1、2022-6-214-2 4-2 自感式传感器自感式传感器 先看一个实验：先看一个实验： 将一只将一只380V交流接触器线圈与交流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毫安表串联后，接到机床用控制变压器的的36V交流电压源上，如图交流电压源上，如图4-1所示。这所示。这时毫安表的示值约为几十毫安。用手慢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气隙等于小。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。零时，毫
2、安表的读数只剩下十几毫安。 2022-6-22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F F220V准备工作准备工作2022-6-23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 F2022-6-24电感传感器的基本工作电感传感器的基本工作原理原理 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也也较大，线圈的电感量较大，线圈的电感量L和感抗和感抗XL 较小，所以较小，所以电流电流I 较大。当铁心闭合时，磁阻变小、电较大。当铁心闭合时，磁阻变小、电感变大，电流减小。感变大，电流减小。 (3
3、1)2LUUUIZXfL2022-6-25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 2022-6-26电感量计算公式电感量计算公式 ： 请分析电感量请分析电感量L与气隙厚度与气隙厚度 及气隙的有效截及气隙的有效截面积面积A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。20 2NALN：线圈匝数；：线圈匝数；A ：气隙的有效截面积；：气隙的有效截面积； 0 ：真空磁导率；：真空磁导率； ：气隙厚度。气隙厚度。 2022-6-27差动电感传感器的特点差动电感传感器的特点 请分析：灵敏度、请分析：灵敏度、 线性度
4、线性度有何变化有何变化曲线曲线1、2为为L1、L2 的特性，的特性，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，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 2022-6-28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，灵敏度约的线性较好，且输
5、出曲线较陡，灵敏度约为非差动式电感传感器的两倍。为非差动式电感传感器的两倍。 从结构图可以看出，差动式电感传感器从结构图可以看出，差动式电感传感器对外界影响，如温度的变化、电源频率的变对外界影响，如温度的变化、电源频率的变化等基本上可以互相抵消，衔铁承受的电磁化等基本上可以互相抵消，衔铁承受的电磁吸力也较小，从而减小了测量误差。吸力也较小，从而减小了测量误差。 2022-6-29测量转换电路测量转换电路 测量转换电路的作用是将电感量的变化测量转换电路的作用是将电感量的变化转换成电压或电流的变化，以便用仪表指示转换成电压或电流的变化，以便用仪表指示出来。出来。但若仅但若仅采用电桥电路和普通的检波
6、电采用电桥电路和普通的检波电路，则只能判别位移的大小，却无法判别输路，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。出的相位和位移的方向。 如果在输出电压送到指示仪前，经过一如果在输出电压送到指示仪前，经过一个能判别相位的检波电路，则不但可以反映个能判别相位的检波电路，则不但可以反映位移的大小（的幅值），还可以反映位移的位移的大小（的幅值），还可以反映位移的方向（的相位）。这种检波电路称为相敏检方向（的相位）。这种检波电路称为相敏检波电路波电路。2022-6-210图图3-7 3-7 相敏检波相敏检波输出特性曲线输出特性曲线a）非相敏检波）非相敏检波 b）相敏检波）相敏检波1理想特性
