第四章 電感式傳感器.ppt

本章主要內(nèi)容4 1自感式傳感器4 1 1氣隙型自感傳感器4 1 2螺管型自感傳感器4 1 3自感線圈的等效電路4 1 4測(cè)量電路 1 交流電橋 2 變壓器電橋4 1 5自感式傳感器的應(yīng)用4 2差動(dòng)變壓器4 2 1結(jié)構(gòu)原理與等效電路4 2 2誤差因素分析4 2 3測(cè)量電路4 2 4差動(dòng)變壓器的應(yīng)用 1 加速度傳感器 2 微壓力變送器4 3電渦流式傳感器工作原理4 4電感式傳感器的應(yīng)用 1 位移測(cè)量 2 振動(dòng)測(cè)量 3 連續(xù)油管的橢圓度測(cè)量 4 電感式滾柱直徑分選裝置 5 無(wú)損探傷 目錄 本章主要內(nèi)容掌握自感式傳感器的工作原理 了解其分類掌握自感式傳感器的等效電路和測(cè)量電路熟悉差動(dòng)變壓器的工作原理了解差動(dòng)變壓器的測(cè)量電路了解電渦流式傳感器的工作原理熟悉電感式傳感器的主要應(yīng)用 4 1自感式傳感器有氣隙型和螺管型兩種結(jié)構(gòu) 4 1 1氣隙型自感傳感器1 工作原理組成 線圈1 銜鐵3和鐵芯2等 圖中點(diǎn)劃線表示磁路 磁路中空氣隙總長(zhǎng)度為l 0 5l 1 2 3 x a 氣隙式 b 變截面式 變化曲線示意圖 N 線圈匝數(shù) Rm 磁路總磁阻 鐵芯與銜鐵磁阻和空氣隙磁阻 氣隙式自感傳感器 因?yàn)闅庀遁^小 l 為0 1 1mm 所以 認(rèn)為氣隙磁場(chǎng)是均勻的 若忽略磁路鐵損 則磁路總磁阻為l1 鐵芯磁路總長(zhǎng) l2 銜鐵的磁路長(zhǎng) S 隙磁通截面積 S1 鐵芯橫截面積 S2 銜鐵橫截面積 1 鐵芯磁導(dǎo)率 2 銜鐵磁導(dǎo)率 0 真空磁導(dǎo)率 0 4 10 7H m l 空氣隙總長(zhǎng) 由磁路基本知識(shí)知 線圈自感為 簡(jiǎn)化得 2 特性分析主要特性 靈敏度和線性度 若忽略高次項(xiàng) 則自感變化靈敏度為 結(jié)論 當(dāng)氣隙l 發(fā)生變化時(shí) 自感的變化與氣隙變化均呈非線性關(guān)系 其非線性程度隨氣隙相對(duì)變化 l l 的增大而增加 氣隙減少 l 所引起的自感變化 L1與氣隙增加同樣 l 所引起的自感變化 L2并不相等 即 L1 L2 其差值隨 l l 的增加而增大 差動(dòng)變隙式電感傳感器 當(dāng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí) 兩個(gè)線圈的電感變化量 L1 L2 對(duì)上式進(jìn)行線性處理 即忽略高次項(xiàng)得 靈敏度k0為 結(jié)論 1 差動(dòng)變間隙式自感傳感器的靈敏度是單線圈式傳感器的兩倍 2 單線圈是忽略以上高次項(xiàng) 差動(dòng)式是忽略以上高次項(xiàng) 因此差動(dòng)式自感式傳感器線性度得到明顯改善 4 1 2螺管型自感傳感器有單線圈和差動(dòng)式兩種結(jié)構(gòu)形式 單線圈螺管型傳感器的主要元件為一只螺管線圈和一根圓柱形鐵芯 傳感器工作時(shí) 因鐵芯在線圈中伸入長(zhǎng)度的變化 引起螺管線圈自感值的變化 當(dāng)用恒流源激勵(lì)時(shí) 則線圈的輸出電壓與鐵芯的位移量有關(guān) 螺管線圈內(nèi)磁場(chǎng)分布曲線 r x l 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 