第3章 电感式传感器

• 3. 3. 6电感式仿形机床
• 在加工复杂机械零件时，采用仿形加工是一种较简单和经济的办法， 图3 - 24所示是电感式(差动变压器式)仿形机床的示意图。
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3. 3 电感式传感器的应用
• 设被加工的工件为凸轮。机床的左边转轴上固定一只已加工好的标准 凸轮，毛坯固定在右边的转轴上，左、右两轴同步旋转。铣刀和电感 测微器安装在由伺服电动机驱动的、可以顺着立柱的导轨上下移动的 龙门架上。电感测微器的硬质合金测端与标准凸轮外表轮廓接触。当 衔铁不是处于差动电感线圈的中心位置时，测微器有输出。输出电压 经伺服放大器放大后，驱动伺服电动机正转(或反转)，带动龙门框架 上移(或下降)，直至测微器的衔铁恢复到差动电感线圈的中间位置。 龙门架的上下位置决定了铣刀的切削深度。当标准凸轮转过一个微小 的角度时，衔铁可能被顶高(或下降)，测微器必然有输出，伺服电动 机转动，使铣刀架上升(或下降)，从而减少(或增加)切削深度。这个 过程一直持续到加工出与标准凸轮完全一样的工件为止。
一般是把传感器电感L和电容C接入一个振荡回路中，其振荡频率为:
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3. 2 互感式传感器
• 3. 2. 1互感式传感器的结构与工作原理
• 螺管形差动变压器结构如图3 -8所示。它由初级线圈P，两个次级线 圈S1 , S2，骨架和插入线圈中央的圆柱形铁芯b四部分组成。初级线 圈，亦称原边，或称一次线圈;次级线圈，亦称副边，或称二次线圈。 副边有两个，相互反接，构成差动式。原、副边线圈绕于骨架上，骨 架用塑料制成。可动部分铁芯，由良导磁材料(软铁和坡莫合金)制成，
• 图3一19是induNCDT系列位移传感器的外形图，它主要用于位移、 振动、转速测量。传感器的前置放大器被集成安装在传感器壳体里， 其输出信号与测量位移成正比。在传感器测量量程内线性精度优于 2% 。
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3. 3 电感式传感器的应用
• 3. 3. 2振动检测
• RS9300低频振动速度传感器属于惯性式传感器，其外形如图3一20 所示。它是利用磁电感应原理把振动信号变换成电信号。它主要由磁 路系统、惯性质量、弹簧阻尼等部分组成。在传感器壳体中刚性地固 定着磁铁，惯性质量(线圈组件)用弹簧元件悬挂于壳体上。工作时， 将传感器安装在机器上，在机器振动时且在传感器工作频率范围内， 线圈与磁铁相对运动、切割磁力线，在线圈内产生感应电压，该电压 信号正比于被测物体的振动速度值，对该信号进行积分放大处理即可 得到信号位移。
压;U2为参考电压;U1与U2同频率，U1< U2, UZ≈(3 ~5) U1 ，二极管D1 一D4性能相同，导通时有:
• 首先讨论U,与U:同相位情况: • 正半周时，电路中电压极性如图3一15所示，由于U2 > U1，故仍旧以 • U2为基准进行讨论。D3 , D4仍然导通，但作用于D4两端的信号是U2
• 1.差动整流电路 • 这种电路是把差动变压器的两个次级电压分别整流，然后将它们的整
流电压或电流的差值作为输出。现以电压输出型全波差动整流电路为 例说明其工作原理。电路连接如图3一13所示。
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3. 2 பைடு நூலகம்感式传感器
• 2.二极管差动相敏检波电路 • 图3一14为二极管全波差动相敏检波电路:U1为差动变压器输入电
• 如图3 -21所示为电感式接近开关，它由三大部分组成:振荡器、开关 电路及放大输出电路。振荡器产生一个变交磁场，并达到感应距离时， 在金属目标内产生涡流，从而导致振荡衰减，以至停振。振荡器振荡 及停振的变化被后级放大电路处理并转换成开关信号，触发驱动控制 器件，从而达到非接触式之检测目的。目标离传感器越近，线圈内的 阻尼就越大，阻尼越大，传感器振荡器的电流越小。
+ U1,，因此L4较大，而作用于D3两端的电压为U2一U1 ，所以i3较小， 则，Im为正、负半周时，D1 , D2导通，此时，在此U1和U2作用下，i1 增加而i2减小，流过M的电流Im为正。故在一周内流过M的电流Im为正。
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3. 2 互感式传感器
• 3.集成化的相敏检波电路 • 随着集成电路技术的发展，相继出现了各种性能的集成电路相敏检波
• 2.变压器式测量电路 • 变压器式测量电路如图3 -5所示，电桥两臂Z1和Z2为传感器线圈阻抗，