7、曲线理想特性曲线 2实际特性曲线实际特性曲线 2022-6-211二二 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（又称为初有一个一次线圈（又称为初级线圈），有若干个二次线圈（又称次级线圈）。当一次线圈级线圈），有若干个二次线圈（又称次级线圈）。当一次线圈加上交流激磁电压加上交流激磁电压Ui后，将在二次线圈中产生感应电压后，将在二次线圈中产生感应电压UO O。在。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。圈的电压之和。 请请将将单相变压单相变压器器二次线圈
8、二次线圈N21、N22的有关端点按的有关端点按全波整流电路的要全波整流电路的要求求正确地连接起来。正确地连接起来。2022-6-212 结构特点：结构特点： 两个二次线圈反两个二次线圈反向串联，组成差向串联，组成差动输出形式。动输出形式。 请将二次请将二次线圈线圈N21、N22的的有关端点正确地有关端点正确地连接起来，并指连接起来，并指出哪两个为输出出哪两个为输出端点。端点。2022-6-213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互感量线圈与二次线圈间的互感量M的变化的装
9、置。当一次的变化的装置。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线圈接入激励电源之后，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。由于两个二次线圈采用差动接法，故称为差动变化。由于两个二次线圈采用差动接法，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。目前应用最广泛的结构型式是螺线管式差动变压器。压器。 2022-6-214灵敏度与线性度灵敏度与线性度 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。行程越小，灵敏度越高。 为了提高灵敏度，励磁电
10、压在为了提高灵敏度，励磁电压在10V左右为左右为宜。电源频率以宜。电源频率以110kHz为好。为好。 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1/10左右左右。 2022-6-215测量电路测量电路 （以（以差动整差动整流流为例）为例） 若若1、2虚焊，虚焊，Ua o、 Ub o将变成什么将变成什么波形？波形？2022-6-216三三 电感式传感器的应用电感式传感器的应用 位移测量位移测量 轴向式电感轴向式电感 测微器的外形测微器的外形 航空插头航空插头红宝石测头红宝石测头2022-6-217模拟式及数字模拟式及数字式电感测微仪式电感测微仪2022-6-218电
11、感式不圆度计电感式不圆度计 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2022-6-219电感式不圆度测试系统电感式不圆度测试系统旁向式电感测微头旁向式电感测微头2022-6-220电感式不圆度测量系统外形电感式不圆度测量系统外形（参考（参考洛阳汇智测控技术有限公司资料）洛阳汇智测控技术有限公司资料）旋转盘旋转盘测量头测量头2022-6-221不圆度测量打印不圆度测量打印2022-6-222电感式轮廓仪电感式轮廓仪 旁向式旁向式电感电感 测微测微头头2022-6-223电感传感器在粗糙度测量中的应用电感传感器在粗糙度测量中的应用 手持式粗糙度仪手持式粗糙度仪 触针触针: : 金刚
12、石圆锥；金刚石圆锥；针尖圆弧半径：针尖圆弧半径：5m5m；可存储可存储500500个粗糙度参数值及个粗糙度参数值及4 4组轮廓数据；组轮廓数据；可进行粗糙度参数的打印；可进行粗糙度参数的打印；可对外圆、内孔、轴肩、圆锥面等各种复可对外圆、内孔、轴肩、圆锥面等各种复杂表面进行测试；杂表面进行测试；2022-6-224粗糙度仪外形粗糙度仪外形金刚石测头金刚石测头2022-6-225粗糙度测量结果打印（粗糙度测量结果打印（1）2022-6-226粗糙度测量结果打印（粗糙度测量结果打印（2）2022-6-227 一次仪表与一次仪表与 420mA二线制输出方式二线制输出方式 图图3-17所示的压力变送器
13、已经将传感器与所示的压力变送器已经将传感器与信号处理电路组合在一个壳体中，这在工业信号处理电路组合在一个壳体中，这在工业中被称为一次仪表。一次仪表的输出信号可中被称为一次仪表。一次仪表的输出信号可以是电压，也可以是电流。由于电流信号不以是电压，也可以是电流。由于电流信号不易受干扰，且便于远距离传输（可以不考虑易受干扰，且便于远距离传输（可以不考虑线路压降），所以在一次仪表中多采用电流线路压降），所以在一次仪表中多采用电流输出型。输出型。2022-6-228某一某一压力变送器的测量电路压力变送器的测量电路 2022-6-229420mA二线制输出方式二线制输出方式 新的国家标准规定电流输出为新的