H IN l x l 結(jié)論 1 在線圈中段才有可能獲得較高的靈敏度 并且有較好的線性特性 單線圈螺管型傳感器 為了提高靈敏度與線性度 常采用差動(dòng)螺管式自感傳感器 2lc lc 2l 線圈 線圈 r 0 8 0 6 0 4 0 2 0 2 0 4 0 6 0 8 0 8 0 8 0 4 1 2 1 2 0 4 x H IN l 差動(dòng)螺旋管式自感傳感器 b 磁場(chǎng)分布曲線 x l a a 結(jié)構(gòu)示意圖 結(jié)論 1 為了得到較好的線性 鐵芯長(zhǎng)度取0 6l時(shí) 則鐵芯工作在H曲線的拐彎處 此時(shí)H變化小 特點(diǎn) 這種差動(dòng)螺管式自感傳感器的測(cè)量范圍為 5 50 mm 非線性誤差在0 5 左右 4 1 3自感線圈的等效電路 假設(shè)自感線圈為一理想純電感 但實(shí)際傳感器中包括 線圈的銅損電阻 Rc 鐵芯的渦流損耗電阻 Re 和線圈的寄生電容 C C L Rc Re 自感傳感器的等效電路 4 1 4測(cè)量電路1 交流電橋交流電橋是自感傳感器的主要測(cè)量電路 為了提高靈敏度 改善線性度 自感線圈一般接成差動(dòng)形式 如圖 Z1 Z2為工作臂 即線圈阻抗 R1 R2為電橋的平衡臂 電橋平衡條件 設(shè)Z1 Z2 Z RS j L R1 R2 RRS1 RS2 RS L1 L2 LE為橋路電源 ZL是負(fù)載阻抗 工作時(shí) Z1 Z Z和Z2 Z Z ZL R1 R2 Z2 Z1 L1 L2 RS1 RS2 交流電橋原理圖 USC E Z1 Z2 USC E 2 E 2 E 變壓器電橋原理圖 I 2 變壓器電橋平衡臂為變壓器的兩個(gè)副邊 當(dāng)負(fù)載阻抗為無(wú)窮大時(shí) 流入工作臂的電流為 變壓器電橋的輸出電壓幅值 優(yōu)點(diǎn) 與電阻平衡電橋相比 元件少 輸出阻抗小 橋路開路時(shí)電路呈線性 缺點(diǎn) 變壓器副邊不接地 易引起來(lái)自原邊的靜電感應(yīng)電壓 使高增益放大器不能工作 1 自感式位移傳感器 1傳感器引線2鐵心套筒3磁芯4電感線圈5彈簧6防轉(zhuǎn)件7滾珠導(dǎo)軌8測(cè)桿9密封件10瑪瑙測(cè)端 4 1 5自感式傳感器的應(yīng)用 2 自感式壓力傳感器 變隙式自感壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖 變隙差動(dòng)式電感壓力傳感器 4 1 5自感式傳感器的應(yīng)用 4 2差動(dòng)變壓器4 2 1結(jié)構(gòu)原理與等效電路分氣隙型和差動(dòng)變壓器兩種 目前多采用螺管型差動(dòng)變壓器 1初級(jí)線圈 2 3次級(jí)線圈 4銜鐵 1 2 4 3 1 2 3 a 氣隙型 b 螺管型 基本元件有銜鐵 初級(jí)線圈 次級(jí)線圈和線圈框架等 e2 R21 R22 e21 e22 e1 R1 M1 M2 L21 L22 L1 e1初級(jí)線圈激勵(lì)電壓L1 R1初級(jí)線圈電感和電阻M1 M1分別為初級(jí)與次級(jí)線圈1 2間的互感L21 L22兩個(gè)次級(jí)線圈的電感R21 R22兩個(gè)次級(jí)線圈的電阻 I1 根據(jù)原理圖可得 在次級(jí)線圈中感應(yīng)出電壓e21和e22 其值分別為 空載輸出電壓 幅值 輸出阻抗 副 0 e2 e2 e21 e22 x 副 原線圈 