1、,任務(wù)四：直線或轉(zhuǎn)動(dòng)位移的測(cè)量,4.1電感式位移傳感器,電感式位移傳感器：是將被測(cè)物理量的位移轉(zhuǎn)化為自感L，互感M的變化，并通過測(cè)量電感量的變化確定位移量。,電感式位移傳感器的主要類型：,輸出功率大、靈敏度高、穩(wěn)定性好,電感式位移傳感器的特點(diǎn)：,電感式位移傳感器的主要類型有：自感式、互感式、渦流式和壓磁式等,電感式傳感器的工作基礎(chǔ)：電磁感應(yīng) 即利用線圈電感或互感的改變來實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量,4.1.1自感式電感位移傳感器,1. 工作原理與結(jié)構(gòu),自感式位移傳感器由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料制成。,自感式傳感器是把被測(cè)量變化轉(zhuǎn)換成自感L的變化，通過一定的轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓或電流輸出

2、。,在纏繞在鐵心上的線圈中通以交變電流i，產(chǎn)生磁通m,形成磁通回路。,1. 工作原理與結(jié)構(gòu),磁通與電流之間的關(guān)系,1. 工作原理與結(jié)構(gòu),磁阻Rm在本例中包括三部分，鐵芯、銜鐵和氣隙中的磁阻。,1. 工作原理與結(jié)構(gòu),通常氣隙的磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻,1. 工作原理與結(jié)構(gòu),1. 工作原理與結(jié)構(gòu),當(dāng)鐵芯的結(jié)構(gòu)和材料確定后，自感L是氣隙厚度 和氣隙磁通截面積S的函數(shù)。 因此自感式位移傳感器可分為變氣隙型、變面積型和螺管型。,1. 工作原理與結(jié)構(gòu),變氣隙型自感傳感器如果S保持不變，則L為 的單值函數(shù)，可構(gòu)成變氣隙型自感傳感器,1. 工作原理與結(jié)構(gòu),變面積型自感傳感器如果保持 不變，使S隨位移而變，則

3、可構(gòu)成變面積型自感傳感器；,1. 工作原理與結(jié)構(gòu),螺線管型自感傳感器如果在線圈中放入圓柱形銜鐵，當(dāng)銜鐵上下移動(dòng)時(shí)，自感量將相應(yīng)變化，就構(gòu)成了螺線管型自感傳感器。,輸出特性：L與之間是非線性關(guān)系， 特性曲線如下圖,變氣隙式電壓傳感器的L-特性,變氣隙型自感傳感器(略）,分析： 當(dāng)銜鐵處于初始位置時(shí)，初始電感量為,當(dāng)銜鐵上移時(shí)，傳感器氣隙減小，即=0， 則此時(shí)輸出電感為,變氣隙型自感傳感器,當(dāng)/01時(shí)：,可求得電感增量L和相對(duì)增量L/L0的表達(dá)式，即,變氣隙型自感傳感器,對(duì)上式作線性處理，即忽略高次項(xiàng)后，可得,靈敏度為,可見：變間隙式電感傳感器的線性度差，示值范圍窄（測(cè)量范圍），自由行程小，但在小

4、位移下靈敏度高，因此變隙式電感式傳感器適用于測(cè)量微小位移的場(chǎng)合。,為了減小非線形誤差，實(shí)際中廣泛采用差動(dòng)變隙式電感傳感器,差動(dòng)變隙式電感傳感器,1-鐵芯； 2-線圈； 3-銜鐵,當(dāng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí)，兩個(gè)線圈的電感變化量L1、L2,靈敏度k為,（1）差動(dòng)變間隙式自感傳感器的靈敏度是單線圈式傳感器的兩倍。 因此差動(dòng)式自感式傳感器，提高了精度、靈敏度，明顯改善了線性度。,差動(dòng)變隙式電感傳感器,變面積型電感傳感器（略）,氣隙長(zhǎng)度不變，鐵心與銜鐵之間相對(duì)覆蓋面積隨被測(cè)量的變化面而改變，從而導(dǎo)致線圈的電感量發(fā)生變化。靈敏度低，線性較好，量程較大，使用比較廣泛。,螺管型電感傳感器（略）,銜鐵隨被測(cè)對(duì)象移動(dòng)，線