另外两桥臂为交流变压器次级线圈的1/2阻抗。当负载阻抗为无穷大 时，桥路输出电压为:
• 3.谐振式测量电路 • 谐振式测量电路有谐振式调幅电路(见图3 - 6)和谐振式调频电路(见图
3一7)。 • 调频电路的基本原理是传感器电感L变化将引起输出电压频率的变化，
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3. 3 电感式传感器的应用
• 完成测量后，测杆上升，限位挡板8在电磁铁的控制下移开，测量好 的滚柱在推杆3的再次推动下离开测量区域。这时相应的电磁翻板9打 开，滚柱落入与其直径偏差相对应的容器(料斗)10中。同时，推杆3 和限位挡板8复位。从图3 - 23中的虚线可以看到，批量生产的滚柱直 径偏差概率符合随机误差的正态分布。上述测量和分选步骤均是在计 算机控制下进行的。若在轴向再增加一只电感传感器，还可以在测量 直径的同时，将滚柱的长度一并测出。
• 与被测对象相连接。 • 差动变压器线圈的电气连接如图3一9所示。次级线圈S1 , S2反极性
连接。当初级线圈P加上某一频率的正弦电压U1后，次级线圈产生感 应电压U1和U2，它们的大小与铁芯在线圈内的位置有关。 U1和U2反 极性连接，所以输出电压U0为两电压之差，即Uo =U1-U2。
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• 为了进一步提高灵敏度，常把两个膜片周边焊在一起，制成膜盒。它 中心的位移量为单个膜片的两倍。由于膜盒本身是一个封闭的整体， 所以密封性好，周边不需固定，给杆状带来方便，它的应用比波纹膜 片广泛得多。
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3. 3 电感式传感器的应用
• 3. 3. 5电感式滚柱直径分选装置
• 用人工测量和分选轴承用滚柱的直径是一项十分费时且容易出错的工 作。图3 – 23是电感式直径分选装置的示意图。
器，例如LZXI单片相敏检波电路。LZXI为全波相敏检波放大器，它 与差动变压器的连接如图3一16所示。 • 相敏检波电路要求参考电压和差动变压器次级电压同频率，相位相同 或相反，因此，需要在线路中接入移相电路。如果位移量很小，差动 变压器输出端还要接入放大器，将放大后的信号输入到LZXI的输入 端。 • 通过LZXI全波相敏检波输出的信号，还须经过低通滤波器，滤去调 制时引入的高频信号，只让与x位移信号对应的直流电压信号通过。 该输出电压信号U。与位移量x的关系可用图3一17表示。输出电压是 通过零点的一条直线，+x位移则输出正电压，一x位移输出负电压。 电压的正负表明了位移方向。
• 1.交流电桥式测量电路 • 图3 -4所示为交流电桥式测量电路，把传感器的两个线圈作为电桥的
两个桥臂Z1和Z2，另外两个相邻的桥臂用纯电阻代替，对于高Q值 (Q= wL/R)的差动式电感传感器，当传感器衔铁上移时，即Z1=Z +△Z, Z2=Z一△Z，其输出电压为:
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3. 1 自感式传感器
• 由机械排序装置(振动料斗)送来的滚柱按顺序进入落料管5。电感测 微器的测杆在电磁铁的控制下，先是提升到一定的高度，气缸推杆3 将滚柱推入电感测微器测头正下方(电磁限位挡板8决定滚柱的前后位 置)，电磁铁释放，钨钢测头7向下压住滚柱，滚柱的直径决定了衔铁 的位移量。电感传感器的输出信号经相敏检波后送到计算机，计算出 直径的偏差值。
• 比较单线圈和差动两种变隙式电感传感器的特性，可以得到如下结论:
• (1)差动式比单线圈式的灵敏度高1倍。
• (2)差动式的非线性项等于单线圈非线性项乘以
。因
为
，所以，差动式的线性度得到明显改善。
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3. 1 自感式传感器
• 3. 1. 3测量电路
• 电感式传感器的测量电路有交流电桥式、交流变压器式以及谐振式等 几种形式。
3. 2 互感式传感器
• 3.2.2互感式传感器等效电路
• 互感式传感器之所以又称为差动变压器，是因为它与一般变压器存在 异同之处。二者相同之处在于:结构相同，都有铁芯，骨架和原、副 边线圈;工作原理相同，都是利用电磁感应定律，将线圈互感转换为 电压输出。二者有以下几点不同之处。
• (1)磁路不同。普通变压器的磁路在铁芯内形成闭合回路，分别与原、 副边线圈藕合;差动变压器的磁路不在铁芯内形成闭合回路，而是经 铁芯，空气隙与原、副边形成闭合回路，分别与原、副边线圈藕合。
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3. 3 电感式传感器的应用
• 3. 3. 1位移测量
