浅论电感式传感器-论文

轮机工程测试技术作业_____大学__________结课论文浅论电感式传感器年级：_____________学号：_____________姓名：_____________专业：_____________指导老师：_________二零一五年五月轮机工程测试技术作业1[摘要]利用电磁感应原理将被测非电量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈自感量L或互感量M的变化,再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出,这种装置称为电感式传感器。电感式传感器具有结构简单,工作可靠,测量精度高,零点稳定,输出功率较大等一系列优点,其主要缺点是灵敏度、线性度和测量范围相互制约,传感器自身频率响应低,不适用于快速动态测量。这种传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制,在工业自动控制系统中被广泛采用。电感式传感器种类很多,本章主要介绍自感式、互感式和电涡流式三种传感器。[关键词]原理；特点；应用；种类Abstract:Theprincipleofelectromagneticinductionwillbemeasurednonpowersuchasdisplacement,pressure,flowandvibrationconversionintothechangeofloopselfinductanceLormutualinductancem,againbythemeasuringcircuitconversionforchangesinoutputvoltageorcurrent.Thedevicecalledforinductivesensors.Inductivesensorhassimplestructure,reliablework,highmeasurementprecision,zeropointstabilityandlargeroutputpowerandaseriesofadvantages,itsmaindisadvantageismutualrestrictionofsensitivity,linearityandrangeofmeasurement,sensoranditsfrequencyresponseatlow,doesnotapplytotherapidanddynamicmeasurement.Thiskindofsensorcanrealizethelong-distancetransmissionofinformation,record,displayandcontrol,iswidelyusedinindustrialautomaticcontrolsystem.Manykindsofinductivesensors,thischaptermainlyintroducestheselfinductance,mutualinductanceandeddycurrentsensorthethreekind.Keywords:Principle;characteristics;application；types;轮机工程测试技术作业2一、传感器分类及原理：1、变磁阻式传感器（自感式）工作原理：变磁阻式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料制成。在铁芯和衔铁之间有气隙，传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时，气隙厚度δ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。线圈中电感量为：传感器的L-δ特性曲线：2、差动变压器式传感器（互感式）a变隙式差动变初级绕组W1a=W1b=W1，次级绕组和W2a=W2b=W2。两个初级绕组的同名端顺向串联，两个次级绕组的同名端则反相串联。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。20022AWRWLm轮机工程测试技术作业3b螺线管式差动变压器工作原理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。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W2a和W2b中便会产生感应电势E2a和E2b。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E2a=E2b。由于变压器两次级绕组反相串联,因而Uo=E2a-E2b即差动变压器输出电压为零。3、电涡流式传感器（互感式）根据法拉第定律，当传感器线圈通以正弦交变电流I1时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场H1，使置于此磁场中的金属导体中感应电涡流I2，I2又产生新的交变磁场H2。根据愣次定律，H2的作用将反抗原磁场H1，由于磁场H2的作用，涡流要消耗一部分能量，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的函数关系式为Z=F(ρ,μ,r,f,x)二、传感器特点由铁心和线圈构成的将直线或角位移的变化转换为线圈电感量变化的传感器，又称电感式位移传感器。这种传感器的线圈匝数和材料导磁系数都是一定的，其电感量的变化是由于位移输入量导致线圈磁路的几何尺寸变化而引起的。当把线圈接入测量电路并接通激励电源时，就可获得正比于位移输入量的电压或电流输出。电感式传感器的特点是：①无活动触点、可靠度高、寿命长；②分辨率高；③灵敏度高；④线性度高、重复性好；轮机工程测试技术作业4⑤测量范围宽（测量范围大时分辨率低）；⑥无输入时有零位输出电压，引起测量误差；⑦对激励电源的频率和幅值稳定性要求较高；⑧不适用于高频动态测量。