14、国家标准规定电流输出为420mA420mA；电压输出；电压输出为为15V(15V(旧国标为旧国标为010mA010mA或或02V)02V)。4mA4mA对应于零输对应于零输入，入，20mA20mA对应于满度输入。不让信号占有对应于满度输入。不让信号占有04mA04mA这这一范围的原因，一方面是有利于判断线路故障（开一范围的原因，一方面是有利于判断线路故障（开路）或仪表故障；另一方面，这类一次仪表内部均路）或仪表故障；另一方面，这类一次仪表内部均采用微电流集成电路，总的耗电还不到采用微电流集成电路，总的耗电还不到4mA4mA，因此，因此还能利用还能利用04mA04mA这一部分这一部分“本底本底”
15、电流为一次仪表电流为一次仪表的内部电路提供工作电流，使一次仪表成为两线制的内部电路提供工作电流，使一次仪表成为两线制仪表。仪表。 2022-6-230420mA二线制输出方式二线制输出方式 所谓二线制仪表是指仪表与外界的联系所谓二线制仪表是指仪表与外界的联系只需两根导线。只需两根导线。多数情况下，多数情况下，其中一根（红其中一根（红色）为色）为+24V+24V电源线，另一根（黑色）既作为电源线，另一根（黑色）既作为电源负极引线，又作为信号传输线。在信号电源负极引线，又作为信号传输线。在信号传输线的末端通过一只标准负载电阻（也称传输线的末端通过一只标准负载电阻（也称取样电阻）接地（也就是电源负极
16、），将电取样电阻）接地（也就是电源负极），将电流信号转变成电压信号。流信号转变成电压信号。 2022-6-231420mA二线制仪表接线方法二线制仪表接线方法420mA2022-6-232有一台两线制压力变送器，量程范围为有一台两线制压力变送器，量程范围为01MPa，对，对应的输出电流为应的输出电流为420mA。请将下图中的各元器件。请将下图中的各元器件及仪表正确地连接起来。及仪表正确地连接起来。 2022-6-233例： 有一台两线制压力变送器，量程范围为 01MPa ，对应的输出电流为 420mA 。求： 1 ）压力 p 与输出电流 I 的关系表达式（输入 / 输出方程）。 2 ）画出压力
17、与输出电流间的输入 / 输出特性曲线。 3 ）当 p 为 0MPa 、 1MPa 和 0.5MPa 时变送器的输出电流。 4 ）如果希望在信号传输终端将电流信号转换为 15V 电 压，求负载电阻 R L 的阻值。5 ）如果测得变送器的输出电流为 5mA ，求此时的压力 p 。 2022-6-234420mA二线制数显表外形及计算二线制数显表外形及计算 在上一张图中，若取样电阻在上一张图中，若取样电阻RL =500.0 ，则对应于则对应于420mA的输出电流，输出电压的输出电流，输出电压Uo为为210V。 2022-6-235 四四 电涡流传感器电涡流传感器电涡流效应演示电涡流效应演示 当电涡流
18、线当电涡流线圈与金属板的距圈与金属板的距离离x 减小时，电减小时，电涡流线圈的等效涡流线圈的等效电感电感L 减小，等减小，等效电阻效电阻R 增大。增大。感抗感抗XL 的变化比的变化比 R 的变化的变化 大大 得得 多，流过电涡流多，流过电涡流线圈的电流线圈的电流 i1 增增大。大。 2022-6-236电涡流的应用电涡流的应用 在我们日常生活中经常可以遇到在我们日常生活中经常可以遇到 干净、干净、高效的高效的 电磁炉电磁炉2022-6-237电磁炉内部的励磁线圈电磁炉内部的励磁线圈2022-6-238电磁炉的工作原理电磁炉的工作原理 高高频电流通过频电流通过励磁线圈，励磁线圈，产生交变磁产生交
19、变磁场，在铁质场，在铁质锅底会产生锅底会产生无数的电涡无数的电涡流，使锅底流，使锅底自行发热，自行发热，烧开锅烧开锅 内内 的的 食食 物。物。2022-6-239电涡流传感器结构及特性电涡流传感器结构及特性 电涡流探头电涡流探头外形外形交变磁场交变磁场2022-6-240电涡流探头电涡流探头内部结构内部结构 1电涡流线圈电涡流线圈 2探头壳体探头壳体 3壳体上的位置调节螺纹壳体上的位置调节螺纹 4印制线路板印制线路板 5夹持螺母夹持螺母 6电源指示灯电源指示灯 7阈值指示灯阈值指示灯 8输出屏蔽电缆线输出屏蔽电缆线 9电缆插头电缆插头 2022-6-241CZF-1系列传感器的性能系列传感器