5、圈磁力線路徑上的磁阻發(fā)生變化，線圈電感量也因此而變化。線圈電感量的大小與銜鐵插入線圈的深度有關(guān)。靈敏度較低，量程大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于制作和批量生產(chǎn)，是使用最廣泛的一種電感式傳感器。,（1）損耗問題,2. 在改善電感位移傳感器性能要考慮的因素,電感線圈、銜鐵系統(tǒng)在高頻電流激勵(lì)下工作必然存在功率損耗。主要損耗有線圈和鐵心。,（2）氣隙邊緣效應(yīng)的影響,（3）溫度誤差,（4）差動(dòng)式電感位移傳感器的零點(diǎn)剩余電壓?jiǎn)栴},課堂練習(xí),16、自感式位移傳感器可分為變氣隙型、變面積型和（ ）（測(cè)一）。,16、自感式位移傳感器可分為變氣隙型、變面積型和（螺管型）。,27、改善電感式位移傳感器的性能時(shí)需要考慮哪些因素？（測(cè)

6、一）,（1）損耗問題,2. 在改善電感位移傳感器性能要考慮的因素,電感線圈、銜鐵系統(tǒng)在高頻電流激勵(lì)下工作必然存在功率損耗。主要損耗有線圈和鐵心。,（2）氣隙邊緣效應(yīng)的影響,（3）溫度誤差,（4）差動(dòng)式電感位移傳感器的零點(diǎn)剩余電壓?jiǎn)栴},互感式位移傳感器是利用電磁原理，將被測(cè)位移量的變化轉(zhuǎn)換為線圈互感系數(shù)的變化，這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，故又稱變壓器式位移傳感器。,4.1.2互感式位移傳感器差動(dòng)變壓器,（二）互感式位移傳感器差動(dòng)變壓器,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：,式中M互感系數(shù)（H) M的大小與兩線圈之間相對(duì)位置以及周圍介質(zhì)的導(dǎo)磁能力等因素有關(guān)。 表明：兩線圈之間的耦合程度；,工作原理,線圈1為一

7、次側(cè)線圈，線圈2為二次側(cè)線圈，當(dāng)一次側(cè)通過交流電流時(shí)，在二次側(cè)上將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)兩者間的互感量變化時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也相應(yīng)變化。,互感位移傳感器常采用差動(dòng)形式，即兩個(gè)二次線圈采用差動(dòng)接法，故又稱為差動(dòng)變壓器式位移傳感器。,差動(dòng)變壓器式位移傳感器,差動(dòng)變壓器式位移傳感器有變隙式、變面積式和螺管式等。,非電量測(cè)量中，應(yīng)用最多的是螺管式差動(dòng)變壓器，它可以測(cè)量范圍內(nèi)的機(jī)械位移，并具有測(cè)量精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠等優(yōu)點(diǎn),(e)、(f) 變截面式差動(dòng)變壓器,(a)、(b) 變間隙式差動(dòng)變壓器,(c)、(d) 螺線管式差動(dòng)變壓器,差動(dòng)變壓器式位移傳感器之螺管式差動(dòng)變壓器位移傳感器,傳感器主要由線

8、圈、鐵芯和活動(dòng)銜鐵三部分組成。 線圈包括一個(gè)初級(jí)線圈1和2個(gè)次級(jí)線圈2,3組成， 兩個(gè)次級(jí)線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)完全相同，兩個(gè)次級(jí)線圈2,3反極性串接。 線圈中心插入導(dǎo)磁性極好的圓形鐵心4.,螺管式差動(dòng)變壓器位移傳感器,1. 結(jié)構(gòu),螺管式差動(dòng)變壓器位移傳感器,當(dāng)初級(jí)線圈輸入交流激勵(lì)電壓時(shí)，兩個(gè)二次側(cè)線圈將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E1和E2由于兩個(gè)次級(jí)線圈反接，因此傳感器的輸出電壓為兩者之差。,2. 工作原理,螺管式差動(dòng)變壓器位移傳感器,2. 工作原理,當(dāng)鐵心處于零位時(shí)，即中間對(duì)稱位置時(shí)（鐵心的原始平衡位置）,當(dāng)鐵心偏離零位向上移動(dòng)時(shí)由于磁阻的影響，上面線圈中的磁通將大于下面線圈中的磁通，所以,螺管式差動(dòng)變壓器位移

