三电感式传感器传感器解析PPT课件.ppt

第三章电感式传感器InductiveSensors 11 主要内容 掌握自感式传感器结构 原理及其基本特性 掌握自感式传感器的电桥测量电路的输出特性 掌握差动变压器组成结构 工作原理 输出特性及其差动整流电路和相敏检波电路的工作原理 掌握高频反射式电涡流式传感器的结构 工作原理及基本特性 掌握各类电感式传感器的典型应用 位移型传感器 电感式传感器就是利用线圈自感或互感随被测量变化来实现测量的一种装置 被测量 线圈自感 互感 UO IO 传感器的结构特征 具有线圈绕组应用 可测量位移 振动 压力 流量 重量 力矩等多种物理量 特点 灵敏度高 输出功率大 测量范围宽 但存在交流零位信号 不宜于高频动态测量 自感式传感器 变自感L 类型 差动变压器 变互感M 电涡流式传感器 变自感L 概述 12 3 1自感式传感器 3 2差动变压器 3 3电涡流传感器 13 3 1自感式 变磁阻 传感器 变气隙式自感式传感器的结构原理图 a 单边式 由2铁芯 1线圈 3衔铁及弹簧等组成 当衔铁移动时 气隙厚度 发生改变 引起磁路中磁阻变化 从而导致线圈的电感值变化 一 工作原理 式中 N 线圈匝数RM 磁路总磁阻 磁路欧姆定律 线圈自感为 14 若 很小 且不考虑磁路铁损 则磁路总磁阻为 铁芯磁导率远大于空气的磁导率 因此铁芯磁阻远较气隙磁阻小 则线圈自感L为 分类 变气隙厚度 的电感式传感器 变气隙面积S的电感式传感器 15 自感式电感传感器常见的形式 1 线圈coil 2 铁芯Magneticcore 3 衔铁Movingcore 变气隙式 变截面式 螺线管式 16 L f S L f L S 当 0时 L为 考虑导磁体的磁阻 L并不等于 而具有一定的数值 考虑导磁体的磁阻时特性曲线如图中虚线所示 二 输出特性分析 L f 为非线性关系 L f S 的特性曲线为一直线 17 1 变气隙式自感传感器 初始电感量为 若衔铁下移 0 自感的相对变化量为 则电感减小 变化量为 L 18 忽略高次项 可得自感变化与气隙变化成近似线性关系 变气隙式自感传感器的灵敏度为 灵敏度K随初始气隙的增大而减小 19 非线性误差为 可见非线性误差随的增大而增大 存在矛盾 测量范围 大 灵敏度 高 线性度 小 相矛盾 因此变隙式常用于测量微小位移的场合 并且通常采用差动式 110 采用差动变隙式 可以减小非线性 提高灵敏度 差动变隙式的电感变化量为 2 差动变气隙式自感传感器 111 差动式电感传感器的电感相对变化量为 忽略高次项 可得 差动变隙式灵敏度为 非线性误差为 112 差动式自感传感器的灵敏度比单线圈传感器提高一倍 差动式自感传感器非线性失真减小 如当 10 时 单线圈 10 而差动式的 1 采用差动式传感器 还能抵消温度变化 电源波动 电磁吸力等因素对传感器的影响 结论 113 单线圈螺管型传感器结构图 3 螺管型电感传感器有单线圈和差动式两种结构形式 单线圈螺管型传感器的主要元件为一只螺管线圈一根圆柱形铁芯及磁性套筒 传感器工作时 因铁芯在线圈中伸入长度的变化 引起线圈泄漏路径中磁阻的变化 从而使线圈自感发生变化 114 差动螺管型传感器结构图 115 1 变气隙式电感传感器 具有线性度差 示值范围窄 自由行程小 在小位移下灵敏度很高的特点 因此 常用于直线小位移的测量 以及结合弹性敏感元件构成压力传感器 加速度传感器等 2 变截面式电感传感器 具有线性度良好 自由行程大 示值范围宽 灵敏度较低的特点 通常用来测量比较大的直线位移和角位移 3 螺管式自感式传感器灵敏度低 但示值范围大 