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1傳感器與檢測(cè)技術(shù)
同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系主講教師:蘇永清二、差動(dòng)變壓器(一)結(jié)構(gòu)原理與等效電路分氣隙型和差動(dòng)變壓器兩種。目前多采用螺管型差動(dòng)變壓器。1初級(jí)線圈;2.3次級(jí)線圈;4銜鐵1243123(a)氣隙型(b)螺管型其基本元件有銜鐵、初級(jí)線圈、次級(jí)線圈和線圈框架等。初級(jí)線圈作為差動(dòng)變壓器激勵(lì)用,相當(dāng)于變壓器的原邊,而次級(jí)線圈由結(jié)構(gòu)尺寸和參數(shù)相同的兩個(gè)線圈反相串接而成,相當(dāng)于變壓器的副邊。螺管形差動(dòng)變壓器根據(jù)初、次級(jí)排列不同有二節(jié)式、三節(jié)式、四節(jié)式和五節(jié)式等形式。321212112(a)(b)(c)(d)12112差動(dòng)變壓器線圈各種排列形式1初級(jí)線圈;2次級(jí)線圈;3銜鐵3三節(jié)式的零點(diǎn)電位較小,二節(jié)式比三節(jié)式靈敏度高、線性范圍大,四節(jié)式和五節(jié)式改善了傳感器線性度。在理想情況下(忽略線圈寄生電容及銜鐵損耗),差動(dòng)變壓器的等效電路如圖。初級(jí)線圈的復(fù)數(shù)電流值為~~~e2R21R22e21e22e1R1M1M2L21L22L1
e1初級(jí)線圈激勵(lì)電壓L1,R1初級(jí)線圈電感和電阻M1,M1分別為初級(jí)與次級(jí)線圈1,2間的互感L21,L22兩個(gè)次級(jí)線圈的電感R21,R22兩個(gè)次級(jí)線圈的電阻I1ω—激勵(lì)電壓的角頻率;
e1—激勵(lì)電壓的復(fù)數(shù)值;由于Il的存在,在次級(jí)線圈中產(chǎn)生磁通Rm1及Rm2分別為磁通通過(guò)初級(jí)線圈及兩個(gè)次級(jí)線圈的磁阻,N1為初級(jí)線圈匝數(shù)。N2為次級(jí)線圈匝數(shù)。因此空載輸出電壓在次級(jí)線圈中感應(yīng)出電壓e21和e22,其值分別為其幅數(shù)輸出阻抗或副Ⅰ0e2e2e21e22x副Ⅱ原線圈差動(dòng)變壓器輸出電勢(shì)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。
(二)
誤差因素分析1、激勵(lì)電壓幅值與頻率的影響激勵(lì)電源電壓幅值的波動(dòng),會(huì)使線圈激勵(lì)磁場(chǎng)的磁通發(fā)生變化,直接影響輸出電勢(shì)。而頻率的波動(dòng),只要適當(dāng)?shù)剡x擇頻率,其影響不大。2、溫度變化的影響周?chē)h(huán)境溫度的變化,引起線圈及導(dǎo)磁體磁導(dǎo)率的變化,從而使線圈磁場(chǎng)發(fā)生變化產(chǎn)生溫度漂移。當(dāng)線圈品質(zhì)因數(shù)較低時(shí),影響更為嚴(yán)重,因此,采用恒流源激勵(lì)比恒壓源激勵(lì)有利。適當(dāng)提高線圈品質(zhì)因數(shù)并采用差動(dòng)電橋可以減少溫度的影響。
3、零點(diǎn)殘余電壓當(dāng)差動(dòng)變壓器的銜鐵處于中間位置時(shí),理想條件下其輸出電壓為零。但實(shí)際上,當(dāng)使用橋式電路時(shí),在零點(diǎn)仍有一個(gè)微小的電壓值(從零點(diǎn)幾mV到數(shù)十mV)存在,稱(chēng)為零點(diǎn)殘余電壓。如圖是擴(kuò)大了的零點(diǎn)殘余電壓的輸出特性。零點(diǎn)殘余電壓的存在造成零點(diǎn)附近的不靈敏區(qū);零點(diǎn)殘余電壓輸入放大器內(nèi)會(huì)使放大器末級(jí)趨向飽和,影響電路正常工作等。
0e2x-xe201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ee1e20e2012345(a)殘余電壓的波形(b)波形分析tt圖中e1為差動(dòng)變壓器初級(jí)的激勵(lì)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。
