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1、检测技术与故障诊断第3章 电感传感器Inductive Sensors 2021/6/41变磁阻式传感器变磁阻式传感器变磁阻式传感器变磁阻式传感器电磁电磁电磁电磁感应感应感应感应 被测非电量被测非电量被测非电量被测非电量自感系数自感系数自感系数自感系数L L互感系数互感系数互感系数互感系数MM测量测量测量测量电路电路电路电路 U U、I I、f f自感式传感器自感式传感器自感式传感器自感式传感器互感式传感器互感式传感器互感式传感器互感式传感器2021/6/42主要内容3.1 3.1 自感式传感器自感式传感器3.2 3.2 差动变压器式传感器差动变压器式传感器3.3 3.3 电感传感器的应用电感
2、传感器的应用3.4 3.4 工程项目设计实例工程项目设计实例2021/6/433.1 自感传感器自感传感器2021/6/443.1 自感传感器一、工作原理2021/6/45N N为常数时为常数时,L,L为磁阻的函为磁阻的函数数; ;变间隙式传感器变间隙式传感器; ;变间隙截面积式传感器变间隙截面积式传感器2021/6/46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减小，电感变大，电流变小气隙减小，电感变大，电流变小F F2021/6/47变隙式电感传感器的基本工作变隙式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R Rm m也较大
3、，线圈的也较大，线圈的电感电感L L及感抗及感抗X XL L 较小，所以电流较小，所以电流I I 较大。当铁心闭合较大。当铁心闭合时，气隙时，气隙变小，磁阻变小，电感变小，磁阻变小，电感L L变大，电流变大，电流I I减小。减小。 2021/6/48二、输出特性Output Characteristics衔铁下移衔铁下移衔铁下移衔铁下移 2021/6/49/ 1/ 1时，可将前式用泰勒级数展开时，可将前式用泰勒级数展开, ,求出电感增量求出电感增量衔铁下移时电感的相对增量增大衔铁下移时电感的相对增量增大衔铁上移时电感的相对增量减小衔铁上移时电感的相对增量减小2021/6/410 / / 1 r
4、 r），当衔铁工作在螺线管接近中部位），当衔铁工作在螺线管接近中部位置时，可以认为绕组内磁场强度是均匀的，此时绕组的电感量置时，可以认为绕组内磁场强度是均匀的，此时绕组的电感量L L与衔铁插入深度成正比。螺线管越长，线性区就越大。螺线管与衔铁插入深度成正比。螺线管越长，线性区就越大。螺线管式电感传感器的线性区约为螺线管长度的式电感传感器的线性区约为螺线管长度的1/101/10。测杆应选用非。测杆应选用非导磁材料，电导率也应尽量小，以免增加铁磁损耗和电涡流损导磁材料，电导率也应尽量小，以免增加铁磁损耗和电涡流损耗。耗。例：采用螺线管电感传感器测量直径为例：采用螺线管电感传感器测量直径为100mm
5、100mm的工件是否合格，的工件是否合格，被测工件的最大允许误差为被测工件的最大允许误差为 1.5mm 1.5mm，求：应选长度大于多少毫米的螺线管？求：应选长度大于多少毫米的螺线管？解：解：D D=21.5mm=3mm=21.5mm=3mm，则螺线管长度为：，则螺线管长度为：l l 3mm10 3mm10倍倍=30mm=30mm（不包括外壳）。（不包括外壳）。2021/6/414四、差动变间隙式电感传感器结构原理 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。当被测量磁路组成。当被测量通过导杆使衔铁（左通过导杆使衔铁（左右）位移时，两个回右）位移时，两个回路中磁
