页数：134页文件大小：2.38 MB来源： 检测技术与自动化仪表ppt课件
本课件可查阅自感式与差动变压器的基础说明、电涡流式传感器的实现方式与感应同步器的典型应用，收录原理示意、结构框图与对比数据，配合逐页图示与完整文字版，便于按知识点检索复习。
检测技术与自动化仪表第七章电感式传感器
概述电感式传感器是一种机电转换装置，在自动控制设备中广泛应用。
电感式传感器利用电磁感应定律将被测非电量（如位移、压力、流量、振动）转换为电感或互感的变化。
按电感式传感器结构可分为：自感式、互感式、电涡流式
7.1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
工作原理演示F准备工作
工作原理演示气隙变小，电感变大，电流变小F
结构:由线圈、铁芯、衔铁三部分组成。
铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为σ;传感器运动部分与衔铁相连，衔铁移动时σ发生变化引起磁路的磁阻Rm变化，使电芯线圈的电感值L变化
一、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
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
自感式电感传感器常见的形式
二、输出特性电感初始气隙σ0处初始电感量为L0σ0LσL0L0+ΔLL0－ΔL衔铁位移Δσ引起的电感变化为
Δσ/σ《1时，泰勒级数展开衔铁上移时衔铁下移时
差动式原理：差动变隙式由两个相同的线圈L1、L2和磁路组成。
当被测量通过导杆使衔铁左右位移时，两个回路中磁阻发生大小相等、方向相反的变化，形成差动形式
差动式电感传感器的特性从曲线图可以看出，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。
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
当一个增加一个减小时电感总的变化为：对上式进行线性处理并忽略高次项差动式灵敏度为
讨论：•比较单线圈，差动式的灵敏度提高了一倍；
•差动式非线性项比单线圈多乘了(Δσ/σ)因子；
•不存在偶次项，因Δσ/σ<<1，线性度得到改善。
•差动式的两个电感结构，可抵消温度、噪声干扰的影响
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
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L,绕线间分布电容，为简便起见可视为集中参数，用C来表示。
等效电路
交流电桥式检测电路两个桥臂由相同线圈组成，另外两个为平衡电阻交流电桥结构示意图等效电路
电压输出一个是与电源同相的分量，另一个与电源相差90度的正交分量，线圈品质因素Q较高时可以消除正交分量，输出可写为：电桥输出电压U0与气隙变量Δσ是非线性的，只有当Q值很高时近似线性关系。
桥路输出电压与桥压UAC有关，与初始气隙σ0有关
变压器式交流电桥检测电路电桥的两臂是传感器线圈阻抗臂、另外两个臂是交流变压器次级线圈各占1∕2，交流供电。
桥路输出电压为
当衔铁在中间位置Z1=Z2=ZU0=0当衔铁偏移时输出电压当衔铁偏向另一方向衔铁上下移动相同距离时，输出电压大小相等方向相反，相差180º，要判断衔铁方向就是判断信号相位，用相敏检波
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
实测得到的相敏检波电路的特性曲线通过调零电路，可使输出曲线平移到原点。
标定位移时的实验数据及曲线
相敏整流电桥
谐振式（调幅、调频、调相）调幅式电路输出幅值随电感L变化调频电路电感L变化时谐振频率变化
四、自感式传感器的应用
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
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、自感式传感器的应用
7.2变压器式传感器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本原理制成的，并且次级绕组用差动形式连接，故称差动变压器式传感器。
差动变压器结构形式：变隙式、变面积式和螺线管式等。
在非电量测量中，应用最多的是螺线管式差动变压器，它可以测量1～100mm机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点
一、变隙式差动变压器两个初级绕组的同名端顺向串联，而两个次级绕组的同名端则反相串联。
差动变压器式传感器的结构示意图
当没有位移时，衔铁C处于初始平衡位置，它与两个铁芯的间隙有δa0=δb0=δ0，则绕组W1a和W2a间的互感Ma与绕组W1b和W2b的互感Mb相等，致使两个次级绕组的互感电势相等，即e2a=e2b。
由于次级绕组反相串联，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将发生相应的变化，使δa≠δb，互感Ma≠Mb，两次级绕组的互感电势e2a≠e2b，输出电压Uo=e2a-e2b≠0，即差动变压器有电压输出，此电压的大小与极性反映被测体位移的大小和方向。
..