电感式传感器主要用于位移测量和可以转换成位移变化的机械量（如力、张力、压力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位、比重、转矩等）的测量。常用电感式传感器有变间隙型、变面积型和螺管插铁型。在实际应用中，这三种传感器多制成差动式，以便提高线性度和减小电磁吸力所造成的附加误差。三、电感式传感器的种类电感式传感器种类很多，有利用自感原理的自感式传感器，有利用互感原理的差动变压器式传感器。此外，还有利用涡流原理的涡流式传感器，利用压磁原理的压磁式传感器和利用互感原理的感应同步等。1、自感式电感传感自感式电感传感器属于电感式传感器的一种。它是利用线圈自感量的变化来实现测量的，它由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。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，传感器的运动部分与衔铁相连。当被测量变化时，使衔铁产生位移，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感量变化，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。自感式电感传感器在测量位移和尺寸领域的应用，具有代表性的便是电感测厚仪。通过将测微螺秆4调节到给定厚度值，该厚度值可由度盘读出。被测带2在上下测量滚轮之间通过，通过杠杆使铁芯上下移动，从而改变线圈电感的变化则由相应的电桥电路测出，测出带材厚度的偏差值。此外变气隙型电感式尺寸传感器、螺管型轴向式电感传感器都可以实现位移和尺寸的测量。变气隙型电感式尺寸传感器壳体内两个平弹簧上悬挂着导磁体，导磁体可以通过微调螺钉1相对于传感器壳体移动。螺管型轴向式电感传感器，可换测头通过螺杆拧在测杆轮机工程测试技术作业5上，测杆可在滚珠导轨上作轴向移动，滚珠有四排，每排物，尺寸和形状误差都小于0.6um。一般这类型传感器被用做精密量仪的部件，如高精度的电感比较仪等。可以作为轴承滚动体自动分选机的主要测量部件，用来测量各种滚动体的尺寸和形状，零件的膨胀、伸长和应变等。2、变压器式传感器。变压器式传感器工作原理：变压器式传感器是将非电量转换为线圈间互感的一种磁电动机构，很像变压器的工作原理，因此常称其为变压器式传感器。这种传感器多采用差动模式。3、电涡流式传感器通过金属导体中的磁通发生变化时，就会在导体中产生感应电流，这种电流的流线在金属体内自行闭合，通常就称它为电涡流。电涡流的产生必然要消耗一部分磁场能量，从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化，电涡流式传感器就是基于这种电涡流效应。这种传感器不但具有测量范围大、灵敏度高、抗干扰能力强、不受油污等介质的影响，结构简单，安装方便等特点，而且又具有非接触测量的优点。四、电感式传感器的应用传统的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。现在电感式传感器以其结构简单、输出功率大、输出阻抗小、抗干扰能力强、稳定性能好和使用方便等特点，广泛的应用于测量、监测、自控等领域i。其中电涡流传感器具有非接触测量的优势，更受到青睐。一般应用：1、变磁阻式传感器的应用一般作为压力传感器和测量工具。（1）Welter叙述的第一个导管端血压传感器结构。C形弹簧管作为第一次换能元件将压力变化转换为位移的大小变化，衔铁作为第二次换能元件讲位移大小转换为电压的变轮机工程测试技术作业6化，达到测量的目的。（2）新型的测量工具示意图。其设计是将传统的测量方法与电感传感器相结合，将测量精度提高到0.01µm级，满足了现代化机械加工测量要求。2、差动变压器传感器的应用差动变压器式可直接用于位移测量（测微仪），如长度、内径、外径、不平度、不垂直度、偏心、椭圆等；也可以用来测量与位移相关的任何机械量，如振动、加速度、零件的膨胀伸长、应变、移动等。下面是几个应用实例。（1）作为电感测厚仪使用。图3是电感测厚仪的结构原理图，差动变压器铁心与测厚滚轮相连，板材正常厚度值时调整差动变压器输出为零，变压器电动势输出大小的变化反映了被测板材厚度变化的大小，极性表示厚度是增加还是减小。（2）作为电感测微仪使用。采用差动变压器，桥路输出的不平衡与衔铁位移成正比，相敏输出与交流放大器输出信号成正比，相位反映了位移的方向。（3）作为电感压差计使用。当压差变化时，腔内膜片产生位移使差动变压器铁心产生位移，从而使次级感应电动势发生变化，因为输出电压与位移成正比，即与压差成正比，所以通过输出电压的变化可以检测差压的大小。3、电涡流传感器的应用电涡流传感器的最大特点是可以进行非接触式测量。电涡流传感器目前主要应用于测位移、测振动、测转速、测厚度、测材料、测温度、电涡流探伤等。（1）测厚。分为低频透射式涡流测厚和高频反射式涡流测厚。均利用电磁感应，根据电压的变化建立厚度与测量量的关系，达到测厚目的。有时测厚时为了客服带材的不平整或运动过程中的上下波动影响，常采用差动形式，利用变化值建立相应的关系。（2）测转速。检测转述的方式较多，图4的测量方法是在旋转体上加工或安装一个齿轮状金属，旁边安装涡流传感器，旋转体旋转时，传感器线圈与被测体距离发生周期性变化，电涡流传感器将周期的改变信号的输出，由频率计数求出转速。（3）测振动。利用电涡流传感器测量振动的方法，可对汽轮机两侧、空气压缩机旋转轴的径向振动，汽轮机叶片的振动进行检测。可研究轴的振动形状，作出振型图。测量方法是将多个传感器安装在轴的侧面，当轴旋转时多道记录仪可以获得每个传感器各点的瞬轮机工程测试技术作业7间振幅值，并画出轴振型图。（4）电涡流探伤。探伤时，传感器与被测金属保持距离不变，如有裂纹出现，导体的电阻率会发生变化，涡流损耗改变而引起输出电压的变化。图5为火车车轮裂纹检测的典型应用。传感器安装在火车车轮经过的测试现场，在车轮宽度的位置上排列摆放多个电涡流传感器，并在沿周长方向上也连续放置多个传感器，目的是可以保证车轮旋转一周时，是车轮表面的每个部位上都能被传感器检测到。生产实际应用：电感式传感器自身的优势与现代检测要求适应性