6、阻发生大小相路中磁阻发生大小相等、方向相反的变化，等、方向相反的变化，形成差动形式。形成差动形式。2021/6/4152021/6/4161. 比较单线圈，差动式比较单线圈，差动式的灵敏度提高了一倍；的灵敏度提高了一倍；2. 差动式非线性项与单差动式非线性项与单线圈相比，多乘了线圈相比，多乘了(/)因子因子;不存在偶次不存在偶次项使项使/0进一步减小，进一步减小，线性度得到改善。线性度得到改善。3. 差动式的两个电感结差动式的两个电感结构可抵消部分温度、噪构可抵消部分温度、噪声干扰。声干扰。 2021/6/417差动传感器输出特性差动传感器输出特性2021/6/418五、测量电路1. 电桥转换
7、电路两个桥臂由相同线圈组成差动形式，两个桥臂由相同线圈组成差动形式，另外两个为平衡电阻另外两个为平衡电阻2021/6/419五、测量电路1. 电桥转换电路2021/6/420电桥输出电压电桥输出电压U U0 0与气隙变量与气隙变量有正比关系，有正比关系， 与输入桥压有关，桥压与输入桥压有关，桥压U UACAC升高输出电压升高输出电压U U0 0增加；增加； 桥路输出电压与初始气隙桥路输出电压与初始气隙0 0 有关，有关，0 0 越小输出越大。越小输出越大。2021/6/4211.1. 输输出出电电压压幅幅值值取取决决于于线线圈圈自感自感L L，2. 2. 输输出出电电压压U U0 0与与激激励
8、励电电压压U Ui i有有关关，应应尽尽可可能能大大；U U0 0与与激激励励频频率率成成正正比比，中中频频应应用用在在4004001000Hz1000Hz；3. 3. 输输出出电电压压的的正正、负负（反反相相）结结果果，经经相相敏敏检检波波后后输输出出曲曲线线反行程翻转为反行程翻转为过零直线过零直线；2021/6/422五、零点残差余电压 理理论论上上讲讲，铁铁芯芯处处于于中中间间位位置置时时输输出出电电压压应应为为零零，而而实实际际输输出出U00，在在零零点点上上总总有有一一个个最最小小的的输输出出电电压压，这这个个铁铁芯芯处处于于中中间间位位置置时时最最小小不不为为零零的的电电压压称称为
9、为零零点点残残余电压。余电压。2021/6/423为什么会产生零点残余误差n两个绕组的电气参数、磁路参数和集合尺寸不完全对称；n存在寄生参数；n电源电压含有高次谐波；n励磁电流太太使磁路曲线存在非线性2021/6/424相敏检波电路相敏检波电路参考电压参考电压U UR R起相敏开关电路作用，并能克服检波二极管死区电压对小信号起相敏开关电路作用，并能克服检波二极管死区电压对小信号检波的影响。检波的影响。2021/6/4253.2 差动变压器式传感器一、结构和工作原理一、结构和工作原理一、结构和工作原理一、结构和工作原理2021/6/4262021/6/427当衔铁向上移动时，当衔铁向上移动时，当
10、衔铁向上移动时，当衔铁向上移动时，差动变压器的输出电压大小和符号反映了铁心位移差动变压器的输出电压大小和符号反映了铁心位移的大小和方向。的大小和方向。当衔铁向上移动时，当衔铁向上移动时，当衔铁向上移动时，当衔铁向上移动时，当衔铁在中间位置时，当衔铁在中间位置时，当衔铁在中间位置时，当衔铁在中间位置时，2021/6/428次级开路时，次级开路时，二、差动变压器主要特性二、差动变压器主要特性差动变压器输出电压与互感的差值成正比。差动变压器输出电压与互感的差值成正比。2021/6/429 铁芯在中间位置时铁芯在中间位置时 铁芯向上移（右移）输出与铁芯向上移（右移）输出与U U2121同极性；同极性；
11、差动变压器输出差动变压器输出交流电压交流电压，存在相位问题。，存在相位问题。 铁芯向下移（左移）输出与铁芯向下移（左移）输出与U U2222同极性；同极性；2021/6/430二、差动变压器主要特性二、差动变压器主要特性2021/6/431三、交流整流电路三、交流整流电路差动变压器的二次电压差动变压器的二次电压u u2121、u u2222分别经分别经VDVD1 1VDVD4 4、VDVD5 5VDVD8 8组组成的两个普通桥式电路整流，变成直流电压成的两个普通桥式电路整流，变成直流电压U Ua0a0和和U Ub0b0。由于。由于U Uaoao与与U Ubobo是反向串联的，所以是反向串联的，
