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測量電路4 2 4差動變壓器的應(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 位移測量 2 振動測量 3 連續(xù)油管的橢圓度測量 4 電感式滾柱直徑分選裝置 5 無損探傷 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量電路熟悉差動變壓器的工作原理了解差動變壓器的測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 圖中點劃線表示磁路 磁路中空氣隙總長度為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 因為氣隙較小 l 為0 1 1mm 所以 認為氣隙磁場是均勻的 若忽略磁路鐵損 則磁路總磁阻為l1 鐵芯磁路總長 l2 銜鐵的磁路長 S 隙磁通截面積 S1 鐵芯橫截面積 S2 銜鐵橫截面積 1 鐵芯磁導率 2 銜鐵磁導率 0 真空磁導率 0 4 10 7H m l 空氣隙總長 由磁路基本知識知 線圈自感為 簡化得 2 特性分析主要特性 靈敏度和線性度 若忽略高次項 則自感變化靈敏度為 結(jié)論 當氣隙l 發(fā)生變化時 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 差動變隙式電感傳感器 當銜鐵向上移動時 兩個線圈的電感變化量 L1 L2 對上式進行線性處理 即忽略高次項得 靈敏度k0為 結(jié)論 1 差動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 差動式是忽略以上高次項 因此差動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 因鐵芯在線圈中伸入長度的變化 引起螺管線圈自感值的變化 當用恒流源激勵時 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 差動螺旋管式自感傳感器 b 磁場分布曲線 x l a a 結(jié)構(gòu)示意圖 結(jié)論 1 為了得到較好的線性 鐵芯長度取0 6l時 則鐵芯工作在H曲線的拐彎處 此時H變化小 特點 這種差動螺管式自感傳感器的測量范圍為 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測量電路1 交流電橋交流電橋是自感傳感器的主要測量電路 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是負載阻抗 工作時 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副邊 當負載阻抗為無窮大時 流入工作臂的電流為 變壓器電橋的輸出電壓幅值 優(yōu)點 與電阻平衡電橋相比 元件少 輸出阻抗小 橋路開路時電路呈線性 缺點 變壓器副邊不接地 易引起來自原邊的靜電感應(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滾珠導軌8測桿9密封件10瑪瑙測端 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差動變壓器4 2 1結(jié)構(gòu)原理與等效電路分氣隙型和差動變壓器兩種 目前多采用螺管型差動變壓器 1初級線圈 2 3次級線圈 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 初級線圈 次級線圈和線圈框架等 e2 R21 R22 e21 e22 e1 R1 M1 M2 L21 L22 L1 e1初級線圈激勵電壓L1 R1初級線圈電感和電阻M1 M1分別為初級與次級線圈1 2間的互感L21 L22兩個次級線圈的電感R21 R22兩個次級線圈的電阻 I1 根據(jù)原理圖可得 在次級線圈中感應(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 差動變壓器輸出電勢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 激勵電壓幅值與頻率的影響激勵電源電壓幅值的波動 會使線圈激勵磁場的磁通發(fā)生變化 直接影響輸出電勢 而頻率的波動 只要適當?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 引起線圈及導磁體磁導率的變化 從而使線圈磁場發(fā)生變化產(chǎn)生溫度漂移 當線圈品質(zhì)因數(shù)較低時 影響更為嚴重 因此 采用恒流源激勵比恒壓源激勵有利 適當提高線圈品質(zhì)因數(shù)并采用差動電橋可以減少溫度的影響 3 零點殘余電壓當差動變壓器的銜鐵處于中間位置時 理想條件下其輸出電壓為零 但實際上 當使用橋式電路時 在零點仍有一個微小的電壓值 從零點幾mV到數(shù)十mV 存在 稱為零點殘余電壓 如圖是擴大了的零點殘余電壓的輸出特性 零點殘余電壓的存在造成零點附近的不靈敏區(qū) 零點殘余電壓輸入放大器內(nèi)會使放大器末級趨向飽和 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為差動變壓器初級的激勵電壓 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測量電路用交流電壓表不能測得方向 因此常采用差動整流電路和相敏檢波電路進行測量 取得銜鐵位移的大小和移動的方向 1 差動整流電路當f點為 e點為 則電流路徑是fgdche 當f點為 e點為 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 當鐵芯在中間時 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D1 D2仍導通 但D1回路內(nèi)總電勢為er e 而D2回路內(nèi)總電勢為er e 故回路電流i1 i2輸出電壓UCD R0 i1 i2 0 當er負半周時 UCD R0 i4 i3 0 因此鐵芯上移時輸出電壓UCD 0 當鐵芯下移時 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的方向 4 2 4應(yīng)用可用于測量振動 厚度 應(yīng)變 壓力 加速度等各種物理量 1 差動變壓器式加速度傳感器用于測定振動物體的頻率和振幅時其激磁頻率必須是振動頻率的十倍以上 才能得到精確的測量結(jié)果 可測量的振幅為 0 1 5 mm 振動頻率為 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差動變壓器 2 微壓力變送器將差動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差動變壓器6銜鐵7罩殼 V 振蕩器 穩(wěn)壓電源 差動變壓器 相敏檢波電路 1 2 3 4 5 6 7 這種變送器可分檔測量 5 105 6 105 N m2壓力 輸出信號電壓為 0 50 mV 精度為1 5級 4 3電渦流式傳感器當導體置于交變磁場或在磁場中運動時 導體上引起感生電流ie 此電流在導體內(nèi)閉合 稱為渦流 渦流大小與導體電阻率 磁導率 以及產(chǎn)生交變磁場的線圈與被測體之間距離x 線圈激勵電流的頻率f有關(guān) 顯然磁場變化頻率愈高 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 導體電阻率 cm r 導體相對磁導率 f 交變磁場頻率 Hz 可見 渦流穿透深度h和激勵電流頻率f有關(guān) 所以渦流傳感器根據(jù)激勵頻率 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 當被測體與傳感器間的距離d改變時 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畫 4 4電感式傳感器的典型應(yīng)用 4 4 1位移測量 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 轉(zhuǎn)速測量 傳感器的前置放大器被集成安裝在傳感器殼體里 其輸出信號與測量位移成正比 在傳感器測量量程內(nèi)線性精度優(yōu)于 2 induNCDT系列位移傳感器的外形圖 4 4 2振動檢測 RS9300低頻振動速度傳感器RS9300低頻振動傳感器屬于慣性式傳感器 利用磁電感應(yīng)原理把振動信號變換成電信號 主要由磁路系統(tǒng) 慣性質(zhì)量 彈簧阻尼