1、1 2第一节第一节 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220V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，如图所示。这时交流电压源上，如图所示。这时毫安表的示值约为几十毫安。用手慢慢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。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零时，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几毫安。毫安表的读数只剩下几毫安。
2、3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 F220V220V接触器线圈接触器线圈36V4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 F5一、电感传感器的基本工作原理一、电感传感器的基本工作原理6 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 1)2LUUUIZXfL7电感量计算公式电感量计算
3、公式：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；：气隙长度。气隙长度。8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 螺线管变铁芯式螺线管变铁芯式 9电感初始气隙电感初始气隙0 0处初始电感量为处初始电感量为L L0 0 0LL0L0+LL0L气隙减小，电感变大；气隙增大，电感减小。气隙减小，电感变大；气隙增大，电感减小。10v 差动式原理：差动式原理：差动变隙式由两个相差动变隙式由两个相同的线圈同的线圈L1、L2 和和磁路组成，两个线圈磁路组成，两个线圈串联。当被测量通过串联。当被测
4、量通过导杆使衔铁左右位移导杆使衔铁左右位移时，两个回路中磁阻时，两个回路中磁阻发生大小相等、方向发生大小相等、方向相反的变化，形成差相反的变化，形成差动形式。动形式。为减小非线性误差，实际测量中多采用差动形式。为减小非线性误差，实际测量中多采用差动形式。11差动电感传感器的基本结构差动电感传感器的基本结构 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
5、。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 12差动式电感传感器的优点差动式电感传感器的优点 （3）差动式电感传感器的线性较好，且输出曲线）差动式电感传感器的线性较好，且输出曲线较陡，灵敏度约为非差动式电感传感器的两倍。较陡，灵敏度约为非差动式电感传感器的两倍。（1）线性范围大，测量范围宽。）线性范围大，测量范围宽。（2）结构对称，可使温度、电源频率的变化）结构对称，可使温度、电源频率的变化等可以互相抵消，减小了测量误差。等可以互相抵消，减小了测量误差。13三、测量转换电路三、测量转换电路 测量转换电路的作用是将电感量的变化转换成测量转换
6、电路的作用是将电感量的变化转换成电压或电流的变化，以便用仪表指示出来。电压或电流的变化，以便用仪表指示出来。常用的测量转换电路为：常用的测量转换电路为：（1 1）交流电桥；）交流电桥；（2 2）变压器电桥；）变压器电桥；（3 3）相敏整流电桥。）相敏整流电桥。14电感式传感器的等效电路电感式传感器的等效电路 从电路角度看，电感式传感器的线圈并非是纯电从电路角度看，电感式传感器的线圈并非是纯电感，该电感由有功分量和无功分量两部分组成。有功感，该电感由有功分量和无功分量两部分组成。有功分量包括：线圈线绕电阻和涡流损耗电阻及磁滞损耗分量包括：线圈线绕电阻和涡流损耗电阻及磁滞损耗电阻，这些都可折合成为
7、有功电阻，其总电阻可用电阻，这些都可折合成为有功电阻，其总电阻可用R来表示；无功分量包含：线圈的自感来表示；无功分量包含：线圈的自感L L,绕线间分布绕线间分布电容，为简便起见可视为集中参数，用电容，为简便起见可视为集中参数，用C来表示。来表示。15两个桥臂由相同线圈组成两个桥臂由相同线圈组成 ，另外两个为平，另外两个为平衡电阻衡电阻 等效电路等效电路1610120234000,ccZZjL ZZjLZZR ZRj L R线圈铜阻初始状态：初始状态：Z1=Z2=Z0，输出电压，输出电压U0=0;当衔铁偏离中间位置，气隙变量为当衔铁偏离中间位置，气隙变量为，则输出电压则输出电压为为00()2AC
8、UU即即：（：（1 1）电桥输出电压电桥输出电压U0与气隙变量与气隙变量近似为线近似为线性关系。性关系。（2 2）电）电桥输出电压与桥压桥输出电压与桥压U UAC有关，还与初始气有关，还与初始气隙隙 0 0有关。有关。17 电桥的两臂是传感器线圈电桥的两臂是传感器线圈阻抗臂、另外两个臂是交流阻抗臂、另外两个臂是交流变压器次级线圈各占变压器次级线圈各占12，交，交流供电。流供电。桥路输出电压为：桥路输出电压为：18 当衔铁在中间位置当衔铁在中间位置 Z1=Z2=Z，U0=0（忽略电阻压降）当衔铁偏移，当衔铁偏移，Z1增大，增大，Z2减小时，输出电压减小时，输出电压当衔铁向另一方向偏移，当衔铁向另
