檢測技術(shù)下篇章下

1、檢測技術(shù)下篇章下第1頁，共56頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)20分，星期四電感式傳感器 6.3 自感式傳感器6.4 差動變壓器式傳感器6.5渦流傳感器第2頁，共56頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)20分，星期四電感式傳感器的工作基礎(chǔ)：電磁感應(yīng)即利用線圈自感或互感的改變來實(shí)現(xiàn)非電量的測量分為自感式、變壓器式、渦流式等特點(diǎn)：工作可靠、壽命長靈敏度高，分辨力高精度高、線性好性能穩(wěn)定、重復(fù)性好第3頁，共56頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)20分，星期四1、 自感式傳感器1.1 工作原理自感式傳感器又稱為變磁阻式傳感器，主要由線圈、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

2、有氣隙，厚度為傳感器的運(yùn)動部分與銜鐵相連。當(dāng)銜鐵移動時，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。 線圈中自感量可由下式確定： 根據(jù)磁路歐姆定律：式中, Rm為磁路總磁阻。 第4頁，共56頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)20分，星期四 由于氣隙很小，可以認(rèn)為氣隙中的磁場是均勻的。若忽略磁路磁損， 則磁路的總磁阻為:一般來說氣隙磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻， 即 因而上式可寫為: 綜上分析可得,線圈的電感值可按右式計(jì)算: 上式表明：當(dāng)線圈匝數(shù)為常數(shù)時，電感L僅僅是磁路中磁阻Rm的函數(shù)，改變或S0均可導(dǎo)致電感變化，因

3、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S0的傳感器。 目前使用最廣泛的是變氣隙厚度式自感傳感器。第5頁，共56頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)20分，星期四1.2 自感傳感器的輸出特性曲線L與之間的非線性特性曲線如下圖所示。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，初始電感量為:當(dāng)銜鐵上移時，傳感器氣隙減小,即=0，則此時輸出的電感為:當(dāng)/02LC且2LC1時，上式可近似為： 第9頁，共56頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)20分，星期四 2. 交流電橋式測量電路 把差動式自感傳感器的兩個線圈作為電橋的兩個橋臂Z1和Z2，另外兩個相鄰的橋臂用純電阻R代替。設(shè)Z1=

4、Z+Z1, Z2=ZZ2，Z是銜鐵在中間位置時單個線圈的復(fù)阻抗，Z1, Z2分別是銜鐵偏離中心位置時兩線圈阻抗的變化量。如果Q值很高，則有Z1+Z2j(L1+L2)，則電橋輸出電壓為交流電橋測量電路 銜鐵上移：兩個線圈的電感變化量L1、L2由前面的推導(dǎo)可得到，差動傳感器電感的總變化量L=L1+L2, 具體表達(dá)式如下： 第10頁，共56頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)20分，星期四則傳感器的靈敏度K0為： 比較單線圈式和差動式： 差動式變間隙電感傳感器的靈敏度是單線圈式的兩倍。 差動式的非線性項(xiàng)(忽略高次項(xiàng))：單線圈的非線性項(xiàng)（忽略高次項(xiàng))：由于/01，因此，差動式的線性度得到明顯改善。 對上

5、式進(jìn)行線性處理, 即忽略高次項(xiàng)可得： 將 代入式 得：即：電橋輸出電壓與成正比關(guān)系。 第11頁，共56頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)20分，星期四 3. 變壓器式交流電橋 變壓器式交流電橋測量電路如右圖。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線圈的1/2線圈。 當(dāng)負(fù)載阻抗為無窮大時，橋路輸出電壓： 當(dāng)傳感器的銜鐵處于中間位置時，Z1=Z2=Z，此時有 ，電橋平衡。 當(dāng)傳感器銜鐵上移：則有Z1=Z+Z，Z2=ZZ，此時當(dāng)傳感器銜鐵下移：如Z1=ZZ，Z2=Z+Z， 此時 可知：銜鐵上下移動相同距離時，輸出電壓相位相反，大小隨銜鐵的位移大小而變化。由于 是交流電壓， 輸

6、出指示無法判斷位移方向，必須配合相敏檢波電路來解決。 第12頁，共56頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)20分，星期四相敏檢波電路相敏整流電路差動整流電路帶相位的交流輸出電壓檢測方法第13頁，共56頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)20分，星期四零點(diǎn)殘余電壓輸出信號無法調(diào)零（即實(shí)部與虛部無法同時調(diào)節(jié)至零）產(chǎn)生原因： 兩個傳感器結(jié)構(gòu)上的不對稱； 寄生參數(shù)的影響； 高次諧波的影響； 等等第14頁，共56頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)20分，星期四差動整流電路第15頁，共56頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)20分，星期四1.4 自感式傳感器的應(yīng)用變隙自感式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖 當(dāng)壓力進(jìn)入膜盒時，膜

