传感器原理与应用-第四章4-3.ppt

传感器原理与应用第四章,涡流式传感器是利用金属导体在交流磁场中的,电涡流效应。,若一金属板置于一只线圈的附近，它们之间相互的间距为,，当线圈输入一交变电流,i,时，便产生交变磁通量,，金属板在此交变磁场中会产生感应电流,i,1,，,i,1,在金属体内是闭合的，所以称之为,电涡流或涡流。,涡流的大小与金属板的电阻率,、磁导率,、厚度,h,、金属板与线圈的距离,、激励电流角频率,等参数有关,。若固定某些参数，就可根据涡流的变化测量另一个参数。,演示实验,4.3.2 电涡流传感器的等效电路,把被测导体上形成的电涡流等效成一个短路环中的电流，短路环可以认为是一匝短路线圈，其电阻为,R,1,、电感为,L,1,。这样线圈与被测导体便可等效为两个相互耦合的线圈。线圈与导体间存在一个互感,M,，它随线圈与导体间距,x,的减小而增大。,图4-19 电涡流传感器等效电路,M,R,L,1,L,R,1,根据克希霍夫定律，可列出下面的方程：,传感器线圈的等效阻抗为：,线圈的等效电阻和电感为：,当被测导体的某些参数发生变化时，可引起涡流式传感器线圈的阻抗,Z,、电感,L,和品质因数,Q,变化，测量,Z,、,L,或,Q,就可求出被测量参数的变化。,由安置在框架上的扁平圆形线圈构成。此线圈可粘贴于框架上，或在框架上开一槽，将导线绕在槽内。下图为CZF1型涡流传感器的结构原理，它是将导线绕在聚四氟乙烯框架窄槽内。,1,2,3,4,5,6,1 线圈 2 框架 3 衬套,4 支架 5 电缆 6 插头,i,e,d,M,e,电涡流传感器原理图,高频激励信号使线圈产生一个高频交变磁场,i,，当被测导体靠近时，在磁场作用范围的导体表层产生电涡流,i,e,，而电涡流又将产生一交变磁场,e,阻碍外磁场的变化。在被测导体内存在着电涡流损耗（,当频率较高时，忽略磁损耗,）。能量损耗使传感器的,Q,值和等效阻抗Z降低，因此当被测体与传感器间的距离,d,改变时，传感器的,Q,值和等效阻抗,Z,、电感,L,均发生变化，于是把位移量转换成电量。这便是电涡流传感器的基本原理。,2.低频透射式电涡流传感器,发射线圈,L,1,和,接收线圈,L,2,分置于被测金属板的上下方。由于低频磁场集肤效应小，渗透深，当低频(音频范围)电压,u,1,加到线圈,L,1,的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板,使线圈,L,2,产生感应电动势,u,2,。但由于涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势,u,2,减少，当金属板越厚时，损耗的能量越大，输出电动势,u,2,越小。因此，,u,2,的大小与金属板的厚度及材料的性质有关.试验表明,u,2,随材料厚度,h,的增加按负指数规律减少,因此，若金属板材料的性质一定，则利用,u,2,的变化即可测厚度。,线圈,L,2,的感应电压与被测厚度的增大按负幂指数的规律减小，即,式中,被测金属板的厚度；,h,贯穿深度。,测量厚度时，激励频率应选得较低。频率太高，贯穿深度小于被测厚度，不利于进行厚度测量，通常选,激励频率为1kHz左右,。,测,薄金属板,时，频率一般应略,高,些，,测厚金属板,时，频率应,低,些。在测量电阻率,较小,的材料时，应选较,低,的频率（如500Hz），测量,较大,的材料时，应选用较,高,的频率（如2kHz），从而保证在测量不同材料时能得到较好的线性和灵敏度。,4.3.4 电涡流传感器的转换电路,电涡流传感器转换电路的作用就是将,Z,、,L,或,Q,转换为电压或电流的变化。,阻抗,Z,的转换电路一般用,电桥,，,电感,L,的转换电路一般用,谐振电路,，又可以分为调幅法和调频法两种。,1.交流电桥,将传感器线圈的阻抗变化转化为电压或电流的变化。图中,L,1,、,L,2,是两个,差动,传感器线圈,，它们与电容,C,1,、,C,2,的并联阻抗,Z,1,、,Z,2,作为电桥的两个桥臂.,U,0,图4-22 交流电桥测量电路,L,1,振荡器,R,1,R,2,C,2,C,1,L,2,检波,放大,2.调幅式电路,图4-23 调幅式测量电路原理框图,晶体振荡器,L,C,输出,放大,检波,滤波,R,涡流传感器线圈与电容并联组成LC并联谐振回路，由恒流源石英晶体振荡器供电。没有被测物体时，并联谐振回路的谐振频率等于激励振荡器的频率,f,0,，此时LC并联回路呈现阻抗最大。,谐振回路上输出电压,U,0,为：,U,0,=,I,0,Z,4.4 电感式传感器的应用,图4-25 加速度传感器,1 悬臂梁；2 差动变压器；3 衔铁,1,2,a,3,位移测量,振幅测量,转速测量,差动式电感测厚仪,L,1,和L,2,为电感传感器的两个线圈，构成桥路相邻两桥臂，另两个桥臂是C,1,、C,2,。,4只二极管和4只电阻R,1,R,4,（减小温度误差）组成相敏整流器。,1.若L1L2，不论电源极性是a点为正b点为负（D1，D4导通）；或a点为负b点为正（D2，D3导通），d点电位总是高于c点电位，M的指针向一个方向偏转。,2.若L1L2，d点电位总是低于c点电位，M的指针向另一个方向偏转。,电感测微仪,探头,测量,电桥,交流,放大,相敏,检波,指示器,振荡器,变气隙式电感测微仪,F,电感压力传感器,变气隙式结构,图4-26 微压传感器,1 接头；2 膜盒；3 底座；4 线路板；,5 差动变压器；6 衔铁；7 罩壳,1,2,3,4,5,6,7,变气隙式差动压力传感器,电感式油压传感器 液压传动的各种机械装置,电感式接近传感器,电感式接近传感器应用举例,1、生产中测量产品的长度,每个脉冲对应的长度：,被测物总长度：,2、生产线工件的计数,3、机械手的限位,4、生产工件加工定位,5、时序控制,动画按扭,P79,2、3、4、7,