差動(dòng)變壓器輸出電勢(shì)e2與銜鐵位移x的關(guān)系 其中x表示銜鐵偏離中心位置的距離 4 2 2誤差因素分析1 激勵(lì)電壓幅值與頻率的影響激勵(lì)電源電壓幅值的波動(dòng) 會(huì)使線圈激勵(lì)磁場(chǎng)的磁通發(fā)生變化 直接影響輸出電勢(shì) 而頻率的波動(dòng) 只要適當(dāng)?shù)剡x擇頻率 其影響不大 2 溫度變化的影響周圍環(huán)境溫度的變化 引起線圈及導(dǎo)磁體磁導(dǎo)率的變化 從而使線圈磁場(chǎng)發(fā)生變化產(chǎn)生溫度漂移 當(dāng)線圈品質(zhì)因數(shù)較低時(shí) 影響更為嚴(yán)重 因此 采用恒流源激勵(lì)比恒壓源激勵(lì)有利 適當(dāng)提高線圈品質(zhì)因數(shù)并采用差動(dòng)電橋可以減少溫度的影響 3 零點(diǎn)殘余電壓當(dāng)差動(dòng)變壓器的銜鐵處于中間位置時(shí) 理想條件下其輸出電壓為零 但實(shí)際上 當(dāng)使用橋式電路時(shí) 在零點(diǎn)仍有一個(gè)微小的電壓值 從零點(diǎn)幾mV到數(shù)十mV 存在 稱為零點(diǎn)殘余電壓 如圖是擴(kuò)大了的零點(diǎn)殘余電壓的輸出特性 零點(diǎn)殘余電壓的存在造成零點(diǎn)附近的不靈敏區(qū) 零點(diǎn)殘余電壓輸入放大器內(nèi)會(huì)使放大器末級(jí)趨向飽和 影響電路正常工作等 1基波正交分量2基波同相分量3二次諧波4三次諧波5電磁干擾 圖中e1為差動(dòng)變壓器初級(jí)的激勵(lì)電壓 e20包含基波同相成分 基波正交成分 二次及三次諧波和幅值較小的電磁干擾等 0 e2 x x e20 4 2 3測(cè)量電路用交流電壓表不能測(cè)得方向 因此常采用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路進(jìn)行測(cè)量 取得銜鐵位移的大小和移動(dòng)的方向 1 差動(dòng)整流電路當(dāng)f點(diǎn)為 e點(diǎn)為 則電流路徑是fgdche 當(dāng)f點(diǎn)為 e點(diǎn)為 則電流路徑是ehdcgf e1 R R c a b h f d e USC 銜鐵在零位以下 eab t t t eab t t t eab t ecd t USC t ecd USC USC ecd 銜鐵在零位以上 銜鐵在零位 2 相敏檢波電路容易做到輸出平衡 便于阻抗匹配 圖中調(diào)制電壓er和e同頻 經(jīng)過(guò)移相器使er和e保持同相或反相 且滿足er e 調(diào)節(jié)電位器R可調(diào)平衡 圖中電阻R1 R2 R0 電容C1 C2 C0 輸出電壓為UCD 當(dāng)鐵芯在中間時(shí) e 0 只有er起作用 輸出電壓UCD 0 若鐵芯上移 e 0 設(shè)e和er同相位 由于er e 故er正半周時(shí)D1 D2仍導(dǎo)通 但D1回路內(nèi)總電勢(shì)為er e 而D2回路內(nèi)總電勢(shì)為er e 故回路電流i1 i2輸出電壓UCD R0 i1 i2 0 當(dāng)er負(fù)半周時(shí) UCD R0 i4 i3 0 因此鐵芯上移時(shí)輸出電壓UCD 0 當(dāng)鐵芯下移時(shí) e和er相位相反 同理可得UCD 0 由此可見 該電路能判別鐵芯移動(dòng)的方向 4 2 