《傳感器技術(shù)及應(yīng)用》課件-項目三 電感式傳感器

開封大學(xué)PAGEPAGE5項目三電感式傳感器Ⅰ課題：電感式傳感器的原理及應(yīng)用課時安排：4課次編號：5、6教材分析難點(diǎn)：二線制儀表的原理、應(yīng)用重點(diǎn)：電流輸出型儀表的計算教學(xué)目的和要求1、了解電感傳感器的工作原理；2、掌握電流輸出型儀表的概念；3、掌握電流/電壓轉(zhuǎn)換電路及計算；采用教學(xué)方法和實(shí)施步驟：講授、課堂討論、分析教具：各種電感傳感器各教學(xué)環(huán)節(jié)和內(nèi)容任務(wù)一自感式傳感器演示：做以下的實(shí)驗：將一只380V交流接觸器線圈與交流毫安表串聯(lián)后，接到機(jī)床用控制變壓器的36V交流電壓源上，如圖4-1所示。這時毫安表的示值約為幾十毫安。用手慢慢將接觸器的活動鐵心（稱為銜鐵）往下按，我們會發(fā)現(xiàn)毫安表的讀數(shù)逐漸減小。當(dāng)銜鐵與固定鐵心之間的氣隙等于零時，毫安表的讀數(shù)只剩下十幾毫安。圖3-1線圈鐵心的氣隙與電感量及電流的關(guān)系實(shí)驗1—固定鐵心2—?dú)庀?—線圈4—銜鐵5—彈簧6—磁力線7—絕緣外殼自感傳感器常見的形式有變隙式、變面積式和螺線管式等三種，原理示意圖分別如圖3-1a、b、c所示，螺線管式自感傳感器外形如圖3-1d所示。提問：對于變隙式電感傳感器，電感L與氣隙厚度δ成______比，畫出變隙式電感傳感器的δ-L特性曲線。輸入輸出是______（線性/非線性）關(guān)系。δ小，靈敏度就______。為了保證一定的線性度，變隙式電感傳感器只能用于______位移的測量。圖3-2電感傳感器的輸出特性a）變隙式電感傳感器的-L特性曲線b）變面積式電感傳感器的A-L特性曲線1－實(shí)際輸出特性2－理想輸出特性二、變面積式電感傳感器分析式（3-1），理論上電感量L與氣隙截面積A是______（線性/非線性）關(guān)系。，靈敏度為______。三、螺線管式電感傳感器單線圈螺線管式電感傳感器，當(dāng)銜鐵工作在螺線管的中部時，可以認(rèn)為線圈內(nèi)磁場強(qiáng)度是均勻的，此時線圈電感量L與銜鐵插入深度l大致成正比。特點(diǎn)與應(yīng)用范圍：結(jié)構(gòu)簡單，制作容易，但靈敏度稍低，適用于測量稍大一點(diǎn)的位移。四、差動電感傳感器上述三種電感傳感器的缺點(diǎn)：由于線圈中通有交流勵磁電流，因而銜鐵始終承受電磁吸力，會引起振動及附加誤差，而且非線性誤差較大；另外，外界的干擾如電源電壓頻率的變化，溫度的變化都使輸出產(chǎn)生誤差。采用差動電感傳感器的好處：在實(shí)際工作中常采用差動形式，既可以提高傳感器的靈敏度，又可以減小測量誤差。提問：單線圈電感傳感器與差動式電感傳感器的特性比較如圖3-4所示。從圖3-4可以看出，差動式電感傳感器的線性較______，靈敏度較______。圖3-4單線圈電感傳感器與差動式電感傳感器的特性比較1－上線圈特性2－下線圈特性3－L1、L2差接后的特性五、測量轉(zhuǎn)換電路1．差動電感的變壓器電橋轉(zhuǎn)換電路差動電感的變壓器電橋轉(zhuǎn)換電路如圖3-5所示。相鄰兩工作臂Z1、Z2是差動電感傳感器的兩個線圈阻抗。另兩臂為激勵變壓器的二次繞組。輸入電壓約為10V左右，頻率約為數(shù)千赫，輸出電壓取自A、B兩點(diǎn)。當(dāng)銜鐵處于中間位置時：橋路平衡，輸出電壓=0。當(dāng)銜鐵下移時：下線圈感抗增加，而上線圈感抗減小時。輸出電壓絕對值增大，其相位與激勵源同相。圖3-5差動電感的變壓器電橋轉(zhuǎn)換電路銜鐵上移時：輸出電壓的相位與激勵源反相。如果在轉(zhuǎn)換電路的輸出端接上普通指示儀表時，實(shí)際上無法判別輸出的相位和位移的方向。（解釋普通的指示儀表）任務(wù)二差動變壓器傳感器差動變壓器是把被測位移量轉(zhuǎn)換為一次線圈與二次線圈間的互感量M的變化的裝置。當(dāng)一次線圈接入激勵電源之后，二次線圈就將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，當(dāng)兩者間的互感量變化時，感應(yīng)電動勢也相應(yīng)變化。目前應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)型式是螺線管式差動變壓器。圖3-7差動變壓器結(jié)構(gòu)示意圖及外形圖1－一次線圈2－二次線圈3－銜鐵4－測桿圖3-8差動變壓器原理圖圖3-9差動變壓器的輸出特性及相敏和非相敏輸出特性比較1－理想特性2－非相敏檢波實(shí)際特性3－相敏檢波實(shí)際特性二、差動變壓器的主要特性（1）靈敏度：單位mV/（mmV）。行程越小，靈敏度越高。（2）線性范圍差動電感和變壓器線性范圍約為線圈骨架長度的1/10左右。三、測量電路差動變壓器的輸出電壓是交流分量，它與銜鐵位移成正比，其輸出電壓如用交流電壓表來測量時，無法判別銜鐵移動的方向。解決辦法：（1）采用差動相敏檢波電路；（2）采用圖3-11所示的差動整流電路。圖3-11差動整流電路及波形a）差動整流電路b）、c）、d）各點(diǎn)電壓波形分析差動整流過程：（1）差動變壓器的二次電壓、分別經(jīng)VD1～VD4、VD5～VD8兩個普通橋式電路整流，變成直流電壓Uao和Ubo。由于Uao與Ubo是反向串聯(lián)的，所以Uc3=Uab=Uao-Ubo該電路是以兩個橋路整流后的直流電壓之差作為輸出的，所以稱為差動整流電路。RP用來微調(diào)電路平衡的。電感傳感器的應(yīng)用能轉(zhuǎn)換成位移變化的參數(shù)，如力、壓力、壓差、加速度、振動、工件尺寸等，可用電感傳感器來測量。一、位移測量測量時紅寶石（或鎢鋼）測端接觸被測物，被測物尺寸的微小變化使銜鐵在差動線圈中產(chǎn)生位移，造成差動線圈電感量的變化，此電感變化通過電纜接到交流電橋，電橋的輸出電壓反映了被測體尺寸的變化。測微儀器的最小量程為3μm。二、電感式不圓度計電感測頭圍繞工件緩慢旋轉(zhuǎn)，也可以是測頭固定不動，工件繞軸心旋轉(zhuǎn)。耐磨測端（多為鎢鋼或紅寶石）與工件接觸。信號經(jīng)計算機(jī)處理后給出圖3-1