第二章力传感器2.ppt

1 第二节电感式传感器 变磁阻 InductiveTransducer sensor 自感式传感器气隙型自感传感器螺管型自感传感器自感线圈的等效电路测量电路自感式传感器应用差动变压器结构原理与等效电路误差因素分析测量电路应用电涡流式传感器 定义 是一种利用线圈自感或互感的变化实现非电量测量的装置 是一种机电转换装置 感测量 位移 振动 压力 应变 流量 密度等 分类 3 优点 结构简单 可靠 测量力小衔铁为 0 5 200 10 4N时 磁吸力为 1 10 10 4N 分辨力高机械位移 0 1 m 甚至更小 角位移 0 1角秒 输出信号强 电压灵敏度可达数百mV mm 重复性好 线性度优良在几十 m到数百mm的位移范围内 输出特性的线性度较好 且比较稳定 不足 存在交流零位信号 不宜于高频动态测量 4 一 自感式传感器有气隙型和螺管型两种结构 一 气隙型自感传感器组成 线圈 铁芯和衔铁等 磁路中空气隙总长度为l 衔铁移动时l 发生变化 引起磁路的磁阻Rm变化 使电芯线圈的电感值L变化 只要改变气隙厚度或气隙截面积就可以改变电感 5 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 6 N 线圈匝数 Rm 磁路总磁阻 铁芯与衔铁磁阻和空气隙磁阻 气隙式自感传感器 因为气隙较小 l 为0 1 1mm 所以 认为气隙磁场是均匀的 若忽略磁路铁损 则磁路总磁阻为l1 铁芯磁路总长 l2 衔铁的磁路长 S 隙磁通截面积 S1 铁芯横截面积 S2 衔铁横截面积 1 铁芯磁导率 2 衔铁磁导率 0 真空磁导率 0 4 10 7H m l 空气隙总长 由磁路基本知识知 线圈自感为 7 由于自感传感器的铁芯一般在非饱和状态下 其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 所以上式可简化为 如果S保持不变 则L为l 的单值函数 构成变隙式自感传感器 若保持l 不变 使S随位移变化 则构成变截面式自感传感器 其特性曲线如图 L f l 为非线性关系 当l 0时 L为 考虑导磁体的磁阻 当l 0时 并不等于 而具有一定的数值 在l 较小时其特性曲线如图中虚线所示 如上下移动衔铁使面积S改变 从而改变L值时 则L f S 的特性曲线为一直线 8 二 螺管型自感传感器工作原理 基于线圈磁力线泄漏路径上的磁阻的变化 属于大气隙传感器 分单线圈和差动式两种结构形式 组成 螺管线圈和圆柱形铁芯 传感器工作时 通过改变磁芯在线圈中的相对位置 引起螺管线圈自感量的变化 当用恒流源激励时 假定线圈内磁场强度是均匀的 且磁芯插入线圈的长度小于线圈本身的长度 则此时线圈的输出的自感量为 9 L 线圈的自感量 N 线圈的匝数 rc 磁芯半径 r 线圈的平均半径 l 螺管线圈长度 lc 磁芯插入线圈的长度 r 铁心相对磁导率 根据传感器灵敏度的定义 可知单线圈螺管型自感传感器灵敏度 或 可见 在线圈和磁芯长度一定时 自感相对变化量与磁芯插入长度的相对变化量成正比 但由于线圈内磁场强度的不均匀性 实际单线圈螺管型自感传感器的输出特性并非线性 而差动螺管型自感传感器较单线圈螺管型的非线性有所改善 10 为了提高灵敏度与线性度 常采用由两个线圈组成的差动螺管式自感传感器 图 b 中H f x 曲线表明 为了得到较好的线性 铁芯长度取0 6l时 则铁芯工作在H曲线的拐弯处 此时H变化小 这种差动螺管式自感传感器的测量范围为 5 50 mm 非线性误差在0 5 左右 11 螺管式自感传感器的特点 结构简单 制造装配容易 由于空气间隙大 磁路的磁阻高 因此灵敏度低 但线性范围大 由于磁路大部分为空气 易受外部磁场干扰 由于磁阻高 为了达到某一自感量 需要的线圈匝数多 因而线圈分布电容大 要求线圈框架尺寸和形状必须稳定 否则影响其线性和稳定性 12 三 自感线圈的等效电路 实际传感器中包括 铜损电阻 Rc N为线圈匝数 lcp为平均每匝长度d为线径 c为导线电阻率 涡流损耗电阻 Re 并联分布电容 C 由线圈绕组的分布电容及电缆引线电容组成 并联电容后 传感器的灵敏度提高了 因此在测量中若需要改变电缆长度时 则应对传感器的灵敏度重新校准 13 四 测量电路1 交流电桥实际应用中 交流电桥常和差动式自感传感器配合使用 这样既提高了灵敏度 又改善了线性度 如图 Z1 Z2为工作臂 即线圈阻抗 R1 R2为电桥的平衡臂 电桥平衡条件 设Z1 Z2 Z RS j L R1 R2 RRS1 RS2 RS L1 L2 LE为桥路电源 ZL是负载阻抗 工作时 Z1 Z Z和Z2 Z Z 14 其输出电压幅值 当ZL 时 输出阻抗 