自动检测技术课件3.ppt

第3章电感式传感器及其信号调理 目录 3 1自感式传感器 3 2差动变压器 3 3电涡流传感器 3 4压磁式传感器 3 5电感式传感器的信号调理 电感式传感器是利用非电量的变化引起传感元件线圈自感和互感的变化 从而实现非电量电测量的一种装置 电感传感器可分为自感式 互感式和涡流式三种类型 先看一个实验 将一只380V交流接触器线圈与交流毫安表串联后 接到机床用控制变压器的36V交流电压源上 如下图所示 开始毫安表的示值约为几十毫安 若用手慢慢将接触器的活动铁心 称为衔铁 往下按时 我们会发现毫安表的读数逐渐减小 当衔铁与固定铁心之间的气隙等于零时 毫安表的读数只剩下十几毫安 电感传感器的基本工作原理演示 F 220V 准备工作 电感传感器的基本工作原理演示 气隙变小 电感变大 电流变小 F 3 1自感式传感器3 1 1单线圈自感传感器自感式传感器亦称变隙式自感传感器或变磁阻式自感传感器 根据铁芯线圈磁路气隙的改变 引起磁路磁阻的改变 从而改变线圈自感的大小 气隙参数的改变可通过改变气隙长度和改变气隙截面积两种方式实现 传感器线圈分单线圈和双线圈两种 图3 1单线圈变气隙式长度自感传感器 根据磁路知识 线圈自感L可按下式计算与电阻串联类似 串联磁路磁阻为各环节磁阻之和实际上由于铁芯工作于非饱和状态 此时铁芯的磁导率远远大于空气的磁导率 因而磁路的总磁阻主要由气隙的磁阻所决定 即可认为 移动衔铁的位置 即可改变气隙的长度 从而引起线圈自感的变化 实现位移到电感量的变化的转换 设初始气隙为 电感初值为 当衔铁上移时 气隙变为 可知线圈自感的变为当 将 3 5 用泰勒级数展开 当衔铁下移幅度为时 线圈自感变为变气隙长度型传感器与呈非线性关系 而且在位移幅度相同但位移方向不同时 所引起的电感变化的绝对量并不完全相同 但在的前提下 作线性化处理 可得 其灵敏度为非线性误差为为提高自感传感器的灵敏度 可减小 但的减小又限制了测量范围 而且使非线性加重 电感式传感器的应用 位移测量 轴向式电感测微器的外形 航空插头 红宝石测头 其他电感测微头 轴向式电感测微器的内部结构 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 电感式滚柱直径分选示意 滚柱直径分选装置图1 气缸2 活塞3 推杆4 被测滚柱5 落料管6 电感测微器7 钨钢测头8 限位挡板9 电磁翻板10 容器 料斗 电感式滚柱直径分选装置 外形 滑道 分选仓位 轴承滚子外形 参考中原量仪股份有限公司资料 电感式滚柱直径分选装置外形 落料振动台 滑道 11个分选仓位 参考无锡市通达滚子有限公司资料 废料仓 电感式滚柱直径分选界面 分选结果基本符合正态分布 电感式滚柱直径分选装置 测微仪 圆柱滚子 自感传感器总要接入测量电路中去 有必要研究传感器相对于测量电路的等效电路 不能把它看成一个理想的纯电感L 实际上 线圈导线存在电阻Rc 传感器中的铁磁材料在交变磁场中一方面被磁化 另一方面形成涡流及损耗 这些损耗可分别用磁滞损耗电阻和涡流损耗电阻Re表示 还存在线圈的匝间电容和电缆线分布电容 二者用C统一表示 图3 2自感传感器的等效电路 单线圈自感传感器结构虽然简单 但存在诸多缺陷 技术性能较差 由于线圈流往负载的电流不可能为零 存在起始电流 衔铁始终受电磁引力 会引起附加误差 非线性误差较大 某些客观存在的干扰如电源 温度的波动 都会对输出造成影响 双线圈变气隙式自感传感器采用两个线圈激磁 工作时两线圈的自感呈反相变化 形成差动输出 因而称之为差动自感传感器 差动自感传感器亦有变气隙长度型和变气隙截面积型 由两只完全对称的单线圈自感传感器共用一个活动衔铁而构成 3 1 2差动自感传感器 图3 3变气隙长度型差动自感传感器 设 