9、傳感器,2. 工作原理,當(dāng)鐵心偏離零位向下移動(dòng)時(shí),螺管式差動(dòng)變壓器位移傳感器,2. 工作原理,差動(dòng)變壓器式傳感器輸出需要接相敏檢波電路,當(dāng)鐵心偏離零位上下移動(dòng)時(shí)，移動(dòng)的距離和方向的信息，可以反映在二次側(cè)線圈輸出電動(dòng)勢(shì)E0的幅值和相位中。,差動(dòng)變壓器式傳感器輸出的電壓是交流電壓量，如用交流電壓表測(cè)量，則輸出值只能反映鐵心位移的大小，而不能反映移動(dòng)的方向，因此需要將E0 進(jìn)行放大和相敏檢波才能得到被測(cè)位移x的大小和方向。,螺管式差動(dòng)變壓器位移傳感器,交流電壓輸出存在一定的零點(diǎn)殘余電壓。,交流電壓輸出存在一定的零點(diǎn)殘余電壓。 鐵心處于零位時(shí)，很難做到E1與E2在幅值、相位、諧波成分上完全相等，實(shí)際上

10、E00，此時(shí)輸出電壓E0稱為零點(diǎn)殘余電壓。零點(diǎn)殘余電壓可能造成誤差，使后級(jí)放大電路飽和。因此應(yīng)設(shè)法消除和減小零點(diǎn)殘余電壓E0 產(chǎn)生零點(diǎn)殘余電壓的原因是由于兩個(gè)次級(jí)線圈的結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，以及初級(jí)線圈銅損電阻的存在、鐵磁材質(zhì)不均勻、線圈間分布電容等因素形成的，因此后接電路采用相敏檢波電路。這樣既能反應(yīng)鐵心位移極性，又能補(bǔ)償零點(diǎn)殘余電壓的差動(dòng)直流輸出電路,差動(dòng)變壓器相敏檢波電路,當(dāng)鐵心處于中間位置時(shí)，調(diào)節(jié)電阻Rp可以使零點(diǎn)殘余電壓減小。,差動(dòng)變壓器式電感位移傳感器的優(yōu)點(diǎn)：,差動(dòng)變壓器式電感位移傳感器測(cè)量精度高，分辨力可達(dá)0.1m,線性范圍大，有的能達(dá)到250mm,穩(wěn)定性好，使用方便。這種傳感器廣泛用于直

11、線位移、角位移以及可轉(zhuǎn)換成位移的其他機(jī)械量，如壓力、重量、膨脹等。,總結(jié),課堂練習(xí),6、利用差動(dòng)變壓器式位移傳感器進(jìn)行位移測(cè)量時(shí)，為辨別物體的移動(dòng)方向，處理電路中必須有的環(huán)節(jié)是（測(cè)一）,A.濾波 B.放大 C.整流 D.相敏檢波,6、利用差動(dòng)變壓器式位移傳感器進(jìn)行位移測(cè)量時(shí)，為辨別物體的移動(dòng)方向，處理電路中必須有的環(huán)節(jié)是,D.相敏檢波,26、簡(jiǎn)述互感式位移傳感器的優(yōu)點(diǎn)。（模擬一）,26、簡(jiǎn)述互感式位移傳感器的優(yōu)點(diǎn)。,差動(dòng)變壓器式電感位移傳感器測(cè)量精度高，分辨力可達(dá)0.1m,線性范圍大，有的能達(dá)到250mm,穩(wěn)定性好，使用方便。這種傳感器廣泛用于直線位移、角位移以及可轉(zhuǎn)換成位移的其他機(jī)械量，如壓