为自感线圈的品质因数 15 桥路输出电压Usc包含与电源E同相和正交两个分量 在实际测量中 只希望有同相分量 如能使或Q值比较大 均能达到此目的 但在实际工作时 RS RS一般很小 所以要求线圈有高的品质因数 当Q值很高时 Usc 当Q值很低时 自感线圈的电感远小于电阻 电感线圈相当于纯电阻 Z Rs 交流电桥即为电阻电桥 例如 应变测量仪 此时输出电压Usc 该电桥结构简单 其电阻R1 R2可用两个电阻和一个电位器组成 调零方便 16 2 变压器电桥平衡臂为变压器的两个副边 当负载阻抗为无穷大时 流入工作臂的电流为 初始Z1 Z2 Z RS j L 故平衡时 USC 0 双臂工作时 设Z1 Z Z Z2 Z Z 相当于差动式自感传感器的衔铁向一侧移动 则 同理反方向移动时 17 可见 衔铁向不同方向移动时 产生的输出电压Usc大小相等 方向相反 即相位互差180 可反映衔铁移动的方向 但是 为了判别交流信号的相位 需接入专门的相敏检波电路 优点 变压器电桥与电阻平衡电桥相比 元件少 输出阻抗小 桥路开路时电路呈线性 缺点 变压器副边不接地 易引起来自原边的静电感应电压 使高增益放大器不能工作 变压器电桥的输出电压幅值 输出阻抗为 略去变压器副边的阻杭 它远小于电感的阻抗 18 五 自感式传感器的应用 主要应用于测量位移和尺寸 也可以测量能够转换为位移量的其他参数 如力 压力 压差 张力 加速度 扭矩 应变等 轴向自感式传感器 测量尺寸 压力传感器 1弹簧2调节螺钉3 7铁心4 6差动线圈5衔铁 1引线2铁心3衔铁4线圈5弹簧6防转销7钢球导轨8测杆9密封套10可换侧头 19 二 差动变压器 DifferentialTransformerSensor 一 结构原理与等效电路分气隙型和螺管型两种 目前多采用螺管型差动变压器 可测量1 100mm范围内的机械位移 其基本元件有衔铁 初级线圈 次级线圈和线圈框架等 初级线圈作为差动变压器激励用 相当于变压器的原边 而次级线圈由结构尺寸和参数相同的两个线圈反相串接而成 相当于变压器的副边 螺管型差动变压器根据初 次级排列不同有二节式 三节式 四节式和五节式等形式 20 3 2 1 2 1 2 1 1 2 a b c d 1 2 1 1 2 差动变压器线圈各种排列形式1初级线圈 2次级线圈 3衔铁 3 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 21 在理想情况下 忽略线圈寄生电容及衔铁损耗 差动变压器的等效电路如图 初级线圈的复数电流值为 e2 R21 R22 e21 e22 e1 R1 M1 M2 L21 L22 L1 e1初级线圈激励电压L1 R1初级线圈电感和电阻M1 M2分别为初级与次级线圈1 2间的互感L21 L22两个次级线圈的电感R21 R22两个次级线圈的电阻 I1 激励电压的角频率 e1 激励电压的复数值 由于Il的存在 在次级线圈中产生磁通 Rm1及Rm2分别为磁通通过初级线圈及两个次级线圈的磁阻 N1为初级线圈匝数 22 N2为次级线圈匝数 因此空载输出电压 在次级线圈中感应出电压e21和e22 其值分别为 其幅值 输出阻抗 或 23 铁芯向右移 输出与e22同极性 铁芯向左移 输出与e21同极性 输出电压的幅值取决于线圈互感即衔铁在线圈中移动的距离X e2与e1的相位由衔铁的移动方向决定 24 二 误差因素分析1 激励电源电压幅值与频率的影响激励电源电压幅值的波动 会使线圈激励磁场的磁通发生变化 直接影响输出电势 差动变压器激励频率的选择至少要大于衔铁运动频率的10倍 即可测信号频率取决于激励频率 一般在2kHz以内 另外还受到测量系统机械负载效应的限制 2 温度变化的影响在周围环境温度变化时 会引起差动变压器线圈电阻及导磁体磁导率的变化 从而导致输出电压 灵敏度 线性度和相位的变化 当线圈品质因数较低时 这种影响更为严重 在这方面采用恒流源激励比恒压源激励有利 适当提高线圈品质因数并采用差动电桥可以减少温度的影响 25 3 零点残余电压当差动变压器的衔铁处于中间位置时 由于对称的两个次级线圈反向串接 理论上其输出电压为零 但实际上 当使用桥式电路时 差动输出电压并不为零 总会有零点几mV到数十mV的微小的电压值存在 不论怎样调整也难以消除 我们把零位移时差动变压器输出的电压称为零点残余电压 零点残余电压使得传感器输出特性不过零点 如图是扩大了的零点残余电压的输出特性 零点残余电压的存在造成零点附近的不灵敏区 零点残余电压输入放大器内会使放大器末级趋向饱和 影响电路正常工作等 26 1基波正交分量2基波同相分量3二次谐波4三次谐波5电磁干扰 图中e1为差动变压器初级的激励电压 