12、所以U UC3C3= =U Uabab= =U Ua0a0- -U Ub0b0。 上图中的上图中的RP是用来微调电路平衡的，是用来微调电路平衡的， VD1VD4、VD5VD8组成普通桥式整流电路，组成普通桥式整流电路， 3、4、3、4组成低通滤波电组成低通滤波电路，路，1及及21、22、f、23组成差动减法放大器，用于克组成差动减法放大器，用于克服服a、b两点的对地共模电压。两点的对地共模电压。 2021/6/432整流电路的输出电压大小极性与铁心位置有关：整流电路的输出电压大小极性与铁心位置有关： 铁心铁心T T在中间，在中间，U Ua0a0=U=Ub0b0 ，U U0 0=0 ;=0 ;
13、铁心铁心T T上移，上移，U Ua0 a0 U Ubo bo ，U U0 00 0 ； 铁心铁心T T下移，下移，U Uaoao U Ubo bo ， U U0 00 0 。2021/6/433 差动整流电路的特点：结构简单，可以不考虑差动整流电路的特点：结构简单，可以不考虑相位调整相位调整和零点残余电压的影响和零点残余电压的影响, ,分布电容影响小，分布电容影响小，便于远距离传输。便于远距离传输。2021/6/434差动整流的特点差动整流的特点电路是以两个桥路整流后的直流电压之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。差作为输出的，所以称为差动整流电路。它不但可以
14、反映位移的大小（电压的幅值）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。，还可以反映位移的方向。2021/6/4353.3 电感传感器的应用可可直直接接用用于于位位移移测测量量，也也可可以以测测量量与与位位移移有有关关的的任任何何机机械械量量，如如振振动动，加加速度，应变等等。速度，应变等等。2021/6/436一、一、 位移测量位移测量 1引线电缆引线电缆 2固定磁筒固定磁筒 3衔铁衔铁 4线圈线圈 5测力弹簧测力弹簧 6防转销防转销 7钢球导轨（直线轴承）钢球导轨（直线轴承） 8测杆测杆 9密封套密封套 10测端测端 11被测工件被测工件 12基准面基准面 2021/6/
15、4371.电感测厚仪 L L1 1、L L2 2传传感感器器作作两两个个桥桥臂臂；C C1 1、C C2 2为为另另外外两两个个桥桥臂臂；D D1 1-D-D4 4组组成成相相敏敏整整流流器器; ;磁磁饱饱和和变压器变压器T T提供桥压。提供桥压。2021/6/438 被测厚度正常时，被测厚度正常时，L L1 1= L= L2 2，U Uc c=U=Ud d，I IM M= 0= 0； 设厚度变化，设厚度变化，T T上移，上移，L L1 1L L2 2，Z Z1 1Z Z2 2正半周正半周（a+，b-）时，时，D D1 1、D D4 4导通，导通， I I1 1I I4 4 ；负半周负半周（a
16、-，b+）时，时，D D2 2、D D3 3导通，导通， I I3 3I I2 2 ； 无论极性如何始终有无论极性如何始终有UdUdUc ,Uc ,电流方向电流方向 若若T T下移下移L L1 1 L L2 2，Z Z1 1 Z Z2 2 Ud UdUc Uc ，电流方向，电流方向2021/6/4392.液位测量液位测量沉筒式液位计将水位变沉筒式液位计将水位变化转换成位移变化，再化转换成位移变化，再转换为电感的变化，差转换为电感的变化，差动变压器的输出反映液动变压器的输出反映液位高低。位高低。2021/6/440二、圆度测量二、圆度测量2021/6/4412021/6/442三、压力测量202
17、1/6/443220V220V电源变压器的二次侧经桥式整流、电解电容滤波后，输出电压经三电源变压器的二次侧经桥式整流、电解电容滤波后，输出电压经三端稳压集成块转变成稳定的端稳压集成块转变成稳定的18V18V直流电压，为差动变压器的交流激励源提供直流电压，为差动变压器的交流激励源提供能源。也可以用开关电源来代替以上的降压、整流、稳压环节。当被测工能源。也可以用开关电源来代替以上的降压、整流、稳压环节。当被测工件的直径件的直径D D为标准值时，为标准值时，u u2121= = u u2222，U UACAC =0 =0。当被测工件的直径。当被测工件的直径D D增大时，增大时，u u2121增大，增