20、的性能 分析上表请得出结论：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探头的直径与测量范围及分辨力之间有何关系？有何关系？ 2022-6-242大直径电涡流探雷器大直径电涡流探雷器 2022-6-243测量转换电路测量转换电路 1、调幅式（、调幅式（AM）电路）电路 石英振荡器产生稳频、稳幅高频振荡电压石英振荡器产生稳频、稳幅高频振荡电压(100kHz1MHz）用于激励电涡流线圈。金属材料在高频磁场中产生电涡流，引用于激励电涡流线圈。金属材料在高频磁场中产生电涡流，引起电涡流线圈端电压的衰减，再经高放、检波、低放电路，最起电涡流线圈端电压的衰减，再经高放、检波、低放电路，最终输出的
21、直流电压终输出的直流电压Uo反映了金属体对电涡流线圈的影响（例如反映了金属体对电涡流线圈的影响（例如两者之间的距离等参数）。两者之间的距离等参数）。2022-6-244部分常用材料对振荡器振幅的衰减系数部分常用材料对振荡器振幅的衰减系数 人的手、泥土或装满水的玻璃杯能对人的手、泥土或装满水的玻璃杯能对振荡振荡器的振幅产生明显的衰减吗？为什么？器的振幅产生明显的衰减吗？为什么？ 2022-6-2452、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，电涡流线圈的电感线圈的电感量量L 也随之改变，引起也随之改
22、变，引起LC 振荡器的输出振荡器的输出频率变化，此频率可直接用计算机测量。如果要用模频率变化，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，将拟仪表进行显示或记录时，必须使用鉴频器，将 f转转换为电压换为电压 Uo 。 2022-6-246现要求在自行车的适当位置安装一套传感器及有关电路，使之能显示出车速（ km/h ）、及累计公里数 (km) ，当车速未达到设定值（ v min ）时绿色闪亮，提示运动员加速；当累计公里数达到设定值 ( L max ) 时，红色 LED 闪亮、喇叭响 , 提示运动员停下休息，计数器同时复位，为下一个行程作准备。2022-6-247
23、非接触传感器的安装位置非接触传感器的安装位置显示器的安装位置显示器的安装位置2022-6-248电涡流传感器的应用电涡流传感器的应用 1. 1. 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的电子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，在电涡流探头的有效面（感应工器件。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。作面）将产生一个交变磁场。 当金属物体接近此感当金属物体接近此感应面时，金属表面将吸取电涡流探头中的高频振荡能应面时，金属表面将吸取电涡流探头中的高频振荡能量，使振荡器的输出幅度线性地衰减，根据衰减量的量，使振荡器的输出幅度线性地衰减
24、，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。变化，可地计算出与被检物体的距离、振动等参数。这种位移传感器属于非接触测量，工作时不受灰尘等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，可在各种恶劣条件下非金属因素的影响，寿命较长，可在各种恶劣条件下使用。使用。2022-6-249位移测量仪位移测量仪 位移测量包含：位移测量包含： 偏心、间隙、位偏心、间隙、位置、倾斜、弯曲、变置、倾斜、弯曲、变形、移动、圆度、冲形、移动、圆度、冲击、偏心率、冲程、击、偏心率、冲程、宽度等等。来自不同宽度等等。来自不同应用领域的许多量都应用领域的许多量都可归结为位移或间隙
25、可归结为位移或间隙变化。变化。数显数显位移测量仪及探头位移测量仪及探头2022-6-250420mA电涡流位移传感器外形电涡流位移传感器外形（参考德国图尔克公司资料）（参考德国图尔克公司资料）2022-6-251齐平式电涡流位移齐平式电涡流位移传感器外形传感器外形（参考德国图尔克公司资料）（参考德国图尔克公司资料）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。2022-6-252V V系列系列电涡流位移电涡流位移传感器外形传感器外形（参考浙江洞头开关厂资料）（参考浙江洞头开关厂资料）齐平式齐平式2022-6-253V V系列系列电涡流位移电涡流