零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生原因:①基波分量。由于差動(dòng)變壓器兩個(gè)次級(jí)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(gè)次級(jí)繞組的感應(yīng)電勢(shì)數(shù)值不等。又因初級(jí)線圈中銅損電阻及導(dǎo)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(lì)電流與所產(chǎn)生的磁通相位不同。
②高次諧波。高次諧波分量主要由導(dǎo)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(lì)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(jí)繞組感應(yīng)出非正弦電勢(shì)。另外,激勵(lì)電流波形失真,因其內(nèi)含高次諧波分量,這樣也將導(dǎo)致零點(diǎn)殘余電壓中有高次諧波成分。
消除零點(diǎn)殘余電壓方法:1.從設(shè)計(jì)和工藝上保證結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性為保證線圈和磁路的對(duì)稱(chēng)性,首先,要求提高加工精度,線圈選配成對(duì),采用磁路可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。其次,應(yīng)選高磁導(dǎo)率、低矯頑力、低剩磁感應(yīng)的導(dǎo)磁材料。并應(yīng)經(jīng)過(guò)熱處理,消除殘余應(yīng)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(diǎn)應(yīng)選在磁化曲線的線性段。
2.選用合適的測(cè)量線路
采用相敏檢波電路不僅可鑒別銜鐵移動(dòng)方向,而且把銜鐵在中間位置時(shí),因高次諧波引起的零點(diǎn)殘余電壓消除掉。如圖,采用相敏檢波后銜鐵反行程時(shí)的特性曲線由1變到2,從而消除了零點(diǎn)殘余電壓。e2+x-x210相敏檢波后的輸出特性3.采用補(bǔ)償線路①由于兩個(gè)次級(jí)線圈感應(yīng)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(diǎn),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)整次級(jí)線圈的電阻分量。
~e1e2CR~e1e2CR(a)(b)調(diào)相位式殘余電壓補(bǔ)償電路②并聯(lián)電位器W用于電氣調(diào)零,改變兩次級(jí)線圈輸出電壓的相位,如圖所示。電容C(0.02μF)可防止調(diào)整電位器時(shí)使零點(diǎn)移動(dòng)?!玡1e2CR1R2W電位器調(diào)零點(diǎn)殘余電壓補(bǔ)償電路R或L補(bǔ)償電路~e1e2L0W~e1e2R0W(a)(b)③接入R0(幾百kΩ)或補(bǔ)償線圈L0(幾百匝)。繞在差動(dòng)變壓器的初級(jí)線圈上以減小負(fù)載電壓,避免負(fù)載不是純電阻而引起較大的零點(diǎn)殘余電壓。電路如圖。
(三)測(cè)量電路差動(dòng)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(cè)量其輸出值只能反映銜鐵位移的大小,不能反映移動(dòng)的方向,因此常采用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路進(jìn)行測(cè)量。1、差動(dòng)整流電路根據(jù)半導(dǎo)體二級(jí)管單向?qū)ㄔ磉M(jìn)行解調(diào)的。如傳感器的一個(gè)次級(jí)線圈的輸出瞬時(shí)電壓極性,在f點(diǎn)為“+”,e點(diǎn)為“–”,則電流路徑是fgdche(參看圖a)。反之,如f點(diǎn)為“–”,e點(diǎn)為“+”,則電流路徑是ehdcgf??梢?jiàn),無(wú)論次級(jí)線圈的輸出瞬時(shí)電壓極性如何,通過(guò)電阻R的電流總是從d到c。同理可分析另一個(gè)次級(jí)線圈的輸出情況。輸出的電壓波形見(jiàn)圖(b),其值為USC=eab+ecd。