7、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， 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壓力的大小。 左圖為變隙式差動電感壓力傳感器。它主要由C形彈簧管、 銜鐵、 鐵芯和線圈等組成。 第16頁，共56頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)20分，星期四變隙式差動自感壓力傳感器 當(dāng)被測壓力進(jìn)入C形彈簧管時，C形彈簧管產(chǎn)生變形， 其自由端發(fā)生位移，帶動與自由端連接成一體的銜鐵運(yùn)動，使線圈1和線圈2中的電感發(fā)生大小相等、符號相反的變化。即一個電感量增大，另一個電感量減小。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壓力

8、之間成比例關(guān)系， 所以只要用檢測儀表測量出輸出電壓， 即可得知被測壓力的大小。 第17頁，共56頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)20分，星期四6.4 差動變壓器式傳感器 把被測的非電量變化轉(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，并且其次級繞組用差動形式連接， 故稱差動變壓器式傳感器。 差動變壓器結(jié)構(gòu)形式：變隙式、變面積式和螺線管式等。在非電量測量中， 應(yīng)用最多的是螺線管式差動變壓器， 它可以測量1100mm的機(jī)械位移，并具有測量精度高、靈敏度高、 結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。 第18頁，共56頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)20分，星期四4.1 變

9、隙式差動變壓器 1. 工作原理閉磁路變隙式差動變壓器的結(jié)構(gòu)如圖. 在A、B兩個鐵芯上繞有W1a=W1b=W1的兩個初級繞組和W2a=W2b=W2兩個次級繞組。兩初級繞組的同名端順向串聯(lián)，兩次級繞組的同名端則反相串聯(lián)。 無位移時，銜鐵C處于初始平衡位置，它與兩個鐵芯的間隙有a0=b0=0，則繞組W1a和W2a間的互感Ma與繞組W1b和W2b的互感Mb相等，因而兩個次級繞組的互感電勢相等，即e2a=e2b。由于次級繞組反相串聯(lián)，因此，差動變壓器的輸出電壓Uo=e2a-e2b=0。 當(dāng)被測體有位移時，與被測體相連的銜鐵將發(fā)生相應(yīng)的變化，使ab，互感MaMb，兩次級繞組的互感電勢e2ae2b，輸出電壓

10、Uo=e2a-e2b0，即差動變壓器有電壓輸出， 此電壓的大小與極性就反映被測體位移的大小和方向。 第19頁，共56頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)20分，星期四第20頁，共56頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)20分，星期四 2. 輸出特性 在忽略鐵損(渦流與磁滯損耗忽略不計(jì))、漏感以及變壓器次級開路的條件下，上圖的等效電路可用右圖表示。 圖中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。 變隙式差動變壓器等效電路 當(dāng)r1aL1a，r1bM2，因而E2a增加，而E2b減小;反之，E2b增加，E

11、2a減小。因?yàn)閁o=E2a-E2b，所以當(dāng)E2a、E2b 隨著銜鐵位移x變化時， Uo也必將隨x而變化。 實(shí)際上,當(dāng)銜鐵位于中心位置時，差動變壓器輸出電壓并不等于零，我們把差動變壓器在零位移時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。 產(chǎn)生原因：主要是由傳感器的二次繞組的電氣參數(shù)和幾何尺寸不對稱，以及磁性材料的非線性等引起的。零點(diǎn)殘余電壓一般在幾十毫伏以下。第25頁，共56頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)20分，星期四差動變壓器式傳感器的應(yīng)用可直接用于位移測量，也可以測量與位移有關(guān)的任何機(jī)械量，如振動、加速度、應(yīng)變、比重、張

12、力和厚度等。 上圖為差動變壓器式加速度傳感器的原理結(jié)構(gòu)示意圖。 它由懸臂梁和差動變壓器構(gòu)成。測量時，將懸臂梁底座及差動變壓器的線圈骨架固定，而將銜鐵的A端與被測振動體相連， 此時傳感器作為加速度測量中的慣性元件，它的位移與被測加速度成正比，使加速度測量轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰频臏y量。當(dāng)被測體帶動銜鐵以x(t)振動時，導(dǎo)致差動變壓器的輸出電壓也按相同規(guī)律變化。 第26頁，共56頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)20分，星期四6.5 渦流傳感器原理金屬導(dǎo)體置于變化著的磁場中，導(dǎo)體內(nèi)就會產(chǎn)生感應(yīng)電流，稱之為電渦流或渦流。這種現(xiàn)象稱為渦流效應(yīng)。渦流式傳感器就是在這種渦流效應(yīng)的基礎(chǔ)上建立起來的。第27頁，共56頁，2