• 图3一18是中原量仪厂生产的轴向式电感测微器结构图。测量时红宝 石(或钨钢)测端10接触被测物，被测物尺寸的微小变化使衔铁3在差 动线圈中产生位移，造成差动线圈电感量的变化，此电感变化通过电 缆接到电桥，电桥的电压输出反应了被测体尺寸的变化，精度为0. 1%左右。
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3. 3 电感式传感器的应用
• 3. 3. 4压力测量
• 图3一22所示为差动变压器式压力变送器的结构及原理图。它适用于 测量各种生产流程中液体、水蒸气及气体压力。在该图中能将压力转 换为位移的弹性敏感元件称为膜盒。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 位移。波纹膜片比平面膜片柔软得多，因此多用于测量较小压力的弹 性敏感元件。
• 图3一12为差动变压器的频率特性。
• 3. 2. 3互感式传感器测量电路
• 差动变压器输出的是交流电压，若用交流模拟电压表测量，只能反映 铁芯位移的大小，不能反映移动的方向。另外，测量值中还含有零点 残余电压。为了达到既能辨别移动方向又能消除零点残余电压的目的， 实际测量时，常常采用两种测量电路:差动整流电路和相敏检波电路。
第3章 电感式传感器
• 3. 1自感式传感器 • 3. 2互感式传感器 • 3. 3电感式传感器的应用
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3. 1 自感式传感器
• 3.1.1工作原理
• 变磁阻式传感器的结构如图3一1所示。它由线圈、铁芯和衔铁3部分 组成。铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成，在铁芯和衔 铁之间有气隙，气隙厚度为δ，传感器的运动部分与衔铁相连。当衔 铁移动时，气隙厚度发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感 线圈的电感值变化，因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔 铁位移量的大小和方向。
• 3. 1. 2输出特性
• 设电感传感器初始气隙为δo，初始电感量为Lo，衔铁位移引起的气隙 变化量为△δ,从式(3 -6)可知，L与δ之间是非线性关系，特性曲线如 图3一2表示，初始电感量为:
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3. 1 自感式传感器
• 图3 -3所示为差动变隙式电感传感器的原理结构图。由图可知，差动 变隙式电感传感器由两个相同的电感线圈I、II和磁路组成。测量时， 衔铁通过导杆与被测位移量相连，当被测体上下移动时，导杆带动衔 铁也以相同的位移上下移动，使两个磁回路中磁阻发生大小相等、方 向相反的变化，导致一个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减 小，形成差动形式。
阻抗，较好的信噪比，它同一般通用交流电压表或示波器配合就能工 作。对输出插头和传输电缆也无特殊要求，使用方便。 • (3)传感器设计中取消了有摩擦的活动元件，因此使用寿命相对很长。 传感器有一定抗横向振动能力(不大于10g)。
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3. 3 电感式传感器的应用
• 3. 3. 3位置控制
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3. 3 电感式传感器的应用
• RS9300低频振动速度传感器适用于水轮发电机组低频转动机械、工 程建筑及桥梁的绝对振动测量，测量频率范围为0. 5一20 Hz，抗干 扰性能强，能长期稳定可靠地工作于恶劣环境中。
• RS9300低频振动速度传感器的使用特点如下。 • (1)传感器有很低的使用频率，可以用于低转速的转动机器。 • (2)相对于其他类型的振动传感器而言，RS9300传感器有较低的输出
• (2)互感系数M不同。普通变压器原、副边线圈的互感系数M是常数; 而差动变压器的原、副边线圈的互感系数M是变量，随铁芯位置变化 而变化。
• (3)副边线圈不同。普通变压器的副边线圈有一组或多组，彼此独立; 而差动变压器的副边线圈只有两组，彼此反接。
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3. 2 互感式传感器
• 差动变压器是利用电磁感应定律制作的。制作时，理论计算结果与实 际制作后的参数相差很大。在忽略其涡流损耗、磁滞损耗和寄生(藕 合)电容等因素后，其等效电路如图3一11所示。