自由行程大 且其主要优点是结构简单 制造装配容易 三种自感传感器比较 116 电感线圈的等效电路 如图 实际传感器中 线圈不可能是纯电感 它包括线圈的铜损电阻RC 铁芯的涡流损耗电阻Re等 由于线圈和测量设备电缆的接入 存在线圈固有电容和电缆的分布电容 用集中参数C表示 图中 Rc为铜耗电阻 Re为涡流损耗电阻 Rh为磁滞损耗电阻 C为线圈的匝间电容和分布电容 三 测量电路1 电感式传感器的等效电路 117 电感式传感器等效阻抗 Q wL R高时 由以上分析 并联电容C的存在 会引起传感器性能的一系列变化 因此 在实际测量中 若根据需要更换了连接电缆线的长度 在高精度测量时应对传感器的灵敏度重新进行标定 118 图3 8 b 交流电桥式测量电路 2 交流电桥式测量电路 图中传感器的两个线圈作为电桥的两个桥臂和 另外两个相邻的桥臂用纯电阻代替 设Z1 Z0 Z1 Z2 Z0 Z2 Z1 Z2 Z 119 对于高Q值 的差动式电感传感器 其输出电压为 其中L0 衔铁在中间位置时 单个线圈的电感为其损耗 L 单线圈电感的变化量 将代入上式得 120 图中B点的电压为 图中A点的电压为 3 变压器式交流电桥 P87 输出电压 讨论 1 当铁芯处于中间位置时 Z1 Z2 Z 这时U0 0 电桥平衡 2 当铁芯向下移动时 Z2 Z Z Z1 Z Z得 121 3 当铁芯向上移动同样大小的距离时 Z2 Z Z Z1 Z Z 得 幅值为 输出电压幅值为 两种情况的输出电压大小相等 方向相反 由于E是交流电压 所以输出电压U0在输入到指示器前必须先进行整流 滤波 122 4 谐振式测量电路 1 调频电路调频电路的基本原理是传感器电感变化引起输出电压频率的变化 2 调幅电路调幅电路的基本原理是传感器电感变化引起输出电压幅值的变化 L0为谐振点的电感值 123 四 零点残余电压 定义 在衔铁处于中间位置时输出电压应为零 但实际不为零 存在某个输出值 这个不为零的电压称为零点残余电压 它使得传感器在零点附近不灵敏 限制了分辨率的提高 减小零点残余电压采取的措施 1 设计和工艺上2 电路上补偿 124 自感式压力传感器 五 自感式电感传感器应用 125 变气隙式差动压力传感器 126 用于工件直径等尺寸测量的电感式传感器 1 引线电缆2 固定磁筒3 衔铁4 线圈5 测力弹簧6 防转销7 钢球导轨 直线轴承 8 测杆9 密封套10 测端11 被测工件12 基准面 127 电感测微头 128 3 2差动变压器式传感器 linearvariabledifferentialtransformers LVDTs 1初级线圈 2 3次级线圈 4衔铁 a 气隙型 b 螺管型 变互感量的传感器 根据变压器的基本原理制成 次级绕组都用差动形式连接 故称为差动变压器 分为气隙式和螺管式两种 目前多采用螺管式 因为变隙式行程很小 l0 0 5mm 结构也很复杂 它可以测量1 100mm范围内的机械位移 并具有测量精度高 灵敏度高 结构简单 性能可靠等优点 129 螺线管式结构如图 由一个初级线圈 两个次级线圈和插入线圈中央的圆柱形铁芯等组成 活动衔铁 导磁外壳 骨架 匝数为的初级绕组 匝数为的次级绕组 匝数为的次级绕组图3 2螺线管式差动变压器结构图 一 差动变压器的结构与原理 130 螺线管式差动变压器按线圈绕组排列的方式不同 可分为二节 三节 四节和五节式等类型 如图所示 三节式的零点电位较小 二节式比三节式灵敏度高 线性范围大 四节式和五节式改善了传感器线性度 通常采用的是二节式和三节式两类 b c d e 线圈排列方式图 b 二节式 c 