13、022年，5月20日，23點(diǎn)20分，星期四由渦流式傳感器的工作原理可知，被測量數(shù)變化可以轉(zhuǎn)換成傳感器線圈的品質(zhì)因數(shù)Q、等效阻抗Z和等效電感L的變化。轉(zhuǎn)換電路的任務(wù)是把這些種參數(shù)轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出。橋路諧振調(diào)幅諧振調(diào)頻第28頁，共56頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)20分，星期四特點(diǎn)：非接觸測量測量：位移x：位移、厚度、振動、轉(zhuǎn)速電阻率：溫度、材料判別等磁導(dǎo)率：應(yīng)力、硬度綜合：探傷第29頁，共56頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)20分，星期四低頻透射渦流測厚儀原理第30頁，共56頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)20分，星期四主要內(nèi)容 1 電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)2 電容式傳感器的靈敏

14、度及非線性3 電容式傳感器的測量電路4 電容式傳感器的應(yīng)用 6.6電容式傳感器第31頁，共56頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)20分，星期四1、電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu) 由絕緣介質(zhì)分開的兩個平行金屬板組成平板電容器，如果不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量可表示為:被測參數(shù)變化使得S、 d或發(fā)生變化時，電容量C也隨之變化。如果保持其中兩個參數(shù)不變，而僅改變其中一個參數(shù)， 就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過測量電路就可轉(zhuǎn)換為電量的輸出。由此，電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介電常數(shù)型三種。第32頁，共56頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)20分，星期四電容式傳感元件的各種結(jié)構(gòu)形式第33

15、頁，共56頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)20分，星期四1 變極距型電容傳感器當(dāng)傳感器的r和S為常數(shù)，初始極距為d0時，其初始電容量C0為： 若電容器極板間距離由初始值d0縮小了d，電容量增大了C，則有： 電容量與極板間距離的關(guān)系 上式中，若d/d01時，則可展成級數(shù)： 此時C與d近似呈線性關(guān)系。變極距型電容傳感器只有當(dāng)d/d0很小時才有近似的線性關(guān)系。第34頁，共56頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)20分，星期四 顯然，d0越小對于同樣的d變化，C越大，因而可提高傳感器靈敏度。但d0過小，容易引起電容器擊穿或短路，為此，極板間可采用高介電常數(shù)的材料（云母、 塑料膜等）作介質(zhì), 如圖所示，

16、此時電容C變?yōu)椋?式中：g為云母的相對介電常數(shù)，g=7； 0為空氣的介電常數(shù)，0=1； d0空氣隙厚度； dg云母片的厚度。 云母片的相對介電常數(shù)是空氣的7倍，其擊穿電壓不小于1000 kV/mm，而空氣僅為3kV/mm。因此加上云母片，極板間起始距離可大大減小。 一般變極距式電容傳感器的起始電容在20100pF之間，極板間距離在25200m 的范圍內(nèi)。最大位移應(yīng)小于間距的1/10， 故在微位移測量中應(yīng)用最廣。 第35頁，共56頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)20分，星期四2 變面積型電容式傳感器被測量通過動極板移動引起兩極板有效覆蓋面積S改變，從而得到電容量的變化。當(dāng)動極板相對于定極板沿長

17、度方向平移x時，則電容變化量為 式中C0=0r ba/d為初始電容。則電容的相對變化量為： 這種形式的傳感器的電容量C與水平位移x呈線性關(guān)系。 第36頁，共56頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)20分，星期四電容式角位移傳感器原理圖 當(dāng)動極板有一個角位移時，與定極板間的有效覆蓋面積就發(fā)生改變，從而改變了兩極板間的電容量。當(dāng)=0時有： 當(dāng)0時有：從上式可以看出，傳感器的電容量C與角位移呈線性關(guān)系。第37頁，共56頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)20分，星期四3 變介質(zhì)型電容式傳感器此時傳感器電容值為： 式中： C0為由傳感器的基本尺寸決定的初始電容值, 即 可見：此傳感器的電容增量正比于被測液

