传感器及检测技术教学材料

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1、上节回顾:1.电容传感器本节主要内容:1.电感传感器Date1单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式*2n 本章学习习自感式传传感器和差动变压动变压 器的结结构、工作原理、测测量电电路以及他们们的应应用，掌握一次仪仪表的相关知识识。第4章 电感式传感器 第一节 自感式传感器 先看一个实验： 将一只380V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的36V交流电压源上，如图4-1所示。这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零时，毫安表的读数只剩下十几毫安。 Date3电感传

2、感器的基本工作原理演示气隙变小，电感变大，电流变小FDate5电感传感器的基本工作原理 当铁心的气隙较大时，磁路的磁阻Rm也较大，线圈的电感量L和感抗XL 较小，所以电流I 较大。当铁心闭合时，磁阻变小、电感变大，电流减小。 Date6电感量计算公式 ： 请分析电感量L与气隙厚度及气隙的有效截面积A之间的关系，并讨论有关线性度的问题。N：线圈匝数；A ：气隙的有效截面积； 0 ：真空磁导率； ：气隙厚度。 Date7自感式电感传感器常见的形式 变隙式 变截面式 螺线管式 三种传感器在使用中,非线性误差较大,外界会使输出产生误差,灵敏度较小,实际应用常采用差动式.Date8差动电感传感器的特点

3、请分析：灵敏度、 线性度有何变化曲线1、2为L1、L2 的特性，3为差动特性 在变隙式差动电感传感器中，当衔铁随被测量移动而偏离中间位置时，两个线圈的电感量一个增加，一个减小，形成差动形式。 1-差动线圈 2-铁心 3-衔铁 4-测杆 5-工件 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。 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，灵敏度约为非差动式电感传感器的两倍。Date9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电压或电流的变化，以便用仪表指示出来。但若仅采用

4、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），还可以反映位移的方向（的相位）。这种检波电路称为相敏检波电路。Date10图3-7 相敏检波输出特性曲线a）非相敏检波 b）相敏检波1理想特性曲线 2实际特性曲线 Date11第二节 差动变压器式传感器 电源中用到的“单相变压器”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）。当一次线圈加上交流激磁电压Ui后，将在二次线圈中产生感应电压UO。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圈

5、的电压之和。 请将单相变压器二次线圈N21、N22的有关端点按全波整流电路的要求正确地连接起来。Date12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线圈与二次线圈间的互感量M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，故称为差动变压器。目前应用最广泛的结构型式是螺线管式差动变压器。 差动变压器的结构原理如图4-13所示。在线框上绕有一组输入线圈（称一次线圈）；在同一线框的上端和下端再绕制两组完全对称的线圈（称二次线圈），它们反向串联，组成差动输出形式。理想差动变

6、压器的原理如图4-14。图中标有黑点的一端称为同名端，通俗说法是指线圈的“头”。 Date13差动变压器式传感器的等效电路 结构特点： 两个二次线圈反向串联，组成差动输出形式。 请将二次线圈N21、N22的有关端点正确地连接起来，并指出哪两个为输出端点。Date14灵敏度与线性度 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。 为了提高灵敏度，励磁电压在10V左右为宜。电源频率以110kHz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20mm2mm轴的直径误差，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 ？Date15测量电路 （以差

7、动整流为例） 若1、2虚焊，Ua o、 Ub o将变成什么波形？Date16差动整流的特点 电路是以两个桥路整流后的直流电压之差作为输出的，所以称为差动整流电路。它不但可以反映位移的大小（电压的幅值），还可以反映位移的方向。 上图中的RP是用来微调电路平衡的， VD1VD4、VD5VD8组成普通桥式整流电路， 3、4、3、4组成低通滤波电路，1及21、22、f、23组成差动减法放大器，用于克服a、b两点的对地共模电压。 Date17第三节 电感式传感器的应用 一、位移测量 轴向式电感 测微器的外形 航空插头红宝石测头Date18其他电感测微头Date19模拟式及数字式电感测微仪Date20轴向

8、式电感测微器的内部结构 1引线电缆 2固定磁筒 3衔铁 4线圈 5测力弹簧 6防转销 7钢球导轨（直线轴承） 8测杆 9密封套 10测端 11被测工件 12基准面 Date21二、电感式滚柱直径分选装置 图3-14 滚柱直径分选装置 1气缸 2活塞 3推杆 4被测滚柱 5落料管 6电感测微器 7钨钢测头 8限位挡板 9电磁翻板 10容器（料斗） Date22二、电感式滚柱直径分选装置 测微仪圆柱滚子Date23电感式滚柱直径分选装置（外形） 滑道分选仓位轴承滚子外形（参考中原量仪股份有限公司资料）Date24电感式滚柱直径分选装置（机械结构放大）汽缸控制键盘直径测微装置长度测微装置滑道Date

9、25三、电感式不圆度计原理 该圆度计采用旁向式电感测微头Date26电感式不圆度测试系统旁向式电感测微头Date27电感式不圆度测量系统外形（参考洛阳汇智测控技术有限公司资料）旋转盘测量头Date28不圆度测量打印Date29压力测量用的膜盒 膜盒由两片波纹膜片焊接而成。所谓波纹膜片是一种压有同心波纹的圆形薄膜。当膜片四周固定，两侧面存在压差时，膜片将弯向压力低的一侧，因此能够将压力变换为直线位移。四、压力测量Date30压力测量 1压力输入接头 2波纹膜盒 3电缆 4印制线路板 5差动线圈 6衔铁 7电源变压器 8罩壳 9指示灯 10密封隔板 11安装底座Date31图3-17b 某一压力变

