传感器及检测技术55.ppt

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1、2019/6/17,1,上节回顾: 1.电容传感器,本节主要内容: 1.电感传感器,2019/6/17,2,本章学习自感式传感器和差动变压器的结构、工作原理、测量电路以及他们的应用，掌握一次仪表的相关知识。,第4章 电感式传感器,2019/6/17,3,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。,2019/6/17,4,电感

2、传感器的基本工作原理演示,F,220V,准备工作,2019/6/17,5,电感传感器的基本工作原理演示,气隙变小，电感变大，电流变小,F,2019/6/17,6,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。,2019/6/17,7,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。,2019/6/17,8,自感式电感传感器常见的形式,变隙式 变截面式 螺线

3、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.,2019/6/17,9,差动电感传感器的特点,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，

4、灵敏度约为非差动式电感传感器的两倍。,2019/6/17,10,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。,2019/6/17,11,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,2019/6/17,12,第二节 差动变压器式传感器,电源中用到的“单相

5、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。,2019/6/17,13,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

6、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”。,2019/6/17,14,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。,2019/6/17,15,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

7、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 ？,2019/6/17,16,测量电路 （以差动整流为例）,若1、2虚焊，Ua o、 Ub o将变成什么波形？,2019/6/17,17,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

8、、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。,2019/6/17,18,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,2019/6/17,19,其他电感测微头,2019/6/17,20,模拟式及数字式电感测微仪,2019/6/17,21,轴向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,2019/6/17,22,二、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

9、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）,2019/6/17,23,二、电感式滚柱直径分选装置,测微仪,圆柱滚子,2019/6/17,24,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）,2019/6/17,25,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,2019/6/17,26,三、电感式不圆度计原理,该圆度计采用旁向式电感测微头,2019/6/17,27,电感式不圆度测试系统,旁向式电感测微头,2019/6/17,28,电感式不圆度测

10、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,2019/6/17,29,不圆度测量打印,2019/6/17,30,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,2019/6/17,31,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,2019/6/17,32,图3-17b 某一压力变送器的测量电路,2019/6/17,33,五、电感传感器在

11、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；,2019/6/17,34,粗糙度仪外形,金刚石测头,2019/6/17,35,粗糙度测量结果打印（1）,2019/6/17,36,粗糙度测量结果打印（2）,2019/6/17,37,七、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

12、考虑线路压降），所以在一次仪表中多采用电流输出型。,2019/6/17,38,420mA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。,2019/6/17,39,420mA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，

13、其中一根（红色）为+24V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。,2019/6/17,40,420mA二线制仪表接线方法,420mA,2019/6/17,41,420mA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。,2019/6/17,42,本章作业,习题 P62 第1题、3题，4、 5题（选做）,2019/6/17,43,休息一下,2019/6/17,44,2.6 电涡流式传感器,电涡流在用

14、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。,2019/6/17,45,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

15、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。,2019/6/

16、17,46,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,2019/6/17,47,二、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

17、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、表面硬度等参数。,2019/6/17,48,电磁炉内部的励磁线圈,2019/6/17,49,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。,2019/6/17,50,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,2019/6/17,51,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

18、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,2019/6/17,52,CZF-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？,2019/6/17,53,大直径电涡流探雷器,2019/6/17,54,2.4.3 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

19、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、滤波后输出与被测量相应变化的直流电压信号。,图2-21 CZF-1型电涡流传感器测量电路框图,2019/6/17,55,2.4.4 电涡流式传感器使用注意事项,充分利用电涡流以获得准确的测量效果，使用时应注意：,1.电涡流轴向贯穿深度的影响,（1）导体厚度的选择 利用电涡流式传感器测距离时，应使导体的厚度远大于电涡流的轴向贯穿深度；采用透射法测厚度时，应使导体的厚度小于轴向贯穿深度。 （2）励磁电源频率的选择 导体材料确定之后，可以改变励磁电源频率来改变轴向贯穿深度。电阻率大的材料应选用较高的励磁频率

20、，电阻率小的材料应选用较低的励磁频率。,涡流在金属导体中的轴向衰减深度t可以表示为,2019/6/17,56,电涡流传感器的应用,一、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。 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量，使振荡器的输出幅度线性地衰减，根据衰减量的变化，可计算出与被检物体的距离和振动等参数。这种位移传感器属于非接触测量，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，寿命较长，可在各种恶劣条件下使用。,2019/6/17,57,位移测量仪,位移测量包含： 偏心、间隙、位置、倾斜、弯曲、变

21、形、移动、圆度、冲击、偏心率、冲程、宽度等等。来自不同应用领域的许多量都可归结为位移或间隙变化。,数显位移测量仪及探头,2019/6/17,58,420mA电涡流位移传感器外形（参考德国图尔克公司资料）,2019/6/17,59,齐平式电涡流位移传感器外形（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。,2019/6/17,60,V系列电涡流位移传感器性能一览表 （摘自洞头开关厂资料）,2019/6/17,61,某V系列电涡流位移传感器的机械图,2019/6/17,62,四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，用户可选择从高电压向低电

22、压转变、和从低电压向高电压转变两种方式，分别称为NPN和PNP输出模式，俗称为常开输出或常闭输出模式。,2019/6/17,63,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。所以电涡流传感器多用于定性测量。 即使要用作 定 量 测量，也必须采用逐点标定、计算机线性纠正、温度补补偿等措施。,2019/6/17,64,位移传感器的分类,2019/6/17

23、,65,偏心和振动检测,2019/6/17,66,测量弯曲、波动、变形,对桥梁、丝杆等机械结构的振动测量，须使用多个传感器。,2019/6/17,67,测量金属薄膜、板材厚度电涡流测厚仪,测量冷轧板厚度,2019/6/17,68,测量尺寸、公差及零件识别,通过测量间隙来测定 热膨胀引起的上下平移,2019/6/17,69,位移的标定方法,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，存入计算机，从而达到线性化的目的。,2019/6/17,70,电涡流位移传感器的距离 与输出电压特性曲线,1量程为10mm 2量程为16mm 3量程为20mm,2019/6/17,71,二、振动测

24、量,用电涡流探头、调幅法测量简谐振动时，探头的输出波形。,2019/6/17,72,调频法测量振动的波形,2019/6/17,73,振动测量,汽轮机叶片测试,测量悬臂梁的振幅及频率,2019/6/17,74,三、转速测量,若转轴上开z 个槽(或齿)，频率计的读数为f（单位为Hz），则转轴的转速n（单位为r/min）的计算公式为,2019/6/17,75,齿轮转速测量,例： 下图中，设齿数z =48，测得频率 f=120Hz，求该齿轮的转速n 。,2019/6/17,76,电动机转速测量,2019/6/17,77,四、电涡流式通道安全检查门,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、相位来判定金属物体的大小。在安检门的侧面还安装一台“软x光”扫描仪，它对人体、胶卷无害，用软件处理的方法，可合成完整的光学图像。,2019/6/17,78,安检门演示,2019/6/17,79,五、电涡流表面探伤,手持式裂纹测量仪,油管探伤,2019/6/17,80,手提式探伤仪外形 （参考厦门爱德华检测设备有限公司资料）,2019/6/17,81,用掌上型电涡流探伤仪检测飞机裂纹,2019/6/17,82,台式电涡流探伤仪,