12、力、重量、膨脹等。,電渦流式傳感器的工作原理 塊狀金屬置于變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，金屬體內(nèi)都要產(chǎn)生感應(yīng)電流，在金屬體內(nèi)自己閉合，所以稱之為電渦流或渦流，這種現(xiàn)象稱為渦流效應(yīng)。 渦流式位移傳感器是利用電渦流效應(yīng)，將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為傳感器線圈阻抗Z的變化的一種裝置。,4.1.3渦流式位移傳感器,渦流,成塊的金屬物體置于變化著的磁場(chǎng)中，或者在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，在金屬導(dǎo)體中會(huì)感應(yīng)出一圈圈自相閉合的電流，這就是渦流。,高頻反射式渦流傳感器 自感型 低頻透射式渦流傳感器 互感型,根據(jù)激勵(lì)頻率不同分為,渦流的大小與金屬體的電阻率、磁導(dǎo)率、厚度t以及線圈與金屬體的距離x、線圈的激勵(lì)電流強(qiáng)度i,角頻率等有關(guān)

13、。如果固定其中某些參數(shù)，就能由電渦流的大小測(cè)量出另外一些參數(shù)。 渦流位移傳感器在金屬體上產(chǎn)生的渦流，其滲透深度與傳感器線圈的激勵(lì)電流的頻率有關(guān)，所以渦流位移傳感器主要分為高頻反射和低頻透射兩類，前者應(yīng)用較廣泛。,渦流式位移傳感器,Z=F(x),渦流式位移傳感器就是根據(jù)上述原理制成的,當(dāng)電源頻率f、線圈激勵(lì)電流強(qiáng)度I、線圈尺寸參數(shù)、金屬導(dǎo)體的電阻率等參數(shù)一定時(shí)，Z是位移x的單值函數(shù)。,一、高頻反射式渦流傳感器,線圈上通交變高頻電流,線圈產(chǎn)生高頻交變磁場(chǎng),產(chǎn)生高頻交變渦流,渦流產(chǎn)生反磁場(chǎng),阻礙線圈電流交換作用,等效于L或阻抗的改變,二、低頻透射式渦流傳感器,這種傳感器采用低頻激勵(lì)，因而有較大的貫穿

14、深度，適合于測(cè)量金屬材料的厚度。 傳感器包括發(fā)射線圈和接收線圈，并分別位于被測(cè)材料上、下方。由振蕩器產(chǎn)生的低頻電壓u1加到發(fā)射線圈L1兩端，于是在接收線圈L2兩端將產(chǎn)生感應(yīng)電壓u2，它的大小與u1的幅值、頻率以及兩個(gè)線圈的匝數(shù)、結(jié)構(gòu)和兩者的相對(duì)位置有關(guān)。,若兩線圈間無金屬導(dǎo)體，則L2的磁力能較多穿過L2，在L2上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓u2最大。 若兩線圈間設(shè)置一個(gè)金屬板，由于在金屬板內(nèi)產(chǎn)生電渦流，該電渦流消耗了部分能量，使到達(dá)線圈L2的磁力線減小，從而引起u2的下降。 金屬板厚度越大，電渦流損耗越大，u2就越小。圖中可見u2的大小間接反映了金屬板的厚度。,渦流傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，不受油液等介質(zhì)的影響； 易于進(jìn)行動(dòng)態(tài)非接觸測(cè)量，靈敏度高，應(yīng)用廣泛，可測(cè)量位移、厚度、振動(dòng)等,渦電流傳感器的特點(diǎn)：,動(dòng)態(tài)非接觸測(cè)量 范圍:,1mm ,10 mm,分辨力：1,簡(jiǎn)單，使用方便，不受油液等介質(zhì)的影響；,應(yīng)用：位移，振動(dòng)，測(cè)厚，探傷，材質(zhì)鑒別，徑向擺動(dòng)， 回轉(zhuǎn)軸誤差，轉(zhuǎn)速，零件計(jì)數(shù)，表面裂紋，缺陷等；,四、渦流傳感器的應(yīng)用,位移x的變化 電量的變化 可做成位移、振幅、厚度等傳感器 電導(dǎo)率的變化