则两线圈自感分别为 当衔铁偏离中间位置时 两个线圈的电感量一个增加 一个减小 形成差动形式 差动电感传感器的特点 1 差动线圈2 铁心3 衔铁4 测杆5 工件 差动式电感传感器对外界影响 如温度的变化 电源频率的变化等基本上可以互相抵消 衔铁承受的电磁吸力也较小 从而减小了测量误差 差动电感传感器的特性 曲线1 2为L1 L2的特性 3为差动特性 请分析 从曲线图可以看出 与非差动电感传感器相比较 差动式电感传感器的灵敏度 线性度有何变化 采用差动结构能带来的好处 将传感器两线圈接入交流电桥的相邻两臂 图3 5差动自感传感器接入交流电桥 初始时 衔铁处于中间位置 即 而是固定臂 于是电桥平衡 输出电压 0 当衔铁偏离中间位置时 两线圈电感量 或阻抗 一增 一减 此时电桥失衡 有电压输出 输出为因为线圈的品质因数很高 可见 输出信号的幅值与衔铁的位移幅度成正比 其相位取决于位移的方向 若衔铁上移 输出信号与激励电源同相位 若衔铁下移 输出信号与激励电源相位相差180o 若只将单线圈自感传感器接入该电桥 不妨设Z1为该单线圈自感传感器 可得采用差动结构能带来的好处 理论上消除了零位输出 衔铁所受电磁力平衡 灵敏度提高一倍 线性度得到改善 高次项能部分相互抵消 差动形式可减弱或消除温度 电源变化及外界干扰等共模干扰的影响 因为这些干扰是以相同的方向 相同的幅度作用在两个线圈上的 所引起的自感变化的大小和符号相同 而信号调理电路实质上是将两个线圈自感的差值转换为电信号 自感传感器直接检测的非电量是微小位移 配合各种敏感元件 它也可完成能够转换为微小位移的其他非电量的检测 图3 6是利用自感传感器测量压力的示意图 可用来测量液位 图3 6利用自感传感器测量压力 图3 7所示为采用差动自感传感器测量压力差的原理结构 若 则衔铁处于对称位置 即处于零位 此时有 若时 则下面的电感增大 上面电感减小 压力差与电感变化具有确切对应关系 如果某密闭压力容器内部储存的是具有固定密度的液体 则其底部压力与顶部压力之差和液位之间将具有确切对应关系 则图3 7可用来测量其液位 图3 7采用差动自感传感器测量压力差 电感式轮廓仪 旁向式电感测微头 电感式圆度计原理 该圆度计采用旁向式电感测微头 电感式圆度测试系统 旁向式电感测微头 电感式圆度测量系统外形 参考洛阳汇智测控技术有限公司资料 旋转盘 测量头 圆度测量打印 粗糙度仪外形 金刚石测头 目录 3 1自感式传感器 3 2差动变压器 3 3电涡流传感器 3 4压磁式传感器 3 5电感式传感器的信号调理 复习电工知识 差动整流电路中用到的 单相变压器 有一个一次线圈 有两个二次线圈 当一次线圈加上交流激磁电压Ui后 将在二次线圈中产生感应电压UO 在全波整流电路中 两个二次线圈串联 总电压等于两个二次线圈的电压之和 3 2差动变压器 差动变压器的工作原理 差动变压器是把被测位移量转换为一次线圈与二次线圈间的互感量M的变化的装置 由于两个二次线圈采用差动接法 故称为差动变压器 目前应用最广泛的结构型式是螺线管式差动变压器 在差动变压器的线框上绕有一组输入线圈 称一次线圈 在同一线框的上端和下端再绕制两组完全对称的线圈 称二次线圈 它们反向串联 组成差动输出形式 图中标有黑点的一端称为同名端 通俗的说法是指线圈的 头 差动变压器式传感器的等效电路 结构特点 两个二次线圈反向串联 组成差动输出形式 请将二次线圈N21 N22的有关端点正确地连接起来 并指出哪两个为输出端点 3 2 1工作原理差动变压器将位移量转换为线圈间互感的变化 它实质上是 种变压器 主要由原边绕组 副边绕组和铁芯组成 它往往做成差动结构形式 副边两个绕组进行 差接 在其原边绕组施加激励电压后 由于互感系数变化 副边差接绕组的感应电势将相应地发生变比 由于它结构简单 