電感式微位移傳感器講解

1、傳感器原理及應用課程考核論文題目電感式微位移傳感器分析及應用實例班級學號姓名成績 機械與汽車工程學院 機械電子工程系二零一四年五月1摘要2引言2一、電感式傳感器組成及原理3二、電感測頭的結(jié)構(gòu)11三、差動變壓器應用11四、電感式微位移傳感器應用實例12參考文獻234電感式微位移傳感器分析及應用實例摘要：隨著現(xiàn)代制造業(yè)的規(guī)模逐漸擴大，自動化程度愈來愈高。要保證產(chǎn)品質(zhì)量，對產(chǎn)品的檢測和質(zhì)量管理都提出了更高的要求。電感式微位移傳感器是一種分辨率極高、工作可靠、使用壽命很長的測 量儀器，應用于微位移測量已有比較長的歷史 本文主要對電感式微位移傳感器進行了系統(tǒng)性分析，闡 述了其物理效應、構(gòu)成、結(jié)構(gòu)、測量電

2、路、顯示裝置等基本內(nèi)容，并在網(wǎng)上對此傳感器進行了選型，結(jié) 合其產(chǎn)品手冊/使用說明書，詳細說明了此傳感器的用法，并進行了舉例說明。關(guān)鍵詞：電感式傳感器，相敏檢波，零點殘余電壓Abstract: With moder n manu facturi ng scale expa nds gradually, more and more high degree ofautomatio n. To en sure the quality of product, the product testi ng and quality man ageme nt areput forward higher requi

3、rements. Inductive micrometer is a kind of extremely high resolution,reliable operation, long service life measuring instrument, used in the micro displacement measurement has a long history. This article mainly has carried on the systematic analysis to inductanee displacement of weak, expounds the

4、physical effect,composition,structure, measuring circuit, display device, the basic content, and for the select ion of this sen sor on the n et, comb ined with its product manu als operati ng in struct ions, detailed the use of the sen sor, and an example was carried out.Key words : In ductive sen s

5、or, phase sen sitive detect ion, zero residual voltage引言電感式微位移傳感器又稱電感式測微儀是一種能夠測量微小尺寸變化的精密測量儀器，它由主體和測頭兩部分組成，配上相應的測量裝置（例如測量臺架等），能夠完成各種精密測量。例如，檢查工件的厚度、內(nèi)徑、外徑、橢圓度、平行度、直線度、徑向跳動等， 被廣泛應用于精密機械制造業(yè)、晶體管和集成電路制造業(yè)以及國防、科研、計量部門的精 密長度測量。主要的技術(shù)指標為測量范圍：0 30卩m檔及0 500卩m檔。示值誤差： 0土 30卩m檔為0.1卩m0 500卩m檔為1卩分辨率：0 30卩m檔為0.01卩m,0

6、 500m 檔為0.1卩極性：當測量值為負時，自動顯示“-”；為正時，無極性符號。一、電感式傳感器組成及原理電感式傳感器是利用線圈自感或互感的變化來實現(xiàn)測量的一種裝置，可以用來測量位 移、振動、壓力、流量、重量、力矩和應變等多種物理量。電感式傳感器的核心部分是可 變自感或可變互感，在被測量轉(zhuǎn)換成線圈自感或互感的變化時，一般要利用磁場作為媒介 或利用鐵磁體的某些現(xiàn)象。這類傳感器的主要特征是具有繞組。電感式傳感器的優(yōu)點 結(jié)構(gòu)簡單、可靠。分辨率高。能測量0.1卩m的機械位移， 甚至更小；能感受0.1角秒的微小角位移。 輸出信號強，電壓靈敏度可達數(shù)百 mV/mm= 重復性好，線性度優(yōu)良在幾十 卩m到數(shù)

