第6章電感式傳感器學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1第第6章電感式傳感器章電感式傳感器第一頁(yè)，共52頁(yè)。各種各種( zhn)電感式傳感器電感式傳感器非接觸式位移傳感器測(cè)厚傳感器電感粗糙度儀接近式傳感器第1頁(yè)/共52頁(yè)第二頁(yè)，共52頁(yè)。第2頁(yè)/共52頁(yè)第三頁(yè)，共52頁(yè)。v 只要改變氣隙厚只要改變氣隙厚 度或氣隙截面積度或氣隙截面積 就可以改變電感。就可以改變電感。第3頁(yè)/共52頁(yè)第四頁(yè)，共52頁(yè)。線圈自感可按下式計(jì)算：線圈自感可按下式計(jì)算：式中：式中： N :線圈匝數(shù)線圈匝數(shù) ； Rm :磁路總磁阻；磁路總磁阻； S0 :氣隙的截面積；氣隙的截面積；氣隙厚度；氣隙厚度； 0 :導(dǎo)磁率（真空、空氣）導(dǎo)磁率（真空、空氣） 22002mNSNL

2、R第4頁(yè)/共52頁(yè)第五頁(yè)，共52頁(yè)。銜鐵位移銜鐵位移引起的電感變化為：引起的電感變化為：電感初始?xì)庀峨姼谐跏細(xì)庀短幊跏茧姼辛繛樘幊跏茧姼辛繛長(zhǎng)0 0 0LL0L0+L0L0L0第5頁(yè)/共52頁(yè)第六頁(yè)，共52頁(yè)。/ 1 1時(shí)，時(shí)，用泰勒級(jí)數(shù)展開用泰勒級(jí)數(shù)展開銜鐵銜鐵下移時(shí)下移時(shí)( (增大增大) ) 銜鐵銜鐵上移時(shí)上移時(shí)( (減小減小) ) 第6頁(yè)/共52頁(yè)第七頁(yè)，共52頁(yè)。對(duì)上式作線性處理忽略高次項(xiàng)時(shí)對(duì)上式作線性處理忽略高次項(xiàng)時(shí)討論：討論： 變間隙變間隙(jin x)(jin x)式電感傳感器用于小位移比較精確；式電感傳感器用于小位移比較精確； 一般一般/ = 0.1-0.2/ = 0.1-0.

3、2； 為減小非線性誤差，實(shí)際測(cè)量中多采用差動(dòng)式。為減小非線性誤差，實(shí)際測(cè)量中多采用差動(dòng)式。u靈敏度靈敏度 第7頁(yè)/共52頁(yè)第八頁(yè)，共52頁(yè)。v 差動(dòng)式原理：差動(dòng)式原理：v 差動(dòng)變隙式由兩個(gè)差動(dòng)變隙式由兩個(gè)(lin )(lin )相同的線圈和磁路組相同的線圈和磁路組成。當(dāng)被測(cè)量通過(guò)導(dǎo)桿使銜鐵上下位移時(shí)，兩個(gè)成。當(dāng)被測(cè)量通過(guò)導(dǎo)桿使銜鐵上下位移時(shí)，兩個(gè)(lin )(lin )回路中磁阻發(fā)生大小相等、方向相反的變化，形成差動(dòng)形回路中磁阻發(fā)生大小相等、方向相反的變化，形成差動(dòng)形式。式。第8頁(yè)/共52頁(yè)第九頁(yè)，共52頁(yè)。 對(duì)上式進(jìn)行線性處理并忽略高次項(xiàng)：對(duì)上式進(jìn)行線性處理并忽略高次項(xiàng)：v 差動(dòng)式靈敏度為：

4、差動(dòng)式靈敏度為： 電感的變化為：電感的變化為：第9頁(yè)/共52頁(yè)第十頁(yè)，共52頁(yè)。討論討論(toln)(toln)： 比較單線圈，差動(dòng)式的靈敏度提高了一倍；比較單線圈，差動(dòng)式的靈敏度提高了一倍； 差動(dòng)式非線性項(xiàng)比單線圈多乘了差動(dòng)式非線性項(xiàng)比單線圈多乘了(/ )(/ )因子；因子； 不存在偶次項(xiàng)，因不存在偶次項(xiàng)，因 / 1 / 1，線性度得到改善。，線性度得到改善。 差動(dòng)式的兩個(gè)電感結(jié)構(gòu)，可抵消溫度、噪聲干擾差動(dòng)式的兩個(gè)電感結(jié)構(gòu)，可抵消溫度、噪聲干擾 的影響。的影響。第10頁(yè)/共52頁(yè)第十一頁(yè)，共52頁(yè)。 電橋的兩臂是傳感器線圈電橋的兩臂是傳感器線圈阻抗臂、另外兩個(gè)臂是交流阻抗臂、另外兩個(gè)臂是交流

