位來判定金屬 物體的大小。 在安檢門的側(cè)面還 安裝一臺 “ 軟 x光 ” 掃描儀，它對 人體、膠卷無害，用軟件處理的 方法，可合成完整的光學(xué)圖像。 2021/1/24 78 安檢門演示 當有金屬物體穿 越安檢門時報警 2021/1/24 79 五、電渦流表面探傷 手持式裂紋測量儀 油管探傷 2021/1/24 80 手提式探傷儀外形 （ 參考廈門愛德華檢測設(shè)備有限公司資料 ） 2021/1/24 81 用掌上型電渦流探傷儀檢測飛機裂紋 2021/1/24 82 臺式電渦流探傷儀
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