第4章(電感式傳感器).ppt

第4章電感式傳感器 4 1變磁阻式傳感器4 2差動(dòng)變壓器式傳感器4 3電渦流式傳感器 電感式傳感器的工作基礎(chǔ) 電磁感應(yīng)即利用線圈電感或互感的改變來實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量 分為變磁阻式 變壓器式 渦流式等特點(diǎn) 工作可靠 壽命長(zhǎng)靈敏度高 分辨力高精度高 線性好性能穩(wěn)定 重復(fù)性好 4 1變磁阻式傳感器 自感式 4 1 1工作原理變磁阻式傳感器由線圈 鐵芯和銜鐵三部分組成 鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料制成 在鐵芯和銜鐵之間有氣隙 傳感器的運(yùn)動(dòng)部分與銜鐵相連 當(dāng)銜鐵移動(dòng)時(shí) 氣隙厚度 發(fā)生改變 引起磁路中磁阻變化 從而導(dǎo)致電感線圈的電感值變化 因此只要能測(cè)出這種電感量的變化 就能確定銜鐵位移量的大小和方向 線圈中電感量可由下式確定 根據(jù)磁路歐姆定律 式中 Rm為磁路總磁阻 4 1 4 2 氣隙很小 可以認(rèn)為氣隙中的磁場(chǎng)是均勻的 若忽略磁路磁損 則磁路總磁阻為 4 3 通常氣隙磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻 即 4 4 則式 4 3 可寫為 4 5 聯(lián)立式 4 1 式 4 2 及式 4 5 可得 4 6 上式表明 當(dāng)線圈匝數(shù)為常數(shù)時(shí) 電感L僅僅是磁路中磁阻Rm的函數(shù) 改變 或A0均可導(dǎo)致電感變化 因此變磁阻式傳感器又可分為變氣隙厚度 的傳感器和變氣隙面積A0的傳感器 目前使用最廣泛的是變氣隙厚度式電感傳感器 4 1 2輸出特性L與 之間是非線性關(guān)系 特性曲線如圖5 2所示 圖4 2變隙式電壓傳感器的L 特性 分析 當(dāng)銜鐵處于初始位置時(shí) 初始電感量為 4 7 當(dāng)銜鐵上移 時(shí) 傳感器氣隙減小 即 0 則此時(shí)輸出電感為 4 8 當(dāng) 0 1時(shí) 臺(tái)勞級(jí)數(shù) 4 9 可求得電感增量 L和相對(duì)增量 L L0的表達(dá)式 即 4 10 4 11 同理 當(dāng)銜鐵隨被測(cè)體的初始位置向下移動(dòng) 時(shí) 有 4 12 4 13 對(duì)式 4 11 4 13 作線性處理 即忽略高次項(xiàng)后 可得 4 14 靈敏度為 可見 變間隙式電感傳感器的測(cè)量范圍與靈敏度及線性度相矛盾 因此變隙式電感式傳感器適用于測(cè)量微小位移的場(chǎng)合 4 15 與 銜鐵上移切線斜率變大 銜鐵下移切線斜率變小 與線性度 銜鐵上移 銜鐵下移 無論上移或下移 非線性都將增大 差動(dòng)變隙式電感傳感器 為了減小非線性誤差 實(shí)際測(cè)量中廣泛采用差動(dòng)變隙式電感傳感器 銜鐵上移 兩個(gè)線圈的電感變化量 L1 L2分別由式 4 10 及式 4 12 表示 差動(dòng)傳感器電感的總變化量 L L1 L2 具體表達(dá)式為 對(duì)上式進(jìn)行線性處理 即忽略高次項(xiàng)得 靈敏度K0為 比較單線圈式和差動(dòng)式 差動(dòng)式變間隙電感傳感器的靈敏度是單線圈式的兩倍 差動(dòng)式的非線性項(xiàng) 忽略高次項(xiàng) 單線圈的非線性項(xiàng) 忽略高次項(xiàng) 由于 0 1 因此 差動(dòng)式的線性度得到明顯改善 4 1 3測(cè)量電路電感式傳感器的測(cè)量電路有交流電橋式 變壓器式交流電橋以及諧振式等 1 交流電橋式測(cè)量電路 當(dāng)銜鐵下移時(shí) 變壓器式交流電橋 2 變壓器式交流電橋 