9、一方向偏移，Z1减减小，小，Z2增大时，输出电压增大时，输出电压19差动自感传感器输出特性曲线差动自感传感器输出特性曲线1理想特性曲线理想特性曲线 2实际特性曲线实际特性曲线 Ur：为残压：为残压20 差动自感传感器经过电桥之后，可将位差动自感传感器经过电桥之后，可将位移量变为电压输出，但电压输出不能反映位移量变为电压输出，但电压输出不能反映位移的方向。因此需要一个判别位移方向的环移的方向。因此需要一个判别位移方向的环节。节。这时可用另一种测量电路来实现，这种这时可用另一种测量电路来实现，这种测量电路测量电路-相敏电桥电路。相敏电桥电路。（3）相敏整流电桥）相敏整流电桥21相敏整流电桥相敏整流
10、电桥 原理分析：原理分析：（1）衔铁在中间位置：）衔铁在中间位置：Z1=Z2=Z0,当电压当电压u为上正下负，则为上正下负，则VD1、VD4导通，导通，VD2、VD3截止，截止，R2的压降等于的压降等于R1的压降的压降uo=0;当电压当电压u为上负下正。为上负下正。uo=0（2)衔铁沿方向衔铁沿方向1偏离中间位置：偏离中间位置：Z1=Z0+Z,Z2=Z0-Z,当电压当电压u为上正下负，则为上正下负，则VD1、VD4导通，导通，VD2、VD3截止，截止，R2的压降大于的压降大于R1的压降；当电压的压降；当电压u为上负下正，则为上负下正，则VD1、VD4截止，截止，VD2、VD3导通，导通，R2的
11、压降大于的压降大于R1的压降，则输出电压的压降，则输出电压uo为上负下正。为上负下正。22相敏整流电桥相敏整流电桥（3）衔铁沿方向）衔铁沿方向2离中间位置：离中间位置：Z1=Z0-Z,Z2=Z0+Z,分析分析过程类似。则输出电压过程类似。则输出电压uo为上正下负。为上正下负。23相敏整流电桥的输出特性相敏整流电桥的输出特性 1理想特性曲线理想特性曲线 2实际特性曲线实际特性曲线即：相敏整流电桥的输出既能反映衔铁位移的大小，即：相敏整流电桥的输出既能反映衔铁位移的大小，又能反映位移的方向。又能反映位移的方向。24 251.压力测量压力测量 26 滚珠大小分拣滚珠大小分拣27 把被测的非电量变化转
12、换为线圈互感变化的传感把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器称为互感式传感器。这种传感器是根据变压器的基器称为互感式传感器。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组用差动形式连接，本原理制成的，并且次级绕组用差动形式连接，故故称差动变压器式传感器。称差动变压器式传感器。变压器结构形式：变隙式、变面积式和螺线管式等。变压器结构形式：变隙式、变面积式和螺线管式等。在非电量测量中，在非电量测量中，应用最多的是螺线管式差动应用最多的是螺线管式差动变压器，变压器，它可以测量它可以测量1100mm机械位移，并具有测机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可
13、靠等优点。结构简单、性能可靠等优点。28一、变隙式变压器一、变隙式变压器 两个初级绕组的同名端顺向串联，两个初级绕组的同名端顺向串联，而两个次级绕组的同名而两个次级绕组的同名端则反相串联。端则反相串联。变压器式传感器的结构示意图变压器式传感器的结构示意图29 当没有位移时，衔铁当没有位移时，衔铁C处于初始平衡位置，它与两处于初始平衡位置，它与两个铁芯的间隙有个铁芯的间隙有a0=b0=0，则绕组，则绕组W1a和和W2a间的互感间的互感Ma与绕组与绕组W1b和和W2b的互感的互感Mb相等，致使两个次级绕组相等，致使两个次级绕组的互感电势相等，即的互感电势相等，即e2a=e2b。由于次级绕组反相串联
14、，。由于次级绕组反相串联，因此，差动变压器输出电压因此，差动变压器输出电压Uo=e2a-e2b=0。当被测体有位移时，与被测体相连的衔铁的位置当被测体有位移时，与被测体相连的衔铁的位置将发生相应的变化，使将发生相应的变化，使ab，互感，互感MaMb，两次级绕，两次级绕组的互感电势组的互感电势e2ae2b，输出电压，输出电压Uo=e2a-e2b0，即差动，即差动变压器有电压输出，变压器有电压输出，且输出电压的大小和极性与被测且输出电压的大小和极性与被测体位移的大小和方向有关。体位移的大小和方向有关。30二、螺线管式差动变压器二、螺线管式差动变压器次次 级级次次 级级骨架骨架初初 级级衔衔 铁铁次
15、次 级级次次 级级初初 级级31差动变压器等效电路差动变压器等效电路 32差动变压器输出电压的特性曲线差动变压器输出电压的特性曲线 33 由图可以看出，由图可以看出，当衔铁位于中心位置时，差动当衔铁位于中心位置时，差动变压器输出电压并不等于零，我们把差动变压器在零变压器输出电压并不等于零，我们把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压，记作位移时的输出电压称为零点残余电压，记作Uo。产生残余电压的原因是：由于两个次级线圈绕组产生残余电压的原因是：由于两个次级线圈绕组电气参数电气参数（M互感互感 L电感电感 R内阻）不同，几何尺寸工内阻）不同，几何尺寸工艺上很难保证完全相同。艺上很难保证完