18、大， u u2222减小，在滤波电容上合成的电压减小，在滤波电容上合成的电压U UACAC 为上正下负的直流电压。幅为上正下负的直流电压。幅值与值与D D的增量成正比。的增量成正比。 D D减小时，减小时， U UACAC 为上负下正。再经为上负下正。再经U/IU/I转换器，将输出转换器，将输出电压转换成电压转换成420mA420mA的标准输出电流的标准输出电流I Io o。2021/6/444若取样电阻若取样电阻RL=250.0 ，则对应于，则对应于420mA的输出电压的输出电压Uo为为15V。这类。这类标准化的传感器或仪表又称为变送器。变送器的输出信号可直接与电动过标准化的传感器或仪表又称
19、为变送器。变送器的输出信号可直接与电动过程控制仪表。程控制仪表。四、二线制仪表2021/6/445420mA二线制仪表的二线制仪表的HART 数字通讯数字通讯2021/6/446例：例：某两线制电流输出型温度变送器的产品说明书注某两线制电流输出型温度变送器的产品说明书注明其量程范围为明其量程范围为0 010001000，对应输出电流为，对应输出电流为4 420mA20mA。求：当测得输出电流。求：当测得输出电流I I=12mA=12mA时的被测温度时的被测温度t t。解解 因因为为该该仪仪表表说说明明书书未未说说明明线线性性度度，所所以以可可以以认认为为输输出出电电流流与与温温度度之之间间为为
20、线线性性关关系系，即即I与与t的的数数学学关关系系为为一一次次方方程程，所所以以有有：I =a0+a1t 当当t =0 时，时，I =4mA，所以，所以a 0=4mA当当p =1000时，时，I =20mA，20= 4+a11000，可得：，可得：a1=0.016mA/，所以该压力变送器的输入所以该压力变送器的输入/输出输出方程为：方程为：I =4mA+0.016( mA/)t 将将I=12mA代入代入I =a0+a1t ，得：，得：p =(- -4mA)/a1=(12- -4)/0.016=500。2021/6/447温度变送器的输入温度变送器的输入/输出曲线输出曲线解解 I =a0+a1p
21、 ，x轴为温度坐标，轴为温度坐标，y为电流坐标。为电流坐标。当当t =0 时，时，I =4mA，当当t=1000时，时，I =20mA，作一次直线：，作一次直线：2021/6/448最大的负载电阻的计算最大的负载电阻的计算常常见见的的一一次次仪仪表表本本身身所所需需的的最最低低工工作作电电压压为为12V左左右右。如如果果电电源源为为36V，那那么么负负载载电电阻阻两两端端的的压压降降最最大大只只能能达达到到24V，则负载电阻最大为则负载电阻最大为RL(36V-12V)/20mA1200如如果果考考虑虑传传输输电电路路会会有有一一些些压压降降，则则负负载载电电阻阻的的最最大大值值将将随传输电路的
22、电压降增大而减小。随传输电路的电压降增大而减小。2021/6/4493.4 案例电感传感器在轴承滚柱直径分选中的应用n滚柱的标称直径为10.00mm，允许公差范围3m,超出公差范围均予以剔除，分别落入正偏差和付偏差两个废料箱中；n公差范围内，滚柱直径从9.99710.003mm，分为AG共7个等级，分别落入对应的7个料箱中。滚柱直径测量的绝对误差应小于0.5m2021/6/450电感式滚柱直径分选装置电感式滚柱直径分选装置 2021/6/451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2021/6/452电感式滚柱直径分电感式滚柱直径分选装置选装置落料振动台落料振动台滑道滑道分选仓位分选仓位废料仓废料仓2021/6/453信号调理电路的设计2021/6/4542021/6/455本章作业本章作业P82-84习题习题3-43-4习题习题3-53-5习题习题3-7 3-7 2021/6/456部分资料从网络收集整理而来，供大家参考，感谢您的关注！