7、百mm的位移范圍內(nèi)，輸出特性的線性度較好，且比 較穩(wěn)定。 能實現(xiàn)遠距離傳輸、記錄、顯示和控制。電感式傳感器的不足：存在交流零位 信號，不宜咼頻動態(tài)測量。電感式傳感器種類很多。根據(jù)轉(zhuǎn)換原理不同，可分為自感式和互感式兩種；根據(jù)結(jié)構(gòu)形 式不同，可分為氣隙型和螺管型兩種?，F(xiàn)在市場上的電感式測微儀多采用差動變壓器式結(jié)構(gòu)，故這里只針對差動式變壓器進行 說明。（一）結(jié)構(gòu)原理與等效電路差動變壓器的結(jié)構(gòu)形式如圖所示，它分為氣隙型和螺管型兩種形式。氣隙型差動變壓器 由于行程小，且結(jié)構(gòu)較復雜，因此目前已很少采用，而大多數(shù)采用螺管型差動變壓器。下（a）氣隙型（b）螺管型1-初級線圈2、3-次級線圈4-銜鐵差動變壓器由

8、銜鐵、初級線圈、次級線圈和線圈骨架等組成。初級線圈作為差動變壓器 激勵用，相當于變壓器的原邊；次級線圈由兩個結(jié)構(gòu)尺寸和參數(shù)相同的相同線圈反相串接 而成，相當于變壓器的副邊。差動變壓器的工作原理類似變壓器的作用原理。一、二次繞組間的耦合能隨銜鐵的移動而變化，即繞組間的互感隨被測位移改變而變 化。由于在使用時采用兩個二次繞組反向串接，以差動方式輸出，所以把這種傳感器稱為 差動變壓器式電感傳感器，通常簡稱差動變壓器。差動變壓器工作在理想情況下（忽略渦流損耗、磁滯 損耗和分布電容 等影響），它 的等效電路 如圖所示。圖U1為一次繞組激勵電壓；Ml M2分別為一次繞組與兩個二次繞 組間的互感：L1、R1

9、分別為一次繞組的電感 和有效電阻；L21、L22分別為兩個二次繞組 的電感；R21、R22分別為兩個二次繞組的有交電阻。對于差動變壓器，當銜鐵處于中間位置時，兩個二次繞組互相同，因而由一次側(cè)激勵引起的感應電動勢相同。由于兩個二次繞組反向串接，所以差動輸出電動勢為零。當銜鐵移向二次繞組L21 一邊，這時互感M1大，M2/小，因而二次繞組L21內(nèi)感應電動 勢大于二次繞組L22內(nèi)感應電動勢，這時差動輸出電動勢不為零。在傳感器的是量程內(nèi)， 銜動移越大，差動輸出電動勢就越大。同樣道理，當銜鐵向二次繞組L22 邊移動差動輸出電動勢仍不為零，但由于移動方 向改變，所以輸出電動勢反相。因此通過差動變壓器輸出電

10、動勢的大小和相位可以知道銜鐵位移量的大小和方向 由圖422可以看出一次繞組的電流為：770& 二次繞組的感應動勢為:亂=-由于二次繞組反向串接，所以輸出總電動勢為：耐V】其有效值為：差動變壓器輸出電勢e與銜鐵位移x的關(guān)系如圖所示，其中x表示銜鐵偏離中心位置 的距離。差動變壓器輸出特性曲線（二）線性度與靈敏度（1）線性度。差動變壓器的線性范圍受到螺管線圈軸向磁場不均勻的影響?？亢侠淼?設(shè)計保證所要求的線性范圍和線性度。（2）靈敏度。差動變壓器的靈敏度是指銜鐵移動單位位移時所產(chǎn)生的輸出電勢的變化，可用mV/mn來表示；在實用中考慮到激勵電壓的影響，還常用mV/mm八來表示，即銜鐵單位位移所產(chǎn)生的電