三节式 d 四节式 e 五节式 图3 3线圈排列方式 131 差动变压器式传感器中两个次级线圈反向串联 并且在忽略铁损 导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下 其等效电路如下图所示 二 基本特性分析 差动变压器等效电路 132 2019 12 27 33 初级线圈次级线圈次级线圈输出电压 次级线圈输出电压有效值 134 1 初始位置 衔铁处于中间位置 2 当衔铁上升 x 3 当衔铁下降 x U0与E2a同相 U0与E2b同相 看出输出电压大小与极性反映衔铁位移的大小和方向 但由于U0是交流电压 所以输出电压U0在输入到指示器前必须先进行整流 检波等 135 3 21差动变压器输出电压特性曲线 136 三 零点残余电压1 零点残余电压定义 在衔铁处于中间位置时输出电压应为零 但实际不为零 存在某个输出值 这个不为零的电压称为零点残余电压 137 2 造成零点残余电压的主要原因 两个次级线圈不对称 铁磁材质不均匀 线圈间存在分布电容 初级线圈铜耗电阻的存在 导磁体靠近的安装位置 铁芯长度等 激磁频率的高低 138 3 消除零点残余电压的几种方法 由绕组不对称引起的零点残余电压可以通过调节衔铁初始位置进行消除 然而因相位误差造成的零点残余电压是无法通过调节衔铁初始位置进行消除的 因此 消除零点残余电压的方法可以归纳为以下三种 1 从设计和工艺上尽量保证线圈和磁路对称 选用高性能的导磁材料 导磁体必须经过热处理 消除残余应力 以提高磁性能的均匀性和稳定性 2 采用相敏检波电路不仅可以鉴别衔铁的移动方向 而且有利于消除零点残余电压 见P128图3 28 139 3 采用补偿电路 根据零点残余误差的产生原因 主要有以下几类补偿电路 见图 加串联电阻 0 5 5 消除基波同相成分 加并联电容C 100 500pF 改变某一次级绕组相位 消除高次谐波分量 加反馈绕组和反馈电容补偿基波及高次谐波分量 加并联电阻 0 1 1 102k 消除基波中正交成分 140 差动变压器输出是一个调幅波 幅值随衔铁的位移变化 用交流电压表测量存在下述问题 1 交流电压表无法判别衔铁移动方向 2 总有零位电压输出 因而零位附近的小位移测量困难 四 差动变压器的测量电路 解决办法 1 差动整流电路2 相敏检测电路 141 1 差动整流电路 把差动变压器两个次级电压分别整流后 以它们的差作为输出 是最常用的测量电路形式 有电压输出型整流电路 如图 a 图 b 用在连接高阻抗负载 如数字电压表 的场合 有电流输出型整流电路 如图 c 图 d 用在连接低阻抗负载 如动圈式电流表 的场合 差动变压器灵敏度较高 一般满量程输出电压可达几伏 在要求不高时 可直接接入整流电路 常用的差动整流电路如图所示 142 a 半波电压输出 b 半波电流输出 c 全波电压输出 d 全波电流输出 143 2 相敏检波电路这种电路容易做到输出平衡 而且便于阻抗匹配 相敏检波电路能判别铁芯移动方向 而且 移动位移的大小决定输出电压UCD的高低 144 电路工作原理 当差动变压器铁芯在中间位置时 es 0 只有er起作用 故输出电压UCD 0 当铁芯下移时 es和er相位相反 同理可得UCD 0 由此可见 相敏检波电路能判别铁芯移动方向 而且 移动位移的大小决定输出电压UCD的高低 若铁芯上移es和er同位相 由于er es 故er正半周时D1 D2仍导通 D3 D4截止 但D1回路内总电势为er es 2 而D2回路为er es 2 故回路电流i1 i2 输出电压UCD R0 i1 i2 0 