二、螺线管式差动变压器次级次级骨架初级衔铁次级次级初级
结构与输出特性
两个次级线圈反相串联，并且在忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下,其等效电路如图所示。
当初级绕组加以激励电压U时,根据变压器的工作原理,在两个次级绕组N21和N22中便会产生感应电势U21和U22。
如果工艺上保证变压器结构完全对称,则当活动衔铁处于初始平衡位置时,必然会使两互感系数M1=M2。
根据电磁感应原理,将有U21=U22。
由于变压器两次级绕组反相串联,因而Uo=U22-U21=0,即差动变压器输出电压为零
输出电压的特性曲线
当活动衔铁向上移动时,由于磁阻的影响，W2a中磁通将大于W2b，使M1>M2，因而E2a增加，而E2b减小。
反之，E2b增加，E2a减小。
因为Uo=E2a-E2b，所以当E2a、E2b随着衔铁位移x变化时，Uo也必将随x而变化。
由图可以看出，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位移时的输出电压称为零点残余电压，记作ΔUo，它的存在使传感器的输出特性不经过零点，造成实际特性与理论特性不完全一致
零点残余电压理论上讲，铁芯处于中间位置时输出电压应为零U0=0，而实际输出U0≠0，在零点上总有一个最小的输出电压，这个铁芯处于中间位置时最小不为零的电压称为零点残余电压。
产生这个电压的原因是：由于两个次级线圈绕组电气参数（M互感L电感R内阻）不同，几何尺寸工艺上很难保证完全相同，使实际的特性曲线总有最小输出。
主要成分是频率、幅度不同的基波、谐波，零点残余电压过大会使灵敏度下降，非线性误差增大，放大器末级饱和，因此是直接影响传感器质量的参数。
为减小零点残余电压的影响，变压器工艺上采取措施，电路补偿
为减小零点残余电压的影响，一般要用电路进行补偿,电路补偿的方法较多,可采用以下方法。
•串联电阻：消除两次级绕组基波分量幅值上的差异；
•并联电阻电容：消除基波分量相差，减小谐波分量；
•加反馈支路：初次级间反馈，减小谐波分量；
•相敏检波对零点残余误差有很好的抑制作用。
这些电路可单个使用也可综合使用，需要通过实验证实效果串联电阻并联电阻
(1)差动整流电路这种电路是把差动变压器的两个次级输出电压分别整流，然后将整流的电压或电流的差值作为输出。
（a）半波电压输出（b）半波电流输出（c）全波电压输出（d）全波电流输出
输入一交流信号时整流电路的输出电压为：U0=U24-U68，铁芯T在中间位置，U24=U68U0=0T上移，U24＞U68U0＞0，T下移，U24＜U68U0＜0铁芯上移铁芯下移U0U
开关式全波相敏检波电路(2)相敏检波电路
四、电感式传感器的应用1、位移测量轴向式电感测微器的外形航空插头红宝石测头
其他电感测微头
模拟式及数字式电感测微仪
7.2变压器式传感器
图滚柱直径分选装置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）
电感式滚柱直径分选装置测微仪圆柱滚子
电感式滚柱直径分选装置滑道分选仓位轴承滚子外形
电感式滚柱直径分选装置滑道11个分选仓位废料仓
1—标准靠模样板2—测端（靠模轮）3—电感测微器4—铣刀龙门框架5—立柱6—伺服电动机7—铣刀8—毛坯
仿形铣床外形仿形机床采用闭环工作方式仿形头主轴
该圆度计采用旁向式电感测微头
电感式不圆度测试系统旁向式电感测微头
电感式不圆度测量系统外形旋转盘测量头
不圆度测量打印
电感式轮廓仪旁向式电感测微头
5、手持式粗糙度仪•触针:金刚石圆锥；
•针尖圆弧半径：5μm；
•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
粗糙度仪外形金刚石测头
粗糙度测量结果打印（1）
粗糙度测量结果打印（2）
示
由法拉第电磁感应原理可知：一个块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作用切割磁力线运动时，导体内部会产生一圈圈闭合的电流，这种电流叫电涡流，这种现象叫做电涡流效应。
根据电涡流效应制作的传感器称电涡流传感器;•电涡流式传感器最大的特点是能够对位移、厚度、表面、温度、速度、应力、材料损伤等被测量进行非接触测量。
•形成电涡流必须具备两个条件：①存在交变磁场②导电体处于交变磁场中
电涡流的应用干净、高效的电磁炉
一、工作原理把一个扁平线圈置于金属导体附近，当线圈中通以交变电流I1时，线圈周围空间产生交变磁场H1，当金属导体靠近交变磁场中时，导体内部就会产生涡流I2，这个涡流同样产生反抗H1的交变磁场H2。
涡流线圈结构虽然简单，但要定量分析是很困难的，可根据实际情况建立一个模型，求出模型的等效电路
7.3涡流式传感器
二、等效电路分析根据涡流的分布，可以把涡流所在范围近似看成一个单匝短路次级线圈。