11、勢變化除以激勵電壓值。差動變壓器靈敏度的高低與初級電壓、次級繞組匝數(shù)和激勵電壓的頻率有關(guān)： 與次級匝數(shù)的關(guān)系次級匝數(shù)增加，靈敏度增加，二者呈線性關(guān)系。但是次級匝數(shù)不能無限制增加，因為 差動變壓器零點殘余電壓也隨之變大。 初級電壓靈敏度與初級電壓成正比關(guān)系，但初級電壓也不能過大，過大時會使差動變壓器線圈 發(fā)熱而引起輸出信號漂移，一般采用 38V。 激勵電源頻率在頻率很低時，靈敏度隨頻率增加而增加；當頻率升高，線圈的感抗大大高于其電阻 時，靈敏度與頻率無關(guān)；當頻率超過某一數(shù)值時（該值因銜鐵材料而不同），由于高頻時 導線的集膚效應使導線有效電阻增加，銜鐵的渦流損耗及磁滯損耗增加，使輸出下降。圖 2-

12、1是某種導磁材料輸入頻率與靈敏度的關(guān)系，可供選擇激勵頻率時參考。80040024200 7LkHz0 11111246810差動變壓器的激磁頻率與靈敏度的關(guān)系（三）差動變壓器的誤差因素分析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

13、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。圖中el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。瓦殘余電壓的波形零點殘余電壓產(chǎn)生原因: 基波分量。由于差動變壓器兩個次級繞組不可能完全一致，因此它的等效電路參 數(shù)（互感M自感L及損耗電阻R）不可能相同，從而使兩個次級繞組的感

14、應電勢數(shù)值 不等。又因初級線圈中銅損電阻及導磁材料的鐵損和材質(zhì)的不均勻，線圈匝間電容的存 在等因素，使激勵電流與所產(chǎn)生的磁通相位不同。 高次諧波。高次諧波分量主要由導磁材料磁化曲線的非線性引起。由于磁滯損耗 和鐵磁飽和的影響，使得激勵電流與磁通波形不一致產(chǎn)生了非正弦 （主要是三次諧波）磁 通，從而在次級繞組感應出非正弦電勢。另外，激勵電流波形失真，因其內(nèi)含高次諧波 分量，這樣也將導致零點殘余電壓中有高次諧波成分。消除零點殘余電壓方法：1、從設(shè)計和工藝上保證結(jié)構(gòu)對稱性為保證線圈和磁路的對稱性，首先，要求提高加工精度，線圈選配成對，采用磁路 可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。其次，應選高磁導率、低矯頑力、低剩磁感應的導

15、磁材料。并應經(jīng)過熱處理， 消除殘余應力，以提高磁性能的均勻性和穩(wěn)定性。由高次諧波產(chǎn)生的因素可知，磁路工作 點應選在磁化曲線的線性段。2、選用合適的測量線路采用相敏檢波電路不僅可鑒別銜鐵移動方向，而且把銜鐵在中間位置時，因高次諧波 引起的零點殘余電壓消除掉。如圖，采用相敏檢波后銜鐵反行程時的特性曲線由1變到2,從而消除了零點殘余電壓。相敏檢波后的輸出特性3采用補償線路由于兩個次級線圈感應電壓相位不同，并聯(lián)電容可改變其一的相位，也可將電容C改為電阻，如圖（a）。由于R的分流作用將使流入傳感器線圈的電流發(fā)生變化，從而改變磁 化曲線的工作點，減小高次諧波所產(chǎn)生的殘余電壓。圖（b）中串聯(lián)電阻R可以調(diào)整次

16、級線圈的電阻分量調(diào)相位式殘余電壓補償電路并聯(lián)電位器W用于電氣調(diào)零，改變兩次級線圈輸出電壓的相位，如圖所示。電容C（0.02 卩F）可防止調(diào)整電位器時使零點移動。電位器調(diào)零點殘余電壓補償電路 接入R0（幾百k Q）或補償線圈L0（幾百匝）。繞在差動變壓器的初級線圈上以減小負 載 電壓，避免負載不是純電阻而引起較大的零點殘余電壓。電路如圖。4R或L補償電路（四）測量電路差動變壓器的輸出電壓為交流，它與銜鐵位移成正比。用交流電壓表測量其輸出值只 能反映銜鐵位移的大小，不能反映移動的方向，因此常采用差動整流電路和相敏檢波電路 進行測量。圖示是二極管相敏檢波電路。差動電感式傳感器的兩個線圈作為交流電橋相