测量精度较高 测量范围宽 作为位移传感器得到广泛应用 其中螺管式差动变压器是差动变压器的主要结构形式 图3 8螺管式差动变压器结构示意图 差动变压器主要由线圈 铁芯组成 线圈由初级线圈和次级线圈组成 线圈中插入圆柱形铁心b 图中所示为三段式差动变压器 即线圈骨架分成三段 中间为初级线圈 上下为次级线圈 线圈绕制方式多为初级在内 次级在外 差动变压器的电气连接方法如图3 9所示 次级线圈S1和S2反极性串联 图3 9差动变压器的电气连接方法 差动变压器的工作原理可以用变压器原理解释 所不同的是一般变压器的磁路是闭合的 而差动变压器的磁路是不闭合的 一般变压器的初次级间的互感系数是常数 差动变压器的初次级之间的互感是随衔铁移动而作相应的变化 差动变压器的工作正是建立在互感变化的基础上 图3 10差动变压器输出特性曲线 实际的差动变压器当铁芯位于线圈中心位置时 输出电压值不为零 而是 称为零点残余电压 因此差动变压器的实际输出特性如图3 10 a 中虚线所示 产生零点残余电压的原因主要有 1 由于两个次级线圈的绕制在工艺上不可能完全一致 因此它们的等效参数 互感 自感和损耗电阻 不可能完全相等 初级线圈中铜损和铁损的存在以及匝间寄生电容的存在使激励电流与所产生的磁通之间有相位差 上述因素就使两个次级线圈的感应电势不仅数值不等 并且相位也不相同 这是零点残余电压中基波分量产生的原因 2 由于磁滞损耗和铁磁饱和的影响 使得激励电流与磁通波形不 致 导致产生非正弦波磁通 从而在次级线圈感应出非正弦波电势 其主要是含三次谐波 这是零点残余电压中所含高次谐波产生的原因 零点残余电压的存在 使差动变压器在机械零位附近的灵敏度下降 非线性误差增大 降低了它在零位附近的分辨率 消除或减小零点残余电压 般可采用以下方法 1 设计和加工应尽量保证线圈和磁路对称 结构上可附加磁路调节机构 其次 应选用高导磁率 低矫顽磁力 低剩磁感应的导磁材料 并将导磁体加以热处理 消除残余应力 以提高磁性能的均匀性和稳定性 在选取磁路工作点时 应使其不工作在磁化曲线饱和区 2 选用合适的测量电路 如相敏检波和差动整流电路 其直流输出不仅可以鉴别铁心位移方向 而且可以减小或消除零点残余电压 3 采用补偿电路 为常采用的零点残余电压补偿电路原理图 消除零点残余电压的补偿电路有四种 附加串联电阻以消除基波同相成分 附加并联电阻以消除基波正交成分 附加并联电容 改变相移 补偿高次谐波分量 附加反馈绕组和反馈电容 以补偿基波及高次谐波分量 串联电阻的阻值很小 为0 5 5 并联电阻的阻值为数十到数百千欧 并联电容的数值在数百PF范围 实际数值通常由实验来确定 图3 11差动变压器的零位补偿 3 2 2输出特性1等效电路忽略实际差动变压器中的涡流损耗 铁损和寄生电容等 其等效电路如图3 12所示 图3 12差动变压器的等效电路 可列出如下方程 当铁芯位于中间位置时 0铁芯向上位移时 铁芯向下位移时 2灵敏度指在单位电压激励下 铁心移动单位距离时的输出电压变化量 其量纲为mv mm V 一般螺管式差动变压器的灵敏度大于5mV mm V 为提高灵敏度 可采取下列措施 增大差动变压器的几何尺寸以提高线圈的Q值 般线圈长度为其直径的1 5 2 0倍较为合适 适当提高激磁频率 增大铁芯直径 但不应触及线圈骨架 铁芯采用导磁率高 铁损小 涡流损耗小的材料 在不使初级线圈过热的前提条件下当提高激励电压 坡莫合金的导磁性能好 但涡流损耗较大 所以对激磁频率为500Hz以上的差动变压器 大多使用铁氧体铁芯 低频激磁时 多采用工业纯铁作铁芯材料 在要求电流输出的场合 宜采用次级线圈匝数较少的差动变压器 以降低其输出阻抗 再选择合适的输出电路 可得到1mA mm V的灵敏度 3频率特性差动变压器的激励频率 般在50Hz至10kHz范围 