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传感器技术与应用
2第6章电感式传感器6.1电感式传感器概述6.2自感式电感传感器6.3互感式电感传感器6.4电涡流传感器
第6章知识目标(1)掌握电感式传感器类型划分;(2)掌握自感式电感传感器的类型及其工作原理;(3)掌握互感式电感传感器的类型及其工作原理;(4)掌握电涡流传感器的工作原理。3
第6章能力目标(1)理解电感式传感器类型划分的依据;(2)掌握自感式电感传感器的工作特性与应用特点;(3)掌握互感式电感传感器的工作特性与应用特点;(4)理解电涡流效应、集肤效应;(5)能根据实际的应用场景选择高频反射式或低频透射式电涡流传感器。4
56.1电感式传感器概述电感式传感器属于阻抗式结构型传感器,基于电磁感应原理。1.电感式传感器的基本原理与结构构成电感式传感器的核心构成是敏感元件和转换元件,通常一体式。
62.电感式传感器基本特点与应用电感式传感器具有结构简单,灵敏度高,分辨率高,测量准确度高,线性度好,稳定性好,重复性好,抗干扰能力强,工作可靠等优点,可以实现接触式测量,也可以实现非接触式测量。典型应用场景:(1)电感式传感器制作成高精度测量设备,对金属、非金属高精密加工制作过程中工件的尺寸、厚度、平整度、颗粒度等参量进行测量;(2)制作成无触点接近开关,在自动测控系统中起到限位、复位、计数、行程定位等功能;(3)用于汽车轮速、飞行器速度与加速度的测量等。电感式传感器在计量技术、工业生产和科学研究领域应用广泛。
73.电感式传感器类型划分
86.2自感式电感传感器变磁阻电感式传感器将被测量的变化转换为磁阻的变化,从而引起线圈的自感量的变化。6.2.1类型与结构根据测量过程中改变的磁路几何参数的不同,自感式电感传感器分为变气隙式、变面积式和螺线管式三种类型:
96.2.2变气隙式自感传感器1-铁心,2-衔铁,3-线圈,4-测量连杆工作原理:当被测量变化时,铁心和衔铁之间的气隙厚度发生变化,气隙磁阻变化,进而引起线圈的自感量变化。1)工作原理解析:磁通量线圈励磁电流有效值线圈匝数磁路总磁阻线性电感线圈自感量L定义式:磁通链由磁通量、磁通链的表达式,可以获得下面关系式:
变气隙式自感型电感传感器工作原理电感线圈定铁芯气隙δ?l1、l2–定、动铁芯导磁长度μ1、μ2–定、动铁芯导磁率A1、A2–定、动铁芯导磁截面积μ0–空气导磁率A0–空气气隙导磁截面积铁芯磁阻空气气隙磁阻衔铁(动铁芯)
11由于变气隙式自感传感器气隙厚度d很小,气隙中的磁场可以视为均匀分布。在忽略磁路损耗的前提下,磁路的总磁阻由铁心磁阻、衔铁磁阻、气隙磁阻三部分构成,对应的表达式:空气磁导率铁心磁导率衔铁磁导率公式中,S0表示气隙的有效截面积;S1表示铁心的截面积;S2表示衔铁的截面积。则衔铁的磁阻和铁心的磁阻都远小于空气磁阻,即:通常导磁体的磁导率远大于空气的磁导率,即:
12由上述分析,可以简化表达:
13例题6-1:解:
14电感的最大变化量表达式:
152)工作特性分析:变气隙式自感传感器自感量与气隙厚度特性曲线图①衔铁向上运动,气隙厚度减小
16则:
17②衔铁向下运动,气隙厚度增大推导思路同“衔铁向上运动,气隙厚度减少”相同,则有:
183)灵敏度K忽略2次项及以上高次项结论:变气隙式自感传感器的灵敏度取决于初始状态的气隙厚度,两者在数值上成反比关系。
196.2.3差动式变气隙自感传感器差动式变气隙自感传感器在实际工程应用中广泛应用。差动式变气隙自感传感器由两个完全相同的电感线圈(或称为绕组)构成:注意:两个电感线圈之间无磁路耦合关系。差动式变气隙自感传感器总的电感变化量:
20在忽略高次非线性项的前提下差动式变气隙自感传感器的灵敏度:结论:差动式变气隙型自感传感器比非差动式的变气隙型自感传感器灵敏度提高一倍。
216.2.4交流电桥测量转换电路电路初始状态:交流电桥处于平衡状态:交流电桥失去平衡,输出电压相量:
226.3互感式电感传感器6.3.1结构、工作原理与类型互感式电感传感器是将被测量的变化转换为耦合线圈之间互感量的变化。本质是变压器。工作原理:当被测量发生变化时,导致变压器一次线圈和二次线圈的互感量发生变化,进而导致二次线圈输出端的感应电动势发生改变,对应的二次线圈输出端的感应电压发生改变。互感式电感传感器的二次线圈都采用差动连接形式,因此通常称为差动变压器式电感传感器(简称差动变压器)。
23根据改变磁路几何参数的不同,互感式电感传感器对应变气隙式、变面积式和螺线管式三种类型。在实际工程应用中,应用较多的是螺线管式差动变压器。当被测量发生变化时,测量连杆带动衔铁运动。
24螺线管式差动变
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