16、全相同。34 差动变压器的输出是交流电压差动变压器的输出是交流电压(用交流电压表用交流电压表测量，只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动测量，只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的方向的方向)。为了达到能辨别移动方向，实际测量时，为了达到能辨别移动方向，实际测量时，常常采用差动整流电路和相敏检波电路。常常采用差动整流电路和相敏检波电路。35(1)差动整流电路差动整流电路 这种电路是把差动变压器的两个次级输出这种电路是把差动变压器的两个次级输出电压分别整流，电压分别整流，然后将整流的电压或电流的差然后将整流的电压或电流的差值作为输出。值作为输出。（a）半波电半波电压输出；压输出；（b）半波电半波电
17、流输出；流输出；（c）全波电全波电压输出；压输出；（d）全波电全波电流输出流输出 36输入一交流信号时整流电路的输出电输入一交流信号时整流电路的输出电压为：压为：U0=U24-U68（有效值相减）（有效值相减）铁芯铁芯T在中间位置在中间位置，U24=U68 U0=0 T上移，上移，U24 U68 U0 0，T下移，下移，U24 U68 U0 0 铁芯上移铁芯上移 铁芯下移铁芯下移U0U037各种电感式传感器各种电感式传感器非接触式位移传感器测厚传感器电 感 粗 糙 度 仪接近式传感器3839 差动变压器式传感器可直接用于位移测量，差动变压器式传感器可直接用于位移测量，也可以用来测量与位移有关的
18、任何机械量，也可以用来测量与位移有关的任何机械量，如振动，加速度，应变等等。如振动，加速度，应变等等。（1 1）压差计）压差计 当压差变化时，腔内当压差变化时，腔内 膜片位移使差动变压器次膜片位移使差动变压器次 级电压发生变化，输出与级电压发生变化，输出与 位移成正比，与压差成正位移成正比，与压差成正 比。比。40 沉筒式液位计将水沉筒式液位计将水位变化转换成位移变化，位变化转换成位移变化，再转换为电感的变化，再转换为电感的变化，差动变压器的输出反映差动变压器的输出反映液位高低。液位高低。41（3 3）电感式测微器）电感式测微器 轴向式电感轴向式电感 测微器的外形测微器的外形 42模拟式及数字
19、模拟式及数字式电感测微仪式电感测微仪43（4）电感式滚柱直径分选装置）电感式滚柱直径分选装置 测微仪测微仪圆柱滚子圆柱滚子44（5）电感式圆度计）电感式圆度计 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45第三节第三节 涡流式传感器涡流式传感器4647电涡流效应演示电涡流效应演示 4849电涡流的应用电涡流的应用 清洁、清洁、高效的高效的 电磁炉电磁炉50电磁炉内部的励磁线圈电磁炉内部的励磁线圈51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
20、热，自行发热，烧开锅烧开锅 内内 的的 食食 物。物。52大直径电涡流探雷器大直径电涡流探雷器 5310 110 121R Ij L Ij MIU122220j MIR Ij L I54222212211010222212222()()UM RM LZRjLIRLRL 55三、电涡流传感器的应用三、电涡流传感器的应用 1、位移测量、位移测量 位移测量包含：位移测量包含：偏心、间隙、位置、偏心、间隙、位置、倾斜、弯曲、变形、移动、倾斜、弯曲、变形、移动、圆度、冲击、偏心率、宽圆度、冲击、偏心率、宽度等等。来自不同应用领度等等。来自不同应用领域的许多量都可归结为位域的许多量都可归结为位移或间隙变化
21、。移或间隙变化。56偏心和振动检测偏心和振动检测572、振动测量、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。583、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，则转轴的转速，则转轴的转速n（单位为（单位为r/min）的计算）的计算公式为公式为 60 fnz59电涡流涂层电涡流涂层厚度仪原理厚度仪原理604.电涡流式通道电涡流式通道安全检查门安全检查门 安检门的内部设置安检门的内部设置有有发射线圈和接收线圈发射线圈和接收线圈。当有金属物体通过时，交当有金属物体通过时
22、，交变磁场就会在该金属导体变磁场就会在该金属导体表面产生电涡流，会在接表面产生电涡流，会在接收线圈中感应出电压，计收线圈中感应出电压，计算机根据算机根据感应电压的大小、感应电压的大小、相位相位来判定金属物体的大来判定金属物体的大小。小。61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62本章小结：本章小结：20 2NAL001 k灵敏度（单线圈）：灵敏度（单线圈）：1.自感式传感器自感式传感器自感式传感器的三种形式自感式传感器的三种形式：（：（1）变气隙式；（）变气隙式；（2）变）变面积；（面积；（3）变介质）变介质双线圈（差动式）：双线圈（差动式）：002 k633.涡流式传感器：涡流式传感器：2.变压器式传感器变压器式传感器特点：特点：（1）测量范围宽；（）测量范围宽；（2）灵敏度高；（）灵敏度高；（3）性能）性能好好644.测量转换电路测量转换电路（1）电路电路（2）相敏整流电桥）相敏整流电桥（3）差动整流电）差动整流电路路