线圈远离被测体时，相当次级开路原线圈的电感L10和电阻R10阻抗为：当线圈靠近金属导体时，次级线圈通过互感M对初级作用，等效电路的两个回路方程（基尔霍夫第二定律）
集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。
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）
等效阻抗与非电量的测量检测深度的控制：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100kHz~1MHz。
频率越低，检测深度越深。
间距x的测量：如果控制上式中的其他参数不变，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：如果控制其他参数不变，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
电磁炉内部的励磁线圈
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
三、涡流的分布和强度涡流的分布：因为金属存在集肤效应，电涡流只存在于金属导体的表面薄层内,存在一个涡流区，实际上涡流的分布是不均匀的。
涡流区内各处的涡流密度不同，存在径向分布和轴向分布
轴向分布：由于集肤效应涡流只在表面薄层存在，沿磁场H方向（轴向）也是分布不均匀的。
距离金属表面Z处涡流按指数规律衰减；
h——集肤深度j0——金属表面涡流密度(最大）jz——金属表面距离Z处的涡流JzJo/ehz
强度：当线圈与被测体距离（X）改变时，电涡流密度发生变化，强度也要变化。
金属导体表面的电涡流强度I2与距离X是非线性关系，随x/r上升而下降。
I2只有在x/r<<1才能有较好的线性和灵敏度。
X=0，I2=I1；
X/ros=1,I2=0.3I1X>ros时电涡流很弱了，测大位移时线圈直径2ros要大X/rosI2/I
四、电涡流传感器结构及特性电涡流探头外形交变磁场
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
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？
大直径电涡流探雷器
五、测量转换电路1、调幅式（AM）电路石英振荡器产生稳频、稳幅高频振荡电压(100kHz~1MHz）用于激励电涡流线圈。
金属材料在高频磁场中产生电涡流，引起电涡流线圈端电压的衰减，再经高放、检波、低放电路，最终输出的直流电压Uo反映了金属体对电涡流线圈的影响（例如两者之间的距离等参数）
二、调频（FM）式电路(100kHz~1MHz）当电涡流线圈与被测体的距离x改变时，电涡流线圈的电感量L也随之改变，引起LC振荡器的输出频率变化，此频率可直接用计算机测量。
如果要用模拟仪表进行显示或记录时，必须使用鉴频器，将f转换为电压Uo
使用鉴频器可以将f转换为电压Uo鉴频器的输出电压与输入频率成正比机械工业出版社鉴频器特性
六、电涡流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。
但同时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
1、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，可以计算出与被检物体的距离、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
7.3涡流式传感器
位移测量仪位移测量包含：偏心、间隙、位置、倾斜、弯曲、变形、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
4-20mA电涡流位移传感器外形
偏心和振动检测
通过测量间隙来测量径向跳动
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
测量金属薄膜、板材厚度电涡流测厚仪测量冷轧板厚度
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
测量封口机工作间隙间隙越大，电涡流越小
测量注塑机开合模的间隙间距
2、振动测量用电涡流探头、调幅法测量简谐振动时，探头的输出波形
调频法测量振动的波形
振动测量汽轮机叶片测试测量悬臂梁的振幅及频率
3、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
各种测量转速的传感器及其与齿轮的相对位置
电动机转速测量
4、厚度测量低频透射式涡流厚度传感器