频率太低时 其灵敏度显著降低 由温度和频率波动引起的附加误差增大 但频率太高 其涡流损耗和铁损增加 寄生电容影响加大 根据具体应用场合选择合适的工作频率非常重要 当负载电阻RL与次级线圈串联时 RL上的输出电压表示为 根据 3 19 画出差动变压器频率特性如图3 13 当RL远大于差动变压器内阻时 下限截止频率fL为 图3 13差动变压器频率特性 4相位差动变压器的次级电压相对初级电压的相位通常超前几度到几十度 超前相角大小与差动变压器的结构和激磁频率有关 小型 低频者超前角大 大型 高频者超前角小 5线性范围差动变压器铁芯的材质 长度 直径和线圈骨架的形状 大小均对其次级电压与铁芯位移之间关系的线性度有直接影响 通常其线性范围约为其线圈骨架长度的1 10到1 4 通常所说的线性度不仅包括铁芯位移与次级电压关系的线性程度 还要求次级电压的相位角为某固定值 后 点住往难于满足 若考虑此因素 差动变压器线性范围约为其线圈骨架长度的1 10左右 6温度特性初级线圈的电阻温度系数对差动变压器的温度特性影响最大 铜导线的电阻温度系数约为0 4 对于小型差动变压器且在较低频率下使用 其初级线圈总阻抗中线圈电阻所占比例较大 此时差动变压器的温度系数约为 0 3 对于大型差动变压器且使用频率较高时 其温度系数较小 一般约为 0 1 至 0 05 3 2 3典型应用举例差动变压器直接测量的物理量是铁芯位移 配合相应的敏感元件 它也可用于其它物理量的测量 图3 14是利用差动变压器测量大型构件如钢梁挠度的示意图 图3 14利用差动变压器测量大型构件挠度 图3 15为两种常用的差动变压器测力传感器 图 a 为环形弹性元件 随弹性元件刚度的不同 测力范围为102N 106N 图 b 为筒形弹性元件 其特点是输出信号大 线性好 重复性好及漂移小 弹性元件受力产生位移 带动差动变压器的铁芯运动 使两线圈互感发生变化 最后使差动变压器的输出电压产生和弹性元件受力大小成比例地变化 a b 图3 15利用差动变压器测量力 图3 16是另外一种利用差动变压器测量力的方案示意图 在该测量方案中采用了反馈原理 反馈是利用力平衡电路实现的 差动变压器在力平衡电路中作为零位检测元件使用 当杠杆受到检测力作用时就绕支点偏转 使差动变压器铁芯相对线圈产生位移 于是差动变压器输出电压信号 此电压经放大器放大后 再经整流便产生一相应的直流电流 该电流流过力平衡线圈 变换成电磁力作用于杠杆 此力作为反馈力与被测力共同作用于杠杆 使杠杆处于力矩平衡状态 这时流过力平衡线圈的电流则与被测力成比例 图3 16利用差动变压器的零位法力测量 目录 3 1自感式传感器 3 2差动变压器 3 3电涡流传感器 3 4压磁式传感器 3 5电感式传感器的信号调理 电涡流的应用 在我们日常生活中经常可以遇到 干净 高效的电磁炉 电磁炉内部的励磁线圈 电磁炉的工作原理 高频电流通过励磁线圈 产生交变磁场 在铁质锅底会产生无数的电涡流 使锅底发热 烧开锅内食物 3 3电涡流传感器3 3 1反射式电涡流传感器与自感传感器 差动变压器相比 电涡流测量原理的特点有二 其一是对导电率 导磁率等物性参数敏感 其二是能够实现非接触测量 金属导体置于变化着的磁场中 导体内就会产生感应电流 称之为电涡流 这种现象称为涡流效应 电涡流式传感器正是基于这种涡流效应而工作的 图3 17电涡流效应 线圈与导体之间存在磁的联系 若把导电材料看成一个具有内阻的线圈 则图3 17可用图3 18所示的等效电路表示 R1 R2分别为线圈和导电材料的等效电阻 L1 L2分别为线圈和导电材料的等效电感 M为互感参数 表征线圈与导电材料之间磁联系强弱 图3 18电涡流效应的等效电路 由图3 18可列出下列方程解上式 可得线圈的等效阻抗前两项为等效电阻 