18、位高度h。電容式液位變換器結(jié)構(gòu)原理圖 第38頁，共56頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)20分，星期四圖中兩平行電極固定不動，極距為d0，相對介電常數(shù)為r2的電介質(zhì)以不同深度插入電容器中，從而改變兩種介質(zhì)的極板覆蓋面積。 傳感器總電容量C可表示為:另一種形式的變介質(zhì)型電容式傳感器 若電介質(zhì)r1=1, 當(dāng)L=0時，傳感器初始電容C0=0rL0b0/d0。 當(dāng)被測介質(zhì)r2進(jìn)入極板間L深度后，引起電容相對變化量為 可見，電容量的變化與電介質(zhì)r2的移動量L成線性關(guān)系。 第39頁，共56頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)20分，星期四表5-1 電介質(zhì)材料的相對介電常數(shù) 第40頁，共56頁，2022年，5

19、月20日，23點(diǎn)20分，星期四2 電容式傳感器的靈敏度及非線性由前述可知,電容的相對變化量為: 當(dāng)|d/d0|1時，按級數(shù)展開，可得 可見，輸出電容的相對變化量C/C0與輸入位移d之間成非線性關(guān)系，當(dāng)|d/d0|1時可略去高次項(xiàng)，得到近似的線性關(guān)系： 電容傳感器的靈敏度定義為:即：單位輸入位移所引起的輸出電容相對變化的大?。挫`敏度）與d0呈反比關(guān)系。 第41頁，共56頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)20分，星期四如果考慮級數(shù)展開式中的線性項(xiàng)與二次項(xiàng)， 則有 由此可得出傳感器的相對非線性誤差為 由上述分析可知：要提高靈敏度，應(yīng)減小起始間隙d0，但非線性誤差卻隨著d0的減小而增大。 第42頁，

20、共56頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)20分，星期四 實(shí)際應(yīng)用中，為了提高靈敏度，減小非線性誤差，大都采用差動式結(jié)構(gòu)。 在差動式平板電容器中，當(dāng)動極板位移d時，電容器C1的間隙d1變?yōu)閐0-d，電容器C2的間隙d2變?yōu)閐0+d, 則有:差動平板式電容傳感器結(jié)構(gòu)圖 當(dāng)d/d01時, 按級數(shù)展開得: 電容值總的變化量為:第43頁，共56頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)20分，星期四電容值相對變化量為: 略去高次項(xiàng)，則C/C0與d/d0近似成為如下的線性關(guān)系： 如果考慮上式中的線性項(xiàng)和三次項(xiàng), 則差動式電容傳感器的相對非線性誤差可近似為: 差動的好處:靈敏度得到一倍的改善線性度得到改善第44頁，

21、共56頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)20分，星期四3 電容式傳感器的測量電路調(diào)制型電路 調(diào)頻電路 調(diào)幅電路： 交流激勵法 交流電橋法脈沖型電路 雙T型充放電網(wǎng)絡(luò) 脈沖調(diào)寬型第45頁，共56頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)20分，星期四調(diào)頻電路把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分, 當(dāng)輸入量導(dǎo)致電容量發(fā)生變化時，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化?？蓪㈩l率作為輸出量用以判斷被測非電量的大小，但此時系統(tǒng)是非線性的，不易校正，因此必須加入鑒頻器，將頻率的變化轉(zhuǎn)換為電壓振幅的變化，經(jīng)過放大就可以用儀器指示或記錄儀記錄下來。如下圖所示。 圖中調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率為 調(diào)頻式測量電路原理框圖 第46頁，共

22、56頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)20分，星期四上式中： C為振蕩回路的總電容，C=C1+C2+Cx，其中C1為振蕩回路固有電容, C2為傳感器引線分布電容, Cx=C0C為電容傳感器的電容。 當(dāng)被測信號為0時，C=0，則C=C1+C2+C0，所以振蕩器有一個固有頻率f0, 其表示式為 :當(dāng)被測信號不為0時，C0， 振蕩器頻率有相應(yīng)變化， 此時頻率為 : 調(diào)頻電容傳感器測量電路具有較高的靈敏度，可以測量0.01m級位移的變化量。信號的輸出頻率易于用數(shù)字儀器測量， 并與計(jì)算機(jī)通訊，抗干擾能力強(qiáng)， 可以發(fā)送、 接收， 以達(dá)到遙測遙控的目的。 第47頁，共56頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)20分，星期四交流激勵法調(diào)幅電路交流激勵法基本原理圖諧振曲線圖第48頁，共56頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)20分，星期四電容式傳感器構(gòu)成交流電橋的一些形式第49頁，共56頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)20分，星期四雙T型充放電網(wǎng)絡(luò)第50頁，共56頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)20分，星期四脈沖調(diào)寬型電路原理圖線性變換特性第51頁，共56頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)20分，星期四各點(diǎn)電壓