10、送器的测量电路 Date32五、电感传感器在粗糙度测量中的应用 手持式粗糙度仪 触针: 金刚石圆锥；针尖圆弧半径：5m；可存储500个粗糙度参数值及4组轮廓数据；可进行粗糙度参数的打印；可对外圆、内孔、轴肩、圆锥面等各种复杂表面进行测试；Date33粗糙度仪外形金刚石测头Date34粗糙度测量结果打印（1）Date35粗糙度测量结果打印（2）Date36七、一次仪表与 420mA二线制输出方式 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

11、中多采用电流输出型。Date37420mA二线制输出方式 新的国家标准规定电流输出为420mA；电压输出为15V(旧国标为010mA或02V)。4mA对应于零输入，20mA对应于满度输入。不让信号占有04mA这一范围的原因，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采用微电流集成电路，总的耗电还不到4mA，因此还能利用04mA这一部分“本底”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仪表。 Date38420mA二线制输出方式 所谓二线制仪表是指仪表与外界的联系只需两根导线。多数情况下，其中一根（红色）为+24V电源线，另一根（黑色）既作为电源负

12、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。 Date39420mA二线制仪表接线方法420mADate40420mA二线制数显表外形及计算 在上一张图中，若取样电阻RL =500.0，则对应于420mA的输出电流，输出电压Uo为210V。 Date41本章作业习题P62第1题、3题，4、 5题（选做） Date42休息一下Date432.6 电涡流式传感器电涡流在用电中是有害的，应尽量避免，如电机、变压器的铁心用相互绝缘的硅钢片叠成，以切断电涡流的通路；而在电加热方面却有着广泛应用，如金属热加工的400Hz

13、中频炉、表面淬火的2MHz高频炉、烹饪用的电磁炉等。在检测领域，电涡流式传感器结构简单，其最大特点是可以实现非接触测量，因此在工业检测中得到了越来越广泛的应用。例如位移、厚度、振动、速度、流量和硬度等，都可以使用电涡流式传感器来测量。Date44第一节 电涡流传感器工作原理 电涡流效应演示 当电涡流线圈与金属板的距离x 减小时，电涡流线圈的等效电感L 减小，等效电阻R 增大。感抗XL 的变化比 R 的变化 大 得 多，流过电涡流线圈的电流 i1 增大。 根据法拉弟电磁感应定律,金属导体置于变化的磁场中时,导体表面就会有感应电流产生.电流的流线在金属体内自行闭合,这种由电磁感应原理产生的旋涡状感

14、应电流称为电涡流,这种现象称为电涡流效应.当高频（100kHz左右）信号源产生的高频电压施加到一个靠近金属导体附近的电感线圈L1时，将产生高频磁场H1。如被测导体置于该交变磁场范围之内时，被测导体就产生电涡流i2。i2在金属导体的纵深方向并不是均匀分布的，而只集中在金属导体的表面，这称为集肤效应（也称趋肤效应）。 集肤效应与激励源频率f、工件的电导率、磁导率等有关。频率f越高，电涡流的渗透的深度就越浅，集肤效应越严重。 Date45电涡流的应用 在我们日常生活中经常可以遇到 干净、高效的 电磁炉Date46二、等效阻抗分析 检测深度与激励源频率有何关系？ 电涡流线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的

15、函数表达式为： Z=R+jL=f（i1、f、r、x） （4-1） 如果控制上式中的i1、f、r(表面因素)不变，电涡流线圈的阻抗Z就成为哪个非电量的单值函数？属于接触式测量还是非接触式测量？ 由于存在集肤效应，电涡流只能检测导体表面的各种物理参数。改变f，可控制检测深度。激励源频率一般设定在100kHz1MHz。频率越低，检测深度越深。间距x的测量：如果控制上式中的i1、f、r不变，电涡流线圈的阻抗Z就成为间距x的单值函数，这样就成为非接触地测量位移的传感器。多种用途：如果控制x、i1、f不变，就可以用来检测与表面电导率有关的表面温度、表面裂纹等参数，或者用来检测与材料磁导率有关的材料型号、表

16、面硬度等参数。Date47电磁炉内部的励磁线圈Date48电磁炉的工作原理 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。Date49第二节 电涡流传感器结构及特性 电涡流探头外形交变磁场Date50电涡流探头内部结构 1电涡流线圈 2探头壳体 3壳体上的位置调节螺纹 4印制线路板 5夹持螺母 6电源指示灯 7阈值指示灯 8输出屏蔽电缆线 9电缆插头 Date51CZF-1系列传感器的性能 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？ Date52大直径电涡流探雷器 Date532.4.3 电涡流传感器的转换电路 电涡流式传感器可以采用谐振电路来转换。谐振电路的输出也是调制波，控制幅值变化的称调幅波，控制频率变化的称调频波。调幅波要经过幅值检波，调频波要经过鉴频才能获得被测量的电压。 如图2-21所示,晶体振荡器输出频率固定的正弦波，经限流电阻R接电涡流传感器线圈与电容器的并联电路。当LC谐振频率等于晶振频率时输出电压幅度最大，偏离时输出电压幅度随之减小，是一种调幅波。该调幅信号经高频放大、检波、滤波后输出