26、位移传感器性能一览表传感器性能一览表（摘自洞头开关厂资料）（摘自洞头开关厂资料） 2022-6-254某某V V系列系列电涡流位移传感器的机械图电涡流位移传感器的机械图2022-6-255四线制电涡流位移传感器的接线说明四线制电涡流位移传感器的接线说明 该位移传感器同时具备两种动作输出状态，用该位移传感器同时具备两种动作输出状态，用户可选择从高电压向低电压转变、和从低电压向高户可选择从高电压向低电压转变、和从低电压向高电压转变两种方式，分别称为电压转变两种方式，分别称为NPNNPN和和PNPPNP输出模式，输出模式，俗称为常开输出或常闭输出模式。俗称为常开输出或常闭输出模式。2022-6-25
27、6电涡流位移传感器的应用电涡流位移传感器的应用 电涡流探头线圈的阻抗受诸多因素影响，例如金电涡流探头线圈的阻抗受诸多因素影响，例如金属材料的厚度、尺寸、形状、电导率、磁导率、表面属材料的厚度、尺寸、形状、电导率、磁导率、表面因素、距离等。只要固定其他因素就可以用电涡流传因素、距离等。只要固定其他因素就可以用电涡流传感器来测量剩下的一个因素。因此电涡流传感器的应感器来测量剩下的一个因素。因此电涡流传感器的应用领域十分广泛。但也同时带来许多不确定因素，一用领域十分广泛。但也同时带来许多不确定因素，一个或几个因素的微小变化就足以影响测量结果。所以个或几个因素的微小变化就足以影响测量结果。所以电涡流传
28、感器多用于定性测量。电涡流传感器多用于定性测量。 即使要用作即使要用作 定定 量量 测测量，也必须采用逐点标定、计算机线性纠正、温度补量，也必须采用逐点标定、计算机线性纠正、温度补补偿等措施。补偿等措施。 2022-6-257偏心和振动检测偏心和振动检测2022-6-258通过测量间隙来测量径向跳动通过测量间隙来测量径向跳动2022-6-259测量弯曲、波动、变形测量弯曲、波动、变形 对桥梁、丝杆等机械结构的振动对桥梁、丝杆等机械结构的振动测量，须使用多个传感器。测量，须使用多个传感器。2022-6-260测量板材厚度电涡流测厚仪测量板材厚度电涡流测厚仪 测量冷轧板厚度测量冷轧板厚度2022-
29、6-261零件计数零件计数2022-6-262测量封口机工作间隙测量封口机工作间隙间隙越大，间隙越大，电涡流越小电涡流越小2022-6-263测量注塑机开合模的间隙测量注塑机开合模的间隙间距间距2022-6-264位移的标定方法位移的标定方法 使用千分尺，逐一对照测量电路的输使用千分尺，逐一对照测量电路的输出电压及数显表读数，列出对照表，存入出电压及数显表读数，列出对照表，存入计算机，从而达到线性化的目的。计算机，从而达到线性化的目的。2022-6-265二、振动测量二、振动测量 用电涡用电涡流探头、流探头、调幅法测调幅法测量简谐振量简谐振动时，探动时，探头的输出头的输出波形波形。2022-6
30、-266调频法测量振动的波形调频法测量振动的波形2022-6-267振动测量振动测量 测量悬臂梁的测量悬臂梁的振幅及频率振幅及频率2022-6-268转速测量转速测量 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（单位为（单位为r/min）的计算公式为）的计算公式为 60 fnz2022-6-269各种测量转速的传感器及其与齿轮的相对位置各种测量转速的传感器及其与齿轮的相对位置2022-6-270齿轮转速测量齿轮转速测量 例：例： 下图中，设齿下图中，设齿数数z z =48，测得频率，测得频率
31、f=120Hz，求该齿轮的转速，求该齿轮的转速n 。2022-6-271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导过时，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，计算机根据感圈中感应出电压，计算机根据感应电压的大小、相位来判定金属应电压的大小、相位来判定金属物体的大小。物体的大小。在安检门的侧面还在安检门的侧面还安装一台安装一台“软软x x光光”扫描仪，它对扫描仪，它对人体、胶卷无害，用软件处理的人体、胶卷无害，用软件处理的方法，可合成完整的光学图像。方法，可合成完整的光学图像。 2022-6-272安检门演示安检门演示当有金属物体穿当有金属物体穿越安检门时报警越安检门时报警2022-6-273电涡流表面探伤电涡流表面探伤 手持式裂纹测量仪手持式裂纹测量仪油管探伤油管探伤