e20包含基波同相成分 基波正交成分 二次及三次谐波和幅值较小的电磁干扰波 27 零点残余电压产生原因 基波分量 两个次级绕组等效电路参数 互感M 自感L及损耗电阻R 不可能相同 一次线圈中铜损电阻及导磁材料的铁损和材质的不均匀 线圈匝间电容的存在等因素 使激励电流与所产生的磁通相位不同 因此 无论衔铁如何移动都不可能使合成电势为零 高次谐波 高次谐波分量主要由导磁材料磁化曲线的非线性引起 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一致产生了非正弦 主要是三次谐波 磁通 从而在次级绕组感应出非正弦电势 另外 激励电流波形失真 因其内含高次谐波分量 这样也将导致零点残余电压中有高次谐波成分 28 消除零点残余电压方法 1 从设计和工艺上保证结构对称性 要求提高衔铁等重要零件的加工精度 两次级线圈绕法要完全一致 必要时对两次级线圈进行选配 把电感和电阻值十分接近的两线圈配对使用 磁性材料必须经过适当处理 以消除内部残余应力 并使其磁性能的均匀性及稳定性较好 结构上可采用磁路调节机构结构 以提高磁路的对称性 由高次谐波产生的因素可知 磁路工作点应选在磁化曲线的线性段 29 消除零点残余电压方法 2 选用合适的测量线路 选用合适的测量线路可减小零点残余电压输出 如采用相敏检波电路 可使经相敏检波后衔铁反行程时的特性曲线由1变到2 如图 这样的测量电路不仅可以鉴别衔铁移动方向 而且可以把衔铁在中间位置时 因高次谐波引起的零点残余电压消除掉 30 3 采用补偿线路 由于两个次级线圈感应电压相位不同 并联电容可改变其一的相位 也可将电容C改为电阻 如图 a 由于R的分流作用将使流入传感器线圈的电流发生变化 从而改变磁化曲线的工作点 减小高次谐波所产生的残余电压 图 b 中串联电阻R可以调整次级线圈的电阻分量 e1 e2 C R e1 e2 C R a b 调相位式残余电压补偿电路 31 并联电位器W用于电气调零 改变两次级线圈输出电压的相位 如图所示 电容C 0 02 F 可防止调整电位器时使零点移动 e1 e2 C R1 R2 W 电位器调零点残余电压补偿电路 32 R或L补偿电路 e1 e2 L0 W e1 e2 R0 W a b 接入R0 几百k 或补偿线圈L0 几百匝 绕在差动变压器的初级线圈上以减小负载电压 避免负载不是纯电阻而引起较大的零点残余电压 电路如图 33 三 测量电路差动变压器的输出电压为交流 它与衔铁位移成正比 用交流电压表测量其输出值只能反映衔铁位移的大小 不能反映移动的方向 因此常采用差动整流电路和相敏检波电路进行测量 34 全波整流电路和波形图 e1 R R c a b h g f d e USC 衔铁在零位以下 eab t t t eab t t t eab t ecd t USC t ecd USC USC ecd 衔铁在零位以上 衔铁在零位 b a 在f点为 则电流路径是fgdche 参看图a 反之 如f点为 则电流路径是ehdcgf 1 差动整流电路根据半导体二极管单向导通原理进行解调的 35 2 相敏检波电路图为二极管相敏检波电路 图中UR为参考电压 其频率与U0相同 相位与U0同相或反相 并且UR U0 即二极管的导通与否取决于UR 工作原理 1 衔铁在中间位置时 U0 0 电流表中无读数 2 若衔铁向上移动 信号电压U0上正下负为正半周 假定参考电压UR极性为左正右负 此时D1 D2截止 而D3 D4导通 信号电流方向为 B R mA F E D3 G D4 C 电流表的极性是上正下负 同理负半周结果相同 3 当被测量方向变化使衔铁下移时 输出电压U0的相位与衔铁上移时相反 36 四 应用测量振动 厚度 应变 压力 加速度等各种物理量 1 差动变压器式加速度传感器用于测定振动物体的频率和振幅时其激磁频率必须是振动频率的十倍以上 才能得到精确的测量结果 可测量的振幅为 0 1 5 mm 振动频率为 0 150 Hz 稳压电源 振荡器 检波器 滤波器 b a 220V 加速度a方向 a 输出 1 2 1 1弹性支承2差动变压器 37 2 微压力变送器将差动变压器和弹性敏感元件 膜片 膜盒和弹簧管等 相结合 可以组成各种形式的压力传感器 220V 1接头2膜盒3底座4线路板5差动变压器6衔铁7罩壳 V 振荡器 稳压电源 差动变压器 相敏检波电路 1 2 3 4 5 6 7 这种变送器可分档测量 5 105 6 105 N m2压力 输出信号电压为 0 50 mV 精度为1 5级 38 3 液位测量沉筒式液位计将水位变化转换成位移变化 再转换为电感的变化 差动变压器的输出反映液位高低 39 4 电感测厚仪L