4應(yīng)用可用于測(cè)量振動(dòng) 厚度 應(yīng)變 壓力 加速度等各種物理量 1 差動(dòng)變壓器式加速度傳感器用于測(cè)定振動(dòng)物體的頻率和振幅時(shí)其激磁頻率必須是振動(dòng)頻率的十倍以上 才能得到精確的測(cè)量結(jié)果 可測(cè)量的振幅為 0 1 5 mm 振動(dòng)頻率為 0 150 Hz 穩(wěn)壓電源 振蕩器 檢波器 濾波器 b a 220V 加速度a方向 a 輸出 1 2 1 1彈性支承2差動(dòng)變壓器 2 微壓力變送器將差動(dòng)變壓器和彈性敏感元件 膜片 膜盒和彈簧管等 相結(jié)合 可以組成各種形式的壓力傳感器 220V 1接頭2膜盒3底座4線路板5差動(dòng)變壓器6銜鐵7罩殼 V 振蕩器 穩(wěn)壓電源 差動(dòng)變壓器 相敏檢波電路 1 2 3 4 5 6 7 這種變送器可分檔測(cè)量 5 105 6 105 N m2壓力 輸出信號(hào)電壓為 0 50 mV 精度為1 5級(jí) 4 3電渦流式傳感器當(dāng)導(dǎo)體置于交變磁場(chǎng)或在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí) 導(dǎo)體上引起感生電流ie 此電流在導(dǎo)體內(nèi)閉合 稱為渦流 渦流大小與導(dǎo)體電阻率 磁導(dǎo)率 以及產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的線圈與被測(cè)體之間距離x 線圈激勵(lì)電流的頻率f有關(guān) 顯然磁場(chǎng)變化頻率愈高 渦流的集膚效應(yīng)愈顯著 即渦流穿透深度愈小 其穿透深度h可表示 導(dǎo)體電阻率 cm r 導(dǎo)體相對(duì)磁導(dǎo)率 f 交變磁場(chǎng)頻率 Hz 可見 渦流穿透深度h和激勵(lì)電流頻率f有關(guān) 所以渦流傳感器根據(jù)激勵(lì)頻率 高頻反射式或低頻透射式兩類 目前高頻反射式電渦流傳感器應(yīng)用廣泛 一 結(jié)構(gòu)和工作原理主要由一個(gè)安置在框架上的扁平圓形線圈構(gòu)成 此線圈可以粘貼于框架上 或在框架上開一條槽溝 將導(dǎo)線繞在槽內(nèi) 下圖為CZF1型渦流傳感器的結(jié)構(gòu)原理 它采取將導(dǎo)線繞在聚四氟乙烯框架窄槽內(nèi) 形成線圈的結(jié)構(gòu)方式 1 2 3 4 5 6 1線圈2框架3襯套4支架5電纜6插頭 當(dāng)被測(cè)體與傳感器間的距離d改變時(shí) 傳感器的Q值和等效阻抗Z 電感L均發(fā)生變化 于是把位移量轉(zhuǎn)換成電量 低頻投射式和高頻反射式動(dòng)畫 4 4電感式傳感器的典型應(yīng)用 4 4 1位移測(cè)量 induNCDT系列位移傳感器如圖是induNCDT系列位移傳感器的外形圖 它主要用于位移 振動(dòng) 轉(zhuǎn)速測(cè)量 傳感器的前置放大器被集成安裝在傳感器殼體里 其輸出信號(hào)與測(cè)量位移成正比 在傳感器測(cè)量量程內(nèi)線性精度優(yōu)于 2 induNCDT系列位移傳感器的外形圖 4 4 2振動(dòng)檢測(cè) RS9300低頻振動(dòng)速度傳感器RS9300低頻振動(dòng)傳感器屬于慣性式傳感器 利用磁電感應(yīng)原理把振動(dòng)信號(hào)變換成電信號(hào) 主要由磁路系統(tǒng) 慣性質(zhì)量 彈簧阻尼