電橋兩臂Z1 Z2為傳感器線圈阻抗 另外兩橋臂為交流變壓器次級(jí)線圈的1 2阻抗 當(dāng)負(fù)載阻抗為無窮大時(shí) 橋路輸出電壓 當(dāng)傳感器的銜鐵處于中間位置 即Z1 Z2 Z 此時(shí)有 電橋平衡 當(dāng)傳感器銜鐵上移 如Z1 Z Z Z2 Z Z 4 25 當(dāng)傳感器銜鐵下移 如Z1 Z Z Z2 Z Z 此時(shí) 4 26 可知 銜鐵上下移動(dòng)相同距離時(shí) 輸出電壓相位相反 大小隨銜鐵的位移而變化 由于是交流電壓 輸出指示無法判斷位移方向 必須配合相敏檢波電路來解決 3 諧振式測(cè)量電路分為 諧振式調(diào)幅電路和諧振式調(diào)頻電路 調(diào)幅電路特點(diǎn) 此電路靈敏度很高 但線性差 適用于線性度要求不高的場(chǎng)合 調(diào)頻電路 振蕩頻率 當(dāng)L變化時(shí) 振蕩頻率隨之變化 根據(jù)f的大小即可測(cè)出被測(cè)量的值 具有嚴(yán)重的非線性關(guān)系 4 1 4變磁阻式傳感器的應(yīng)用 變隙電感式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖 當(dāng)壓力進(jìn)入膜盒時(shí) 膜盒的頂端在壓力P的作用下產(chǎn)生與壓力P大小成正比的位移 于是銜鐵也發(fā)生移動(dòng) 從而使氣隙發(fā)生變化 流過線圈的電流也發(fā)生相應(yīng)的變化 電流表A的指示值就反映了被測(cè)壓力的大小 當(dāng)被測(cè)壓力進(jìn)入C形彈簧管時(shí) C形彈簧管產(chǎn)生變形 其自由端發(fā)生位移 帶動(dòng)與自由端連接成一體的銜鐵運(yùn)動(dòng) 使線圈1和線圈2中的電感發(fā)生大小相等 符號(hào)相反的變化 即一個(gè)電感量增大 另一個(gè)電感量減小 電感的這種變化通過電橋電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出 由于輸出電壓與被測(cè)壓力之間成比例關(guān)系 所以只要用檢測(cè)儀表測(cè)量出輸出電壓 即可得知被測(cè)壓力的大小 變隙式差動(dòng)電感壓力傳感器 4 2差動(dòng)變壓器式傳感器 互感式 把被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感變化的傳感器稱為互感式傳感器 這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的 并且次級(jí)繞組用差動(dòng)形式連接 故稱差動(dòng)變壓器式傳感器 差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)形式 變隙式 變面積式和螺線管式等 在非電量測(cè)量中 應(yīng)用最多的是螺線管式差動(dòng)變壓器 它可以測(cè)量1 100mm機(jī)械位移 并具有測(cè)量精度高 靈敏度高 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 性能可靠等優(yōu)點(diǎn) 4 2 1變隙式差動(dòng)變壓器1 工作原理假設(shè) 初級(jí)繞組W1a W1b W1 次級(jí)繞組和W2a W2b W2 兩個(gè)初級(jí)繞組的同名端順向串聯(lián) 兩個(gè)次級(jí)繞組的同名端則反相串聯(lián) 2 輸出特性在忽略鐵損 即渦流與磁滯損耗忽略不計(jì) 漏感以及變壓器次級(jí)開路 或負(fù)載阻抗足夠大 的條件下 等效電路 r1a與L1a r1b與L1b r2a與L2a r2b與L2b 分別為W1a W1b W2a W2b繞阻的直流電阻與電感 上式表明 變壓器輸出電壓Uo與銜鐵位移量 0成正比 號(hào)的意義 