17、鄰的兩個 工作臂，指示儀表是中心為零刻度的直流電壓表或數(shù)字電壓表。這種電路容易做到輸出平 衡，而且便于阻抗匹配。帶相敏整流的交流電橋設(shè)差動電感傳感器的線圈阻抗分別為 Z1和Z2。當銜鐵處于中間位置時，Z1=Z2=Z電 橋處于平衡狀態(tài)，C點電位等于D點地位，電表指示為零。當銜鐵上移，上部線圈阻抗增大， Z1=Z+ Z,則下部線圈阻抗減少，Z2=Z-A乙如果 輸入交流電壓為正半周，則 A點電位為正，B點電位為負，二極管VI、V4導通，V2、V3截 止。在A-E-C-B支路中，C點電位由于Z1增大而比平衡時的C點電位降低；而在A-F-D-B 支中中，D點電位由于Z2的降低而比平衡時D點的電位增高，所

18、以D點電位高于C點電位， 直流電壓表正向偏轉(zhuǎn)。如果輸入交流電壓為負半周，A點電位為負，B點電位為正，二極管V2、V3導通，VI、 V4截止，則在A-F-C-B支中中，C點電位由于Z2減少而比平衡時降低（平衡時，輸入電壓 若為負半周，即B點電位為正，A點電位為負，C點相對于B點為負電位，Z2減少時，C點 電位更負）；而在A-E-D-B支路中，D點電位由于Z1的增加而比平衡時的電位增高，所以仍然是D點電位高于C點電位，電壓表正向偏轉(zhuǎn)。同樣可以得出結(jié)果：當銜鐵下移時，電壓表總是反向偏轉(zhuǎn)，輸出為負?？梢姴捎脦嗝粽鞯慕涣麟姌颍敵鲂盘柤饶芊从澄灰拼笮∮帜芊从澄灰频姆较?。（五）電感式傳感器系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)電

19、感式測微儀硬件電路主要包括電感式傳感器、正弦波振蕩器、放大器、相敏檢波器 及單片機系統(tǒng)。正弦波振蕩器為電感式傳感器和相敏檢波器提供了頻率和幅值穩(wěn)定的激勵 電壓，正弦波振蕩器輸出的信號加到測量頭中由線圈和電位器組成的電感橋路上。工件的 微小位移經(jīng)電感式傳感器的測頭帶動兩線圈內(nèi)銜鐵移動，使兩線圈內(nèi)的電感量發(fā)生相對的 變化。當銜鐵處于兩線圈的中間位置時，兩線圈的電感量相等，電橋平衡。當測頭帶動銜 鐵上下移動時，若上線圈的電感量增加，下線圈的電感量則減少；若上線圈的電感量減少， 下線圈的電感量則增加。交流阻抗相應地變化，電橋失去平衡從而輸出了一個幅值與位移 成正比，頻率與振蕩器頻率相同，相位與位移方向

20、相對應的調(diào)制信號。此信號經(jīng)放大，由 相敏檢波器鑒出極性，得到一個與銜鐵位移相對應的直流電壓信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器輸入到單片機，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理進行顯示、傳輸、超差報警、統(tǒng)計分析等。電感測頭的結(jié)構(gòu)圖示是軸向式電感測頭的結(jié)構(gòu)圖。測頭10用螺釘擰在測桿8上，測桿8可在鋼球?qū)к?7上作軸向移動。測桿上端固定著銜鐵3。線圈4放在圓筒形磁心2中,兩線圈差動使用， 當銜鐵過零點上移時，上線圈電感量增加，下線圈電感量減少。兩線圈輸出由引線 1接至測 量電路。測量時，測頭10與被測物體接觸，當被測物體有微小位移時，測頭通過測桿8帶動 銜鐵3在電感線圈4中移動,使線圈電感值變化，通過引線接入測量電路。彈簧5產(chǎn)生的力,