第三项为等效电抗 品质因数为金属导体的电阻率 磁导率 线圈与金属导体之间的距离d以及线圈激励电流的角频率 等参数 都将通过电涡流效应与线圈等效阻抗发生联系 线圈等效阻抗是这些参数的函数若能保持上述四个参数中的任意三个参数恒定 则等效阻抗将与第四个参数之间建立一一对应的关系 构成了从第四个参数到等效阻抗之间的转换关系 当图示的电涡流线圈与导体的距离x减小时 电涡流线圈的等效电感L减小 等效电阻R增大 从理论和实验都证明 此时流过线圈的电流i1是增大的 电表的读数增大 指针顺时针偏转 这是因为线圈的感抗XL的变化比R的变化大得多 XL减小 R增大 从能量守恒角度来看 也要求增加流过电涡流线圈的电流 从而为被测金属导体上的电涡流提供额外的能量 原文来自 新e代电子网 网址是 大直径电涡流探雷器 利用位移d作为变换量 可以非接触的测量位移 厚度 振动 转速等 也可做成接近开关等 图3 19为电涡流位移传感器的几种具体应用 图3 19电涡流位移传感器的几种具体应用 图3 20为利用电涡流传感器测量转速的电路框图 在被测对象上开一个凹槽 靠近轴表面安装电涡流探头 每当轴转动到如图示位置 电涡流探头感受到轴表面的位置变化 传感器激励线圈的电感随之改变 轴转一圈 变化一次 振荡器的频率变化一次 通道检波器转换成电压的变化 从而得到与转速成正比的脉冲信号 来自传感器的脉冲信号经整形后 由频率计得到频率值 再转换成转速 图3 20利用电涡流传感器测量转速 图3 21是电涡流式传感器用于检测金属镀膜厚度的原理图 设没有膜时 传感器探头与金属表面距离为 有膜时距离变成 所以膜厚为 膜的厚度不同 消耗磁场能量不同 导致探头的等效阻抗变化 从而引起转换电路的输出电压变化 根据输出电压的变化可知金属镀膜厚度的变化 图3 21利用电涡流传感器测量金属镀膜厚度 接近开关在自动控制系统中得到普遍应用 量大面广 图3 22是电涡流式接近开关的电路框图 将绝缘励磁线圈作为振荡电路的一部分 若振荡器有效阻抗产生变化 振荡器的振荡频率也要发生变化 经过检波器转换成的电压与比较器提供的电压相比较 如果不相等 就会产生1个计数脉冲 图3 22电涡流式接近开关 利用 作为变换量 可以非接触的测量温度 判别材质 例如可以用来构成金属探测器 探测地下金属管线的有无和走向 利用 作变换量 可以非接触的测量应力 硬度等 利用变换量d 等综合影响可以制成探伤装置等 例如可以用来探测钢丝绳内部有无断丝 在什么位置断丝 断丝程度如何等 这种利用传感器激励线圈产生的交变磁场H1在金属导体表面形成涡流环 涡流环所产生的磁场H2反过来抵消激励磁场H1 从而引起传感器线圈等效阻抗改变的传感器称为反射式电涡流传感器 由于趋表效应的缘故 电涡流只能在金属导体靠近激励线圈一侧的表面薄层内形成 电涡流轴向渗透 贯穿 深度为上式说明 激励频率越高 涡流轴向渗透深度越小 反射效应相对越强 因此反射式电涡流传感器多用较高频率的激励源 由于线圈产生的磁场在金属导体内不可能波及无限大的区域 因此电涡流形成区有一定范围 基本上在内径为2r 外径为2R 厚度为h的矩形截面圆环内 电涡流区大小与激励线圈外径D的关系近似为因此被测金属导体的表面不应少于激励线圈外径的两倍 否则将不能全部利用所能产生的电涡流效应 致使灵敏度降低 3 3 2透射式电涡流传感器透射式电涡流传感器由发射线圈L1 接收线路L2和位于两线圈中间的被测金属板组成 如图3 23所示 图3 23透射式电涡流传感器 幅值可表示为与金属板厚度的关系如图3 24所示 可利用来反映金属板的厚度 由图可见 激励频率较低时 线性度较好 因此应选择较低的激励频率 通常为1kHz左右 可见 厚度较小时 高频激励特性曲线斜率较大 灵敏度较高 因此测薄板时应选相对厚板较高的激励频率 图3 