當(dāng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí) 0定義為正 變壓器輸出電壓Uo與輸入電壓Ui反相 相位差180 而當(dāng)銜鐵向下移動(dòng)時(shí) 0則為 0 表明Uo與Ui同相 圖4 12所示為變隙式差動(dòng)變壓器輸出電壓Uo與位移 的關(guān)系曲線 變隙式差動(dòng)變壓器靈敏度K的表達(dá)式為 變隙式差動(dòng)變壓器輸出特性 分析結(jié)論 首先 供電電源Ui要穩(wěn)定 獲取穩(wěn)定的輸出特性 其次 電源幅值的適當(dāng)提高可以提高靈敏度K值 但要以變壓器鐵芯不飽和以及允許溫升為條件 增加W2 W1的比值和減小 0都能使靈敏度K值提高 W2 W1影響變壓器的體積及零點(diǎn)殘余電壓 一般選擇傳感器的 0為0 5mm 以上分析的結(jié)果是在忽略鐵損和線圈中的分布電容等條件下得到的 如果考慮這些影響 將會(huì)使傳感器性能變差 靈敏度降低 非線性加大等 但是 在一般工程應(yīng)用中是可以忽略的 以上結(jié)果是在假定工藝上嚴(yán)格對(duì)稱的前提下得到的 而實(shí)際上很難做到這一點(diǎn) 因此傳感器實(shí)際輸出特性存在零點(diǎn)殘余電壓 Uo 變壓器副邊開路的條件對(duì)由電子線路構(gòu)成的測(cè)量電路來講容易滿足 但如果直接配接低輸入阻抗電路 須考慮變壓器副邊電流對(duì)輸出特性的影響 4 2 2螺線管式差動(dòng)變壓器1 工作原理 兩個(gè)次級(jí)線圈反相串聯(lián) 并且在忽略鐵損 導(dǎo)磁體磁阻和線圈分布電容的理想條件下 其等效電路 當(dāng)初級(jí)繞組加以激勵(lì)電壓U時(shí) 根據(jù)變壓器的工作原理 在兩個(gè)次級(jí)繞組W2a和W2b中便會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)E2a和E2b 如果工藝上保證變壓器結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱 則當(dāng)活動(dòng)銜鐵處于初始平衡位置時(shí) 必然會(huì)使兩互感系數(shù)M1 M2 根據(jù)電磁感應(yīng)原理 將有E2a E2b 由于變壓器兩次級(jí)繞組反相串聯(lián) 因而Uo E2a E2b 0 即差動(dòng)變壓器輸出電壓為零 當(dāng)活動(dòng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí) 由于磁阻的影響 W2a中磁通將大于W2b 使M1 M2 因而E2a增加 而E2b減小 反之 E2b增加 E2a減小 因?yàn)閁o E2a E2b 所以當(dāng)E2a E2b隨著銜鐵位移x變化時(shí) Uo也必將隨x而變化 當(dāng)銜鐵位于中心位置時(shí) 差動(dòng)變壓器輸出電壓并不等于零 我們把差動(dòng)變壓器在零位移時(shí)的輸出電壓稱為零點(diǎn)殘余電壓 記作 Uo 它的存在使傳感器的輸出特性不經(jīng)過零點(diǎn) 造成實(shí)際特性與理論特性不完全一致 零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生原因 主要是由傳感器的兩次級(jí)繞組的電氣參數(shù)和幾何尺寸不對(duì)稱 以及磁性材料的非線性等引起的 零點(diǎn)殘余電壓的波形十分復(fù)雜 主要由基波和高次諧波組成 基波產(chǎn)生的主要原因是 傳感器的兩次級(jí)繞組的電氣參數(shù) 幾何尺寸不對(duì)稱 導(dǎo)致它們產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)幅值不等 相位不同 因此不論怎樣調(diào)整銜鐵位置 