全波整流電路和波形圖~e1RRcabhgfdeUSC銜鐵在零位以下eabttteabttteabtecdtUSCtecdUSCUSCecd銜鐵在零位以上銜鐵在零位(b)(a)在f點(diǎn)為“+”,則電流路徑是fgdche(參看圖a)。反之,如f點(diǎn)為“–”
,則電流路徑是ehdcgf。2、相敏檢波電路調(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(dāng)鐵芯在中間時(shí),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(shí)D1、D2仍導(dǎo)通,但D1回路內(nèi)總電勢(shì)為er+e,而D2回路內(nèi)總電勢(shì)為er-e,故回路電流i1>i2輸出電壓UCD=R0(i1–i2)>0。當(dāng)er負(fù)半周時(shí),Ri1~e1R1R2e21e22C2C1er移相器D1D4D3D2CDABi3i2i4eUCD=R0(i4-i3)>0,因此鐵芯上移時(shí)輸出電壓UCD>0。當(dāng)鐵芯下移時(shí),e和er相位相反。同理可得UCD<0。由此可見(jiàn),該電路能判別鐵芯移動(dòng)的方向。
(四)應(yīng)用測(cè)量振動(dòng)、厚度、應(yīng)變、壓力、加速度等各種物理量。1.差動(dòng)變壓器式加速度傳感器用于測(cè)定振動(dòng)物體的頻率和振幅時(shí)其激磁頻率必須是振動(dòng)頻率的十倍以上,才能得到精確的測(cè)量結(jié)果??蓽y(cè)量的振幅為(0.1~5)mm,振動(dòng)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1211彈性支承2差動(dòng)變壓器2.微壓力變送器將差動(dòng)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?!?20VV振蕩器穩(wěn)壓電源差動(dòng)變壓器相敏檢波電路這種變送器可分檔測(cè)量(–5×105~6×105)N/m2壓力,輸出信號(hào)電壓為(0~50)mV,精度為1.5級(jí)。
三、電渦流式傳感器當(dāng)導(dǎo)體置于交變磁場(chǎng)或在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí),導(dǎo)體上引起感生電流ie,此電流在導(dǎo)體內(nèi)閉合,稱(chēng)為渦流。渦流大小與導(dǎo)體電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ以及產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的線圈與被測(cè)體之間距離x,線圈激勵(lì)電流的頻率f有關(guān)。顯然磁場(chǎng)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
ρ—導(dǎo)體電阻率(Ω·cm);μr—導(dǎo)體相對(duì)磁導(dǎo)率;
f—交變磁場(chǎng)頻率(Hz)。可見(jiàn),渦流穿透深度h和激勵(lì)電流頻率f有關(guān),所以渦流傳感器根據(jù)激勵(lì)頻率:高頻反射式或低頻透射式兩類(lèi)。目前高頻反射式電渦流傳感器應(yīng)用廣泛。
第一節(jié)電渦流傳感器工作原理電渦流效應(yīng)演示
當(dāng)電渦流線圈與金屬板的距離x減小時(shí),電渦流線圈的等效電感L減小,等效電阻R增大。感抗XL的變化比R的變化大得多,流過(guò)電渦流線圈的電流i1增大。(一)
結(jié)構(gòu)和工作原理主要由一個(gè)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(kāi)一條槽溝,將導(dǎo)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(dǎo)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。
1234561線圈2框架3襯套4支架5電纜6插頭iedM~ΦnΦi電渦流傳感器原理圖傳感器線圈由高頻信號(hào)激勵(lì),使它產(chǎn)生一個(gè)
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