5项目五 其他量的检测（课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（北京理工大学版）

项目五 其他量的检测 任务一电感式接近开关的制作 任务二门控自动照明灯电路的设计与制作 1 任务一电感式接近开关的制作 一、任务描述 制作电感式接近开关，要求当某物体与接近开关接近并达到一定距离时，能发出电信号报警。电感式接近开关不需要外力施加，是一种无触点式的开关，它的用途己远远超出行程开关所具备的行程控制及限位保护功能。接近开关可用于高速计数、检测金属体的存在、测速、液位控制、检测零件尺寸及用作无触点式按钮等。 二、任务目标 (1)掌握电感式传感器的结构原理。 (2)掌握电感式传感器的测量电路。 (3)学会电感接近开关的设计方法与应用电路。 (4)了解电感式传感器的应用情况。 下一页 返回 任务一电感式接近开关的制作 三、知识链接 1.电感式传感器概述 根据法拉第电磁感应定律，当穿过闭合电路磁通量发生变化时，就会产生感应电动势的现象，这种现象叫电磁感应。电磁感应现象是电磁学中最重大的发现之一，它显示了电、磁现象之间的相互联系和转化，对其本质的深入研究所揭示的电、磁场之间的联系，对麦克斯韦电磁场理论的建立具有重大意义。电磁感应现象在电上技术、电子技术及电磁测量等方面都有广泛的应用。 电感式传感器是利用电磁感应原理，将被测非电量的变化转换成线圈电感(或互感)的变化。电感式传感器具有结构简单、工作可靠、测量精度高、零点核定、无须外电源和输出功率较大等一系列优点。 上一页 下一页 返回 任务一电感式接近开关的制作 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。 电感式传感器可以分为自感式和互感式两大类，按照转换原理的不同，还可以分为自感式、差动变压器式和电涡流式。 2.自感式电感传感器 1)自感式电感传感器的工作原理 自感式(变磁阻式)传感器由线圈、铁芯和衔铁3部分组成。铁芯和衔铁由导磁性材料制成，其结构如图5-1所示。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。 上一页 下一页 返回 任务一电感式接近开关的制作 线圈中电感量的定义为 式中 ψ—线圈总磁链; I—通过线圈的电流; N —线圈的匝数; Φ—穿过线圈的磁通。 根据磁路欧姆定律，有 式中 Rm —磁路总磁阻。 上一页 下一页 返回 任务一电感式接近开关的制作 因为气隙很小，可以认为气隙中的磁场是均匀的。若忽略磁路磁损，则磁路总磁阻为 式中 μ1, μ2, μ3—分别为空气、铁芯、衔铁的磁导率; L1, L2—分别为磁通通过铁芯和衔铁中心线的长度; A1, A2, A3 —分别为气隙、铁芯、衔铁的截面积。 通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻，即 上一页 下一页 返回 任务一电感式接近开关的制作 则式(5-4)可写为 联立式(5-1)、式(5-2)及式(5-5)，可得 式(5-6)表明，当线圈匝数为常数时，电感L仅仅是磁路中磁阻Rm的函数，改变δ或A0均可导致电感变化，因此自感式传感器又可分为变气隙厚度式、变截面积式和螺线管式3种，其中使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器。 上一页 下一页 返回 任务一电感式接近开关的制作 (1)变气隙厚度式电感传感器。 变气隙厚度式电感传感器如图5-2(a)所示，由式(5-6)可知，在线圈匝数N确定后，保持气隙截面积A0不变，则电感去与气隙厚度δ成反比，输入输出为非线性。为了保证一定的线性度，变气隙厚度式自感传感器只能工作在一段很小的区域，因而只能用于微小位移的测量。 (2)变截面积式电感传感器。 变截面积式电感传感器如图5-2(b)所示，由式(5-6)可知，在线圈匝数N确定后，保持气隙厚度δ不变，则电感L与气隙截面积A。成正比，输入输出呈线性关系。但是，由于漏感等因素，变截面积式电感传感器在A0为0时，仍有较大的电感，所以其线性区较小，且灵敏较低。 上一页 下一页 返回 任务一电感式接近开关的制作 (3)螺线管式电感传感器。 螺线管式电感传感器如图5-2(c)所示，其主要元件是一个螺线管和一根衔铁，传感器工作时，衔铁在线圈中深入长度的变化将引起螺线管电感量的变化。对于长螺线管(l>>r)，当衔铁工作在螺线管的中部时，可以认为线圈内磁场强度是均匀的，此时，线圈电感量L与衔铁插入深度h大致成正比。 (4)差动式电感传感器。 在实际使用中，为了减小非线性误差，提高传感器的灵敏度，常采用差动形式，其结构如图5-3所示，两个完全相同的、单个线圈的电感传感器共用一根活动衔铁，就构成了差动式电感