兩線圈中感應(yīng)電勢(shì)都不能完全抵消 高次諧波 主要是三次諧波 產(chǎn)生原因 是磁性材料磁化曲線的非線性 磁飽和 磁滯 零點(diǎn)殘余電壓一般在幾十毫伏以下 在實(shí)際使用時(shí) 應(yīng)設(shè)法減小Ux 否則將會(huì)影響傳感器的測(cè)量結(jié)果 2 基本特性根據(jù)差動(dòng)變壓器等效電路 當(dāng)次級(jí)開路時(shí) 根據(jù)電磁感應(yīng)定律 次級(jí)繞組中感應(yīng)電勢(shì)的表達(dá)式分別為 由于次級(jí)兩繞組反相串聯(lián) 且考慮到次級(jí)開路 則由以上關(guān)系可得 上式說明 當(dāng)激磁電壓的幅值U和角頻率 初級(jí)繞組的直流電阻r1及電感L1為定值時(shí) 差動(dòng)變壓器輸出電壓僅僅是初級(jí)繞組與兩個(gè)次級(jí)繞組之間互感之差的函數(shù) 只要求出互感M1和M2對(duì)活動(dòng)銜鐵位移x的關(guān)系式 可得到螺線管式差動(dòng)變壓器的基本特性表達(dá)式 輸出電壓的有效值為 分析 活動(dòng)銜鐵處于中間位置時(shí) M1 M2 M 故 Uo 0 活動(dòng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí) M1 M M M2 M M 故 活動(dòng)銜鐵向下移動(dòng)時(shí) M1 M M M2 M M 故 3 差動(dòng)變壓器式傳感器測(cè)量電路問題 1 差動(dòng)變壓器的輸出是交流電壓 用交流電壓表測(cè)量 只能反映銜鐵位移的大小 不能反映移動(dòng)的方向 2 測(cè)量值中將包含零點(diǎn)殘余電壓 為了達(dá)到能辨別移動(dòng)方向和消除零點(diǎn)殘余電壓的目的 實(shí)際測(cè)量時(shí) 常常采用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路 1 差動(dòng)整流電路這種電路是把差動(dòng)變壓器的兩個(gè)次級(jí)輸出電壓分別整流 然后將整流的電壓或電流的差值作為輸出 從圖 c 電路結(jié)構(gòu)可知 不論兩個(gè)次級(jí)線圈的輸出瞬時(shí)電壓極性如何 流經(jīng)電容C1的電流方向總是從2到4 流經(jīng)電容C2的電流方向總是從6到8 故整流電路的輸出電壓為 2 相敏檢波電路輸入信號(hào)u2 差動(dòng)變壓器式傳感器輸出的調(diào)幅波電壓 通過變壓器T1加到環(huán)形電橋的一個(gè)對(duì)角線上 參考信號(hào)us通過變壓器T2加到環(huán)形電橋的另一個(gè)對(duì)角線上 輸出信號(hào)uo從變壓器T1與T2的中心抽頭引出 平衡電阻R起限流作用 以避免二極管導(dǎo)通時(shí)變壓器T2的次級(jí)電流過大 RL為負(fù)載電阻 us的幅值要遠(yuǎn)大于輸入信號(hào)u2的幅值 以便有效控制四個(gè)二極管的導(dǎo)通狀態(tài) 且us和差動(dòng)變壓器式傳感器激磁電壓u1由同一振蕩器供電 保證二者同頻同相 或反相 根據(jù)變壓器的工作原理 考慮到O M分別為變壓器T1 T2的中心抽頭 則 采用電路分析的基本方法 當(dāng)u0與uy 均為負(fù)半周時(shí) 二極管VD2 VD3截止 VD1 VD4導(dǎo)通 輸出電壓uo表達(dá)式相同 說明只要位移 x 0 不論u0與uy 是正半周還是負(fù)半周 負(fù)載電阻RL兩端得到的電壓始終為正 當(dāng) x 0時(shí) u0與uy 為同頻反相 不論u0與uy 是正半周還是負(fù)半周 負(fù)載電阻RL兩端得到的輸出電壓表達(dá)式總是為 4 