24不同激励频率下与金属板厚度的关系 电涡流传感器的应用 位移测量 电涡流位移传感器是一种输出为模拟量的电子器件 当金属物体接近此感应面时 金属表面将吸取电涡流探头中的高频振荡能量 使振荡器的输出幅度线性地衰减 根据衰减量的变化或振荡频率的变化 可地计算出与被检物体的距离 振动等参数 这种位移传感器属于非接触测量 工作时不受灰尘等因素的影响 可在各种恶劣条件下使用 位移测量仪 位移测量包含 偏心 间隙 位置 倾斜 弯曲 变形 移动 圆度 冲击 偏心率 冲程 宽度等 来自不同应用领域的许多量都可归结为位移或间隙变化 数显位移测量仪及探头 4 20mA电涡流位移传感器外形 参考德国图尔克公司资料 齐平式电涡流位移传感器外形 参考德国图尔克公司资料 齐平式传感器安装时可以不高出安装面 不易被损害 V系列电涡流位移传感器外形 参考浙江洞头开关厂资料 通过测量间隙来测量径向跳动 测量弯曲 波动 变形 对桥梁 丝杆等机械结构的振动测量 须使用多个传感器 测量金属薄膜 板材厚度电涡流测厚仪 测量冷轧板厚度 导向辊的材料可以用金属制作吗 测量尺寸 公差及零件识别 通过测量间隙来测定热膨胀引起的上下平移 测量封口机工作间隙 间隙越大 电涡流越小 振动测量 汽轮机叶片测试 测量悬臂梁的振幅及频率 转速测量 若转轴上开z个槽 或齿 频率计的读数为f 单位为Hz 则转轴的转速n 单位为r min 的计算公式为 各种测量转速的传感器及其与齿轮的相对位置 齿轮转速测量 例 下图中 设齿数z 40 测得频率f 120Hz 求该齿轮的转速n 电动机转速测量 镀层厚度测量 由于存在集肤效应 镀层或箔层越薄 电涡流越小 测量前 可先用电涡流测厚仪对标准厚度的镀层和铜箔作出 厚度 输出 电压的标定曲线 以便测量时对照 电涡流涂层厚度仪 电涡流涂层厚度仪原理 电涡流式通道安全检查门 安检门的内部设置有发射线圈和接收线圈 当有金属物体通过时 交变磁场就会在该金属导体表面产生电涡流 会在接收线圈中感应出电压 计算机根据感应电压的大小 相位来判定金属物体的大小 安检门演示 当有金属物体穿越安检门时报警 电涡流表面探伤 手持式裂纹测量仪 油管探伤 滚子涡流探伤机 滚子涡流探伤机是由计算机控制的轴承滚子表面微裂纹探伤的专用设备 可探出深30 m的表面微小裂纹 参考无锡市通达滚子有限公司资料 手提式探伤仪外形 参考厦门爱德华检测设备有限公司资料 掌上型电涡流探伤仪 用掌上型电涡流探伤仪检测飞机裂纹 台式电涡流探伤仪 休息一下 目录 3 1自感式传感器 3 2差动变压器 3 3电涡流传感器 3 4压磁式传感器 3 5电感式传感器的信号调理 3 4压磁式传感器某些铁磁物质在外界机械力的作用下 其内部产生机械应力 从而引起磁导率的改变 这种现象称为压磁效应 当某些材料受拉时 在受力方向上磁导率增高 而在与作用力相垂直的方向上磁导率降低 相反 某些铁磁物质在外界磁场的作用下会产生变形 有些伸长 有些则压缩 这种现象称为 磁致伸缩 实验证明 只有在一定条件下 如磁场强度恒定 压磁效应才有单一特性 但不是线性关系 就同一种铁磁材料而言 在外界机械力的作用下 磁导率的改变与磁场强度有着密切的关系 当磁场较强时 磁导率随外界力的增加而减小 而当磁场较弱时则与相反的结果 铁磁材料的压磁应变灵敏度S为 利用上述关系可以制成压磁传感器 常用来测量压力 拉力 扭转力 或力矩 这种传感器的输出电参量为电阻抗或是二次绕组的感生电动势 变换链为机械力 应力 磁导率 磁阻 电阻抗或感应电势 图3 25为一种压磁式力传感器示意图 存在如下关系 图3 25压磁式力传感器结构形式之一 在外力作用下导磁体多数表现为各向异性特性 利用此特性也可以制成另一种形式的压磁式力传感器 如图3 26所示 图3 26压磁式压力传感器结构形式之二 目录 3 