•高频反射式涡流厚度传感器，可减小因为振动引起的干扰厚度不变时X1+X2=常数，输出电压=2U厚度变化△σ时，输出电压=2U+△U给定厚度σ与变化值△σ的代数和就是被测带材厚度。
•电涡流金属板、带材厚度测量
镀层厚度测量由于存在集肤效应，镀层或箔层越薄，电涡流越小。
测量前，可先用电涡流测厚仪对标准厚度的镀层和铜箔作出“厚度-输出”电压的标定曲线，以便测量时对照
电涡流涂层厚度仪
7.3涡流式传感器
测量金属镀层或绝缘层厚度
5、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
当有金属物体穿越安检门时报警
•金属表面裂纹、热处理裂纹、焊接处质量探伤由于集肤效应导体表面电涡流密度最大，表面信息量最大，可用电涡流传感器测量金属表面缺陷，存在缺陷时引起金属ρ、μ的变化。
探伤时传感器与被测金属保持距离不变，如果有裂纹导体电阻率会发生变化，涡流损耗的改变引起输出电压的变化。
6、电涡流表面探伤
7.3涡流式传感器
手持式裂纹测量仪油管探伤
滚子涡流探伤机滚子涡流探伤机是由计算机控制的轴承滚子表面微裂纹探伤的专用设备，可探出深30μm的表面微小裂纹
手提式探伤仪外形
掌上型电涡流探伤仪
用掌上型电涡流探伤仪检测飞机裂纹
台式电涡流探伤仪
7.4感应同步器一、结构原理感应同步器有直线式和旋转式两种，分别用于直线位移和角位移测量，两者原理相同。
直线式（长）感应同步器由定尺和滑尺组成，如图所示。
旋转式（圆）感应同步器由转子和定子组成，如图所示。
在定尺和转子上的是连续绕组，在滑尺和定子上的则是分段绕组。
分段绕组分为两组，在空间相差90°相角，故又称为正弦、余弦绕组。
工作时如果在其中一种绕组上通以交流激励电压，由于电磁耦合，在另一种绕组上就产生感应电动势，该电动势随定尺与滑尺（或转子与定子）的相对位置不同而呈正弦、余弦函数变化，再通过对此信号的检测处理，便可测量出直线或转角的位移量
长感应同步器示意图(a)定尺；
(b)滑尺
圆感应同步器示意图(a)定子；
(b)转子
定尺与滑尺相对运动时的输出波形演示
7.4感应同步器
7.4感应同步器
二、信号处理方式按信号处理方式来分，可分为鉴相和鉴幅方式两种。
它们的特征是用输出感应电动势的相位或幅值来进行处理。
下面以长感应同步器为例进行叙述。
1.鉴相方式滑尺的正弦、余弦绕组在空间位置上错开1/4定尺的节距，激励时加上等幅等频，相位差为90°的交流电压，即分别以sinωt和cosωt来激励，这样，就可以根据感应电势的相位来鉴别位移量，故叫鉴相型
2.鉴幅方式如在滑尺的正弦、余弦绕组加以同频、同相但幅值不等的交流激磁电压，则可根据感应电势振幅来鉴别位移量，称为鉴幅型。
加到滑尺两绕组的交流励磁电压为式中Us=Umsinφ；
Uc=Umcosφ；
Um——激励电压幅值；
φ——给定的电相角
定尺的总感应电势为e=es+ec=kωUssinωtsinθ+kωUcsinωtcosθ=kωUmsinωt(cosφcosθ+sinφsinθ)=kωUmsinωtcos(φ-θ)式中把感应同步器两尺的相对位移x=2πθ/ω和感应电势的幅值kωUmcos(φ-θ)联系了起来
三、感应同步器位移测量系统下图为感应同步器鉴相测量方式数字位移测量装置方框图。
脉冲发生器输出频率一定的脉冲序列，经过脉冲—相位变换器进行N分频后，输出参考信号方波θ0和指令信号方波θ1。
参考信号方波θ0经过激磁供电线路，转换成振幅和频率相同而相位差为90°的正弦、余弦电压，给感应同步器滑尺的正弦、余弦绕组激磁。
感应同步器定尺绕组中产生的感应电压，经放大和整形后成为反馈信号方波θ2。
指令信号θ1和反馈信号θ2同时送给鉴相器，鉴相器既判断θ2和θ1相位差的大小，又判断指令信号θ1的相位超前还是滞后于反馈信号θ2的相位
鉴相测量方式数字位移测量装置方框图
假定开始时θ1=θ2，当滑尺相对定尺平行移动时，将使定尺绕组中的感应电压的相位θ2（即反馈信号的相位）发生变化。
此时θ1≠θ2，由鉴相器判别之后，将有相位差Δθ=θ2-θ1作为误差信号，由鉴相器输出给门电路。
此误差信号Δθ控制门电路“开门”的时间，使门电路允许脉冲发生器产生的脉冲通过。
通过门电路脉冲，一方面送给可逆计数器去计数并显示出来；
另一方面作为脉冲—相位变换器的输入脉冲
在此脉冲作用下，脉冲—相位变换器将修改指令信号的相位θ1，使θ1随θ2而变化。
当θ1再次与θ2相等时，误差信号Δθ=0，从而门被关闭。
当滑尺相对定尺继续移动时，又有Δθ=θ2-θ1作为误差信号去控制门电路的开启，门电路又有脉冲输出，供可逆计数器去计数和显示，并继续修改指令信号的相位θ1，使θ1和θ2在新的基础上达到θ1=θ2。
因此在滑尺相对定尺连续不断地移动中，就可以把位移量准确地用可逆计数器计数和显示出来
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