5、變壓器次級(jí)線圈各占變壓器次級(jí)線圈各占1212，交流供電。交流供電。 橋路輸出電壓為：橋路輸出電壓為：第11頁(yè)/共52頁(yè)第十二頁(yè)，共52頁(yè)。u銜鐵上下移動(dòng)相同距離時(shí)，輸出電壓大小相等方銜鐵上下移動(dòng)相同距離時(shí)，輸出電壓大小相等方u 向相差向相差180，要判斷銜鐵方向，要判斷銜鐵方向(fngxing)就是判斷信號(hào)相就是判斷信號(hào)相位。位。 當(dāng)銜鐵在中間(zhngjin)位置 Z1=Z2=Z U0=0 022UZULUZL當(dāng)銜鐵偏移時(shí)輸出電壓當(dāng)銜鐵偏移時(shí)輸出電壓02ULUL 當(dāng)銜鐵偏向另一方向當(dāng)銜鐵偏向另一方向第12頁(yè)/共52頁(yè)第十三頁(yè)，共52頁(yè)。兩個(gè)兩個(gè)(lin )(lin )橋臂由相同線圈組成，另外

6、兩個(gè)橋臂由相同線圈組成，另外兩個(gè)(lin )(lin )為平衡電阻為平衡電阻 等效電路等效電路第13頁(yè)/共52頁(yè)第十四頁(yè)，共52頁(yè)。101202340,ZZjL ZZjL ZZR因因102000222ACACACUUUZjLLUZRj LL輸出電壓為：輸出電壓為： 可見電橋輸出電壓可見電橋輸出電壓U UACAC與氣隙變量與氣隙變量有關(guān)有關(guān) 002LL 00()ACUU代入代入 電橋輸出為：電橋輸出為：第14頁(yè)/共52頁(yè)第十五頁(yè)，共52頁(yè)。第15頁(yè)/共52頁(yè)第十六頁(yè)，共52頁(yè)。被測(cè)壓力經(jīng)位移被測(cè)壓力經(jīng)位移電壓兩次轉(zhuǎn)換輸出電壓兩次轉(zhuǎn)換輸出第16頁(yè)/共52頁(yè)第十七頁(yè)，共52頁(yè)。v 把被測(cè)的非電量變化

7、轉(zhuǎn)換成為把被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換成為v線圈互感量的變化的傳感器稱為互感式線圈互感量的變化的傳感器稱為互感式傳感器。傳感器。v根據(jù)變壓器的基本原理制成，并將次級(jí)根據(jù)變壓器的基本原理制成，并將次級(jí)線圈繞組用差動(dòng)形式連接。線圈繞組用差動(dòng)形式連接。v 差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)形式較多，應(yīng)用最差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)形式較多，應(yīng)用最多的是螺線管式差動(dòng)變壓器。它可測(cè)量多的是螺線管式差動(dòng)變壓器。它可測(cè)量1100mm1100mm范圍范圍(fnwi)(fnwi)內(nèi)的機(jī)械位移。內(nèi)的機(jī)械位移。次次級(jí)級(jí)次次級(jí)級(jí)骨架骨架初初級(jí)級(jí)銜銜鐵鐵次次級(jí)級(jí)次次級(jí)級(jí)初初級(jí)級(jí)第17頁(yè)/共52頁(yè)第十八頁(yè)，共52頁(yè)。 等效電路：等效電路： 兩個(gè)次級(jí)線圈必須

8、反相串聯(lián)接，保證差動(dòng)形式。兩個(gè)次級(jí)線圈必須反相串聯(lián)接，保證差動(dòng)形式。 如果線圈完全對(duì)稱并且銜鐵處于中間位置時(shí)兩線圈如果線圈完全對(duì)稱并且銜鐵處于中間位置時(shí)兩線圈 互感系數(shù)相等互感系數(shù)相等 電動(dòng)勢(shì)相等電動(dòng)勢(shì)相等 差動(dòng)輸出電壓為零：差動(dòng)輸出電壓為零：初級(jí)線圈初級(jí)線圈次級(jí)線圈次級(jí)線圈第18頁(yè)/共52頁(yè)第十九頁(yè)，共52頁(yè)。u 可見可見: :u 輸出電壓大小和符號(hào)反映輸出電壓大小和符號(hào)反映(fnyng)(fnyng)了了u 鐵心位移的大小和方向。鐵心位移的大小和方向。當(dāng)銜鐵上下移動(dòng)時(shí)，輸出電壓隨銜鐵位移變化。當(dāng)銜鐵上下移動(dòng)時(shí)，輸出電壓隨銜鐵位移變化。22abEE00U 若銜鐵上移若銜鐵上移 22abEE0