当er为负半周时 D3 D4导通 D1 D2截止 此时D3同路内总电势为er es 2 D4回路内总电势为er es 2 所以回路电流i4 i3 故输出电压UCD R0 i4 i3 0因此 铁芯上移时 输出电压UCD 0 145 五 差动变压器的应用 1 位移测量 它可以作为精密测量仪的主要部件 对零件进行多种精密测量工作 如内径 外径 不平行度 粗糙度 不垂直度 振摆 偏心和椭圆度等 图为测量液位的原理图 当某一设定液位使铁芯处于中心位置时 差动变压器输出信号Uo 0 当液位上升或下降时 Uo 0 通过相应的测量电路便能确定液位的高低 差动变压器测量的基本量是位移 146 2 振动和加速度测量利用差动变压器加上悬臂梁弹性支承可构成加速度计 为了满足测量精度 加速度计的固有频率应比被测频率上限大3 5倍 差动变压器加速度计结构及其测量电路框图 a 结构 b 测量电路框图1 弹性支承 2 差动变压器 147 3 压力测量差动变压器和弹性敏感元件组合 可以组成开环压力传感器 由于差动变压器输出是标准信号 常称为变送器 a 微压变送器 b 测量电路框图1 接头 2 膜盒 3 底座 4 线路板 5 差曲变压器线圈 6 衔铁 7 罩光 8 插头 9 通孔 148 电涡流效应 成块金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线的运动时 导体内将产生旋涡状的感应电流 这电流称电涡流 这现象称电涡流效应 电涡流传感器是基于电涡流效应工作的 电涡流传感器的类型 高频反射式 低频透射式电涡流传感器的应用 测量位移 厚度 表面温度 速度 应力 材料损伤等电涡流传感器的特点 体积小 灵敏度高 频率响应宽 可实现非接触连续测量 3 3电涡流式传感器 Eddycurrentsensors 149 一 高频反射式电涡流传感器结构和工作原理 1 2 3 4 5 6 1 线圈2 框架3 衬套4 支架5 电缆6 插头 150 如图 当线圈通交变电流i1交变磁场H1金属板中将产生感应电动势电涡流i2磁场H2H2对线圈的反作用 减弱线圈原磁场 从而导致线圈的电感量L 阻抗Z或品质因数Q发生变化 测量时线圈阻抗随金属导体的电阻率 磁导率 线圈激励电流的角频率 以及线圈与金属导体的距离x等参数变化 即 若能控制式中其它参数不变 只改变其中一个参数 这样阻抗就能成为这个参数的单值函数 从而实现该参数的测量 151 由线圈 金属导体系统构成的电涡流传感器可以用右图所示的等效电路来分析 根据基尔霍夫定律 可以列出电路方程组为 测量时线圈的等效阻抗变为 电涡流影响的结果使等效阻抗 的实部增大 虚部减少 即等效的品质因数 值减少了 Z0 R1 jwL1 152 二 测量电路 1 调频式电路 153 2 调幅式电路 a 调幅式电路原理图 b 输出特性 先使传感器远离被测物 则L L 即x趋于 时的电感值 调振荡器的频率到 得出最大输出电压u 然后保持振荡器的频率fo和幅值不变 当被测物与传感器线圈接近时 由于电涡流效应 使线圈的电感量L变化 并使回路失谐 从而使输出电压u降低 由u的下降程度判断距离x的大小 谐振曲线 154 大致有以下四个方面 1 位移传感器 也可作为接近开关 厚度 振幅 振摆 转速等物理量位移2 材料电阻率传感器温度 材料判别等物理量材料电阻率3 材料磁导率传感器应力 硬度等物理量材料磁导率4 探伤传感器利用等的综合影响 可以做成探伤装置 三 涡流传感器的应用 155 1 位移测量凡是可变换成位移量的参数 都可以用电涡流式传感器来测量电涡流位移计轴向位移 a 磨床换向阀 先导阀