差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用可直接用于位移測(cè)量 也可以測(cè)量與位移有關(guān)的任何機(jī)械量 如振動(dòng) 加速度 應(yīng)變 比重 張力和厚度等 電感式滾珠直徑分選裝置實(shí)現(xiàn)按滾珠直徑大小分類并計(jì)數(shù) 差動(dòng)變壓器式加速度傳感器原理圖 差動(dòng)變壓器式加速度傳感器 由懸臂梁和差動(dòng)變壓器構(gòu)成 測(cè)量時(shí) 將懸臂梁底座及差動(dòng)變壓器的線圈骨架固定 而將銜鐵的A端與被測(cè)振動(dòng)體相連 此時(shí)傳感器作為加速度測(cè)量中的慣性元件 它的位移與被測(cè)加速度成正比 使加速度測(cè)量轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰频臏y(cè)量 當(dāng)被測(cè)體帶動(dòng)銜鐵以 x t 振動(dòng)時(shí) 導(dǎo)致差動(dòng)變壓器的輸出電壓也按相同規(guī)律變化 4 3電渦流式傳感器 互感式 4 3 1工作原理 電渦流式傳感器原理圖 a 傳感器激勵(lì)線圈 b 被測(cè)金屬導(dǎo)體 根據(jù)法拉第定律 當(dāng)傳感器線圈通以正弦交變電流I1時(shí) 線圈周圍空間必然產(chǎn)生正弦交變磁場(chǎng)H1 使置于此磁場(chǎng)中的金屬導(dǎo)體中感應(yīng)電渦流I2 I2又產(chǎn)生新的交變磁場(chǎng)H2 根據(jù)愣次定律 H2的作用將反抗原磁場(chǎng)H1 由于磁場(chǎng)H2的作用 渦流要消耗一部分能量 導(dǎo)致傳感器線圈的等效阻抗發(fā)生變化 線圈阻抗的變化完全取決于被測(cè)金屬導(dǎo)體的電渦流效應(yīng) 式中 r為線圈與被測(cè)體的尺寸因子 測(cè)量方法 如果保持上式中其它參數(shù)不變 而只改變其中一個(gè)參數(shù) 傳感器線圈阻抗Z就僅僅是這個(gè)參數(shù)的單值函數(shù) 通過與傳感器配用的測(cè)量電路測(cè)出阻抗Z的變化量 即可實(shí)現(xiàn)對(duì)該參數(shù)的測(cè)量 Z F r f x 傳感器線圈受電渦流影響時(shí)的等效阻抗Z的函數(shù)關(guān)系式為 4 3 2基本特性 電渦流式傳感器簡(jiǎn)化模型 電渦流傳感器簡(jiǎn)化模型中 把在被測(cè)金屬導(dǎo)體上形成的電渦流等效成一個(gè)短路環(huán) 即假設(shè)電渦流僅分布在環(huán)體之內(nèi) 模型中h 電渦流的貫穿深度 可由下式求得 式中 f為線圈激磁電流的頻率 電渦流式傳感器等效電路圖 根據(jù)簡(jiǎn)化模型 可畫出等效電路圖 圖中R2為電渦流短路環(huán)等效電阻 其表達(dá)式為 根據(jù)基爾霍夫第二定律 可列出如下方程 解得等效阻抗Z的表達(dá)式為 線圈的等效品質(zhì)因數(shù)Q值為 可見 因渦流效應(yīng) 線圈的品質(zhì)因素Q下降 4 3 3電渦流傳感器測(cè)量電路主要有調(diào)頻式 調(diào)幅式電路兩種 1 調(diào)頻式電路 傳感器線圈接入LC振蕩回路 當(dāng)傳感器與被測(cè)導(dǎo)體距離x改變時(shí) 在渦流影響下 傳感器的電感變化 將導(dǎo)致振蕩頻率的變化 該變化的頻率是距離x的函數(shù) 即f L x 該頻率可由數(shù)字頻率計(jì)直接測(cè)量 或者通過f V變換 用數(shù)字電壓表測(cè)量對(duì)應(yīng)的電壓 振蕩器的頻率為 為了避免輸出電纜的分布電容的影響 通常將L C裝在傳感器內(nèi) 此時(shí)電纜分布電容并聯(lián)在大電容C2 C3上 因而對(duì)振蕩頻率f的影響將大大減小 2 調(diào)幅式電路由傳感器線圈L 電容器C和石英晶體組