1自感式传感器 3 2差动变压器 3 3电涡流传感器 3 4压磁式传感器 3 5电感式传感器的信号调理 3 5电感式传感器的信号调理3 5 1交流电桥普通的交流电桥包括平衡电桥和不平衡电桥 被用来测量阻抗参数 理所当然的可以将电感传感器的感抗参数变化转换成电压信号 关于交流电桥 已经在电阻传感器的信号调理中予以介绍 此处不再重复 图3 27是另一种形式的交流电桥 变压器式电桥 图3 27变压器式电桥 假定O点为零电位 且传感器线圈为高Q值 即线圈电阻远远小于其感抗 即 则可以推导其输出特性公式为在初始位置 即衔铁位于差动电感传感器中间时 由于两线圈完全对称 因此 此时桥路平衡 即 当衔铁下移时 下线圈阻抗增加 即 而上线圈阻抗减少 为 此时输出电压为因为在Q值很高时 线圈内阻可以忽略 所以 同理衔铁下移时 可推导出综合前面两式得由上式可见 衔铁上移和下移时 输出电压相位相反 且随的变化输出电压也相应地改变 据此 经适当电路处理可判别位移的大小及方向 3 5 2调幅 调频与调相电路图3 28为将感抗变化转换为交流信号幅值的电路 称为调幅电路 图3 28调幅电路 图3 29为将感抗变化转换为交流信号频率的电路 称为调频电路 图3 29调频电路 把传感器电感L和一个固定电容C接入一个振荡回路中 其振荡频率当L变化时 振荡频率随之变化 根据频率大小即可测出被测量值 图3 30为将感抗变化转换为交流信号相位的电路 称为调相电路 a b c 图3 30调频电路 调相电路实际上是一个相位电桥 一臂为传感器L 另一臂为固定电阻R 将电感线圈设计成具有高品质因数 与L的关系为当L有微小变化时 所引起的输出电压相位变化为 3 5 3相敏整流电路自感传感器接入交流电桥等信号调理电路后 输出一个交流电压 其幅值取决衔铁运动的幅度 其相位取决于衔铁运动的方向 对差动变压器 电涡流传感器也有类似情况 此交流电压信号往往输入一个被称之为 相敏整流电路 的环节 相敏整流电路的功能是将交流电压的幅值转换为直流电压的幅值 而将交流电压的相位转换为直流电压的极性 即该整流电路对被整流交流电压的相位 敏感 图3 31为相敏整流电路原理图 图3 31相敏整流电路 图中 四个性能相同的二极管以同一方向串联成一个闭合回路 形成环形电桥 1 当正位移时1 载波信号为上半周 0 2 载波信号为下半周 2 结论 当衔铁在零点以上移动 与同频同相时 不论载波是正半周还是负半周 在负载电阻上得到的电压始终为正 2 当负位移时1 载波信号为上半周 0 2 载波信号为下半周 2 结论 当衔铁在零点以下移动 与同频反相时 不论载波是正半周还是负半周 在负载电阻上得到的电压始终为负 综上所述 经过相敏检波电路 正位移输出正电压 负位移输出负电压 电压值的大小表明位移的大小 电压的正负表明位移的方向 输出特性曲线为过零点的一条直线 见图3 32 图3 32电感传感器经相敏检波后的输出特性 3 5 4单片差动变压器信号调节电路AD5981AD598信号调节器的基本特点及主要技术指标AD598是一种完整的单片式线位移差动变压器 LVDT 信号调节系统 AD598与LVDT配合 能够将LVDT的机械位置转换成单极性或双极性输出的高精度直流电压 AD598将所有的电路功能都集中在一块芯片上 只要增加几个外接无源元件 就能确定激磁频率和输出电压的幅值 在芯片内部 AD598将LVDT处理的次级输出信号按比例地转换成直流信号 图3 33AD598功能框图 AD598信号调节器的基本特点如下 AD598提供了一个用单片器件解决LVDT信号调节问题的方案 它只要求外接几个无源元件 AD598能够适用于多个不同类型的LVDT 因为AD598的输入电压 输出电压 频率适应范围都很宽 AD598的输出电压达24Vrms 它能够直接驱动LVDT