9、0U 若銜鐵下移若銜鐵下移 第19頁(yè)/共52頁(yè)第二十頁(yè)，共52頁(yè)。由此得到輸出電壓有效值為由此得到輸出電壓有效值為 ：v 可見輸出電壓與互感可見輸出電壓與互感(hgn)(hgn)的差值有關(guān)的差值有關(guān)21aaEj M I 21bbEj M I 根據(jù)電磁感應(yīng)定律，次級(jí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)分別為根據(jù)電磁感應(yīng)定律，次級(jí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)分別為第20頁(yè)/共52頁(yè)第二十一頁(yè)，共52頁(yè)。 鐵芯向右移，鐵芯向右移， 輸出與輸出與E2a同極性；同極性； 鐵芯向左移，鐵芯向左移， 輸出與輸出與E2b同極性。同極性。輸出電壓的幅值取決于線圈輸出電壓的幅值取決于線圈 互互感即銜鐵在線圈中移動(dòng)感即銜鐵在線圈中移動(dòng)(ydng)的距離的距離

10、X。Uo與與Ui的相位由銜鐵的相位由銜鐵的移動(dòng)的移動(dòng)(ydng)方向決定。方向決定。 第21頁(yè)/共52頁(yè)第二十二頁(yè)，共52頁(yè)。差動(dòng)變壓器輸出電壓和位移的關(guān)系差動(dòng)變壓器輸出電壓和位移的關(guān)系第22頁(yè)/共52頁(yè)第二十三頁(yè)，共52頁(yè)。v 由于兩個(gè)次級(jí)線圈繞組電由于兩個(gè)次級(jí)線圈繞組電氣系數(shù)氣系數(shù) （M M互感互感 L L電感電感 R R內(nèi)內(nèi)阻）不同，幾何尺寸工藝上阻）不同，幾何尺寸工藝上很難保證完全相同。實(shí)際的很難保證完全相同。實(shí)際的特性曲線，在零點(diǎn)上總有一特性曲線，在零點(diǎn)上總有一個(gè)最小的輸出電壓，這個(gè)鐵個(gè)最小的輸出電壓，這個(gè)鐵芯處于中間位置時(shí)最小不為芯處于中間位置時(shí)最小不為零的電壓稱為零的電壓稱為零點(diǎn)

11、殘余電壓零點(diǎn)殘余電壓。 第23頁(yè)/共52頁(yè)第二十四頁(yè)，共52頁(yè)。 為減小零點(diǎn)殘余電壓的影響，一般要用電路進(jìn)行補(bǔ)償為減小零點(diǎn)殘余電壓的影響，一般要用電路進(jìn)行補(bǔ)償(bchng),(bchng),電路補(bǔ)償電路補(bǔ)償(bchng)(bchng)的方法較多的方法較多, ,可采用以下方法?？刹捎靡韵路椒?。 串聯(lián)電阻：消除兩次級(jí)繞組基波分量幅值上的差異；串聯(lián)電阻：消除兩次級(jí)繞組基波分量幅值上的差異； 并聯(lián)電阻電容：消除基波分量相差，減小諧波分量；并聯(lián)電阻電容：消除基波分量相差，減小諧波分量； 加反饋支路：初次級(jí)間反饋，減小諧波分量；加反饋支路：初次級(jí)間反饋，減小諧波分量； 相敏檢波對(duì)零點(diǎn)殘余誤差有很好的抑制作

12、用。相敏檢波對(duì)零點(diǎn)殘余誤差有很好的抑制作用。串串聯(lián)聯(lián)電電阻阻并并聯(lián)聯(lián)電電阻阻第24頁(yè)/共52頁(yè)第二十五頁(yè)，共52頁(yè)。一般采用反串電路和橋路兩種。一般采用反串電路和橋路兩種。反串電路是直接把兩個(gè)二次線圈反向串接（如圖反串電路是直接把兩個(gè)二次線圈反向串接（如圖3.21）。這種情）。這種情況下空載況下空載(kn zi)輸出電壓等于二次側(cè)線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之差，即：輸出電壓等于二次側(cè)線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之差，即： 圖圖3.21 二次線圈反串二次線圈反串(fnchun)電路電路 第25頁(yè)/共52頁(yè)第二十六頁(yè)，共52頁(yè)。橋路如圖橋路如圖3.22所示：其中所示：其中R1，R2是橋臂電阻，是橋臂電阻，Rw是供調(diào)零用是供