21、保證測頭與被測物體有效地接觸。防轉(zhuǎn)銷 6限制測桿轉(zhuǎn)動，密封套9防止灰塵進入傳感器 內(nèi)部。電感測頭結(jié)構(gòu)圖三、差動變壓器應用位移測量是差動變壓器最主要的用途。凡是能夠變換成位移的物理量都可以用差動變壓器測量。注意，一般用差動變壓器測量都是接觸式的，在某些場合會影響被測對象的狀態(tài) （例如振動等），即所謂“負載效應”，這時須選用其他形式的傳感器，例如電渦流傳感 器。 它可以作為不少精密量儀的主要部件，如制成高精度電感比較儀，配上相應的測量 裝置，能對零件進行多種精密測量：長度、內(nèi)徑、外徑、不平行度、不平面度、不垂直度、 振擺、偏心、和橢圓度等。 作為軸承滾動體自動分選機的主要測量部件，可以分選大、小鋼

22、球，大、小圓柱， 大、小圓椎，滾針等。 用來測量各種零件的膨脹、伸長、應變、移動等。應用各類傳感器其位移測量范圍 可從土 3卩m到1000mn以上。 振動和加速度測量。利用差動變壓器加上懸臂梁彈性支承可以構(gòu)成測量振動的加速 度計。 壓力測量。差動變壓器和彈性敏感元件（膜片、膜盒、彈簧管等）相結(jié)合，可以組 成開環(huán)系統(tǒng)的壓力傳感器和閉環(huán)系統(tǒng)的力平衡式壓力計。四、電感式微位移傳感器應用實例這里選用深圳信為科技發(fā)展有限公司的 SDVB20M-5/直流LVDT位移傳感器作為應用實 例介紹。（一）產(chǎn)品介紹實物圖產(chǎn)品概述差動變壓器式位移傳感器（LVDT可廣泛應用于航天航空，機械，建筑，紡織，鐵路，煤炭，冶金

23、，塑料，化工以及科研院校等國民經(jīng)濟各行各業(yè)，用來測量伸長，振動,物體厚度,膨脹等的高技術(shù)產(chǎn)品。直流LVD具有優(yōu)良的性能，采用方便的單電源9-28V DC供電，電子電 路密封在304不銹鋼金屬管內(nèi)，可以在潮濕和灰塵等惡劣環(huán)境中工作，輸出信號為標準的可被 計算機或PLC使用的0-5V或4-20mA俞出。特點1外徑20mm不銹鋼304外殼,回彈式；2、內(nèi)置精密直線軸承，重復性好；3、探頭經(jīng) 過淬火處理，耐磨性好；4、直流單電源供電，內(nèi)置高性能信號解調(diào)器； 5、二線4-20mAt流 輸出，三線制電壓輸出0-10V。應用領(lǐng)域軸徑跳動檢測、紡織機械檢測、閥門位置檢測與控制、輥縫間隙測量、車輛制動裝置磨 損測量。性能參數(shù)SDVB20M-5A供電甩源15-29VDC工作電流電玨輸出娶供電電流芝12mA；二線4吃葉A電流輸出型L/DT,拱電電流4-2QmA位移呈程輸出信號0*10V, 4 -20mA統(tǒng)性誤差 0 25%FS童復逞差寒1pm動態(tài)特性3Hz工作溫度- +35 V溫度系數(shù)零點 0.01%/r靈敏度拓0衛(wèi)25%/匸安裝夾具尺寸252-05 10 R/L, R、L為次級線圈的損耗電阻與電感，即頻率f的高低應與鐵芯材料相匹配。同樣地，激勵幅值增加， 也可提高靈敏度，但激勵過大會產(chǎn)生負面影響，如線圈發(fā)熱、磁能飽和等等，致使零殘電壓 增大。因此，我們選擇激勵幅值為