13、調(diào)零用的電位器。設(shè)的電位器。設(shè)R1R2，則輸出，則輸出(shch)電壓：電壓： 圖圖3.22 差動(dòng)變壓器使用差動(dòng)變壓器使用(shyng)的橋路的橋路 可見橋路的靈敏度為前面的可見橋路的靈敏度為前面的0.5，但其優(yōu)點(diǎn)是利用，但其優(yōu)點(diǎn)是利用Rw可進(jìn)行調(diào)零，不再可進(jìn)行調(diào)零，不再需要另外配置調(diào)零電路。需要另外配置調(diào)零電路。 (3-37) 第26頁(yè)/共52頁(yè)第二十七頁(yè)，共52頁(yè)。 差動(dòng)變壓器式傳感器可直接用于位移測(cè)量，也可以用來(lái)測(cè)差動(dòng)變壓器式傳感器可直接用于位移測(cè)量，也可以用來(lái)測(cè)量與位移有關(guān)的任何機(jī)械量，如振動(dòng)量與位移有關(guān)的任何機(jī)械量，如振動(dòng)(zhndng)，加速度，加速度，應(yīng)變等等。應(yīng)變等等。（1）壓

14、差計(jì)）壓差計(jì) 當(dāng)壓差變化時(shí)，腔內(nèi)當(dāng)壓差變化時(shí)，腔內(nèi)膜片位移使差動(dòng)變壓器次膜片位移使差動(dòng)變壓器次級(jí)電壓發(fā)生變化，輸出與級(jí)電壓發(fā)生變化，輸出與位移成正比，與壓差成正位移成正比，與壓差成正比。比。第27頁(yè)/共52頁(yè)第二十八頁(yè)，共52頁(yè)。 沉筒式液位計(jì)將水位沉筒式液位計(jì)將水位變化轉(zhuǎn)換成位移變化，再變化轉(zhuǎn)換成位移變化，再轉(zhuǎn)換為電感的變化，差動(dòng)轉(zhuǎn)換為電感的變化，差動(dòng)變壓器的輸出反映液位高變壓器的輸出反映液位高低。低。第28頁(yè)/共52頁(yè)第二十九頁(yè)，共52頁(yè)。（3）測(cè)厚度）測(cè)厚度第29頁(yè)/共52頁(yè)第三十頁(yè)，共52頁(yè)。第30頁(yè)/共52頁(yè)第三十一頁(yè)，共52頁(yè)。第31頁(yè)/共52頁(yè)第三十二頁(yè)，共52頁(yè)。10 110

15、121R Ij L Ij MIU122220j MIR Ij L I第32頁(yè)/共52頁(yè)第三十三頁(yè)，共52頁(yè)。2221102222()M LLLRL222212211010222212222()()UM RM LZRjLIRLRL2221102222()M RRRRL第33頁(yè)/共52頁(yè)第三十四頁(yè)，共52頁(yè)。第34頁(yè)/共52頁(yè)第三十五頁(yè)，共52頁(yè)。 第35頁(yè)/共52頁(yè)第三十六頁(yè)，共52頁(yè)。金屬金屬扁平線圈扁平線圈渦流區(qū)渦流區(qū)r/ros1hrosj第36頁(yè)/共52頁(yè)第三十七頁(yè)，共52頁(yè)。第37頁(yè)/共52頁(yè)第三十八頁(yè)，共52頁(yè)。/0z hzjj ejzjo/ehzjo0j第38頁(yè)/共52頁(yè)第三十九頁(yè)，共52頁(yè)。21221osxIIxrI I2 2只有在只有在x/r1才能有較好線性和靈敏度。才能有較好線性和靈敏度。X/rosI2/I11.01 2 3 4第39頁(yè)/共52頁(yè)第四十頁(yè)，共52頁(yè)。第40頁(yè)/共52頁(yè)第四十一頁(yè)，共52頁(yè)。調(diào)頻調(diào)頻(dio pn)法是以法是以LC振諧回路的頻率作為輸出量，直振諧回路的頻率作為輸出量，直用頻率計(jì)測(cè)量；或通過(guò)測(cè)量用頻率計(jì)測(cè)量；或通過(guò)測(cè)量LC回路等效電感回路等效電感L，間接測(cè)量頻率變化量。間接測(cè)量頻率變化量。第41頁(yè)/共52頁(yè)第四十二頁(yè)，共52頁(yè)