第四章 电感式传感器.ppt

本章主要内容4 1自感式传感器4 1 1气隙型自感传感器4 1 2螺管型自感传感器4 1 3自感线圈的等效电路4 1 4测量电路 1 交流电桥 2 变压器电桥4 1 5自感式传感器的应用4 2差动变压器4 2 1结构原理与等效电路4 2 2误差因素分析4 2 3测量电路4 2 4差动变压器的应用 1 加速度传感器 2 微压力变送器4 3电涡流式传感器工作原理4 4电感式传感器的应用 1 位移测量 2 振动测量 3 连续油管的椭圆度测量 4 电感式滚柱直径分选装置 5 无损探伤 目录 本章主要内容掌握自感式传感器的工作原理 了解其分类掌握自感式传感器的等效电路和测量电路熟悉差动变压器的工作原理了解差动变压器的测量电路了解电涡流式传感器的工作原理熟悉电感式传感器的主要应用 4 1自感式传感器有气隙型和螺管型两种结构 4 1 1气隙型自感传感器1 工作原理组成 线圈1 衔铁3和铁芯2等 图中点划线表示磁路 磁路中空气隙总长度为l 0 5l 1 2 3 x a 气隙式 b 变截面式 变化曲线示意图 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 简化得 2 特性分析主要特性 灵敏度和线性度 若忽略高次项 则自感变化灵敏度为 结论 当气隙l 发生变化时 自感的变化与气隙变化均呈非线性关系 其非线性程度随气隙相对变化 l l 的增大而增加 气隙减少 l 所引起的自感变化 L1与气隙增加同样 l 所引起的自感变化 L2并不相等 即 L1 L2 其差值随 l l 的增加而增大 差动变隙式电感传感器 当衔铁向上移动时 两个线圈的电感变化量 L1 L2 对上式进行线性处理 即忽略高次项得 灵敏度k0为 结论 1 差动变间隙式自感传感器的灵敏度是单线圈式传感器的两倍 2 单线圈是忽略以上高次项 差动式是忽略以上高次项 因此差动式自感式传感器线性度得到明显改善 4 1 2螺管型自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和一根圆柱形铁芯 传感器工作时 因铁芯在线圈中伸入长度的变化 引起螺管线圈自感值的变化 当用恒流源激励时 则线圈的输出电压与铁芯的位移量有关 螺管线圈内磁场分布曲线 r x l 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 H IN l x l 结论 1 在线圈中段才有可能获得较高的灵敏度 并且有较好的线性特性 单线圈螺管型传感器 为了提高灵敏度与线性度 常采用差动螺管式自感传感器 2lc lc 2l 线圈 线圈 r 0 8 0 6 0 4 0 2 0 2 0 4 0 6 0 8 0 8 0 8 0 4 1 2 1 2 0 4 x H IN l 差动螺旋管式自感传感器 b 磁场分布曲线 x l a a 结构示意图 结论 1 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 特点 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 4 1 3自感线圈的等效电路 假设自感线圈为一理想纯电感 但实际传感器中包括 线圈的铜损电阻 Rc 铁芯的涡流损耗电阻 Re 和线圈的寄生电容 C C L Rc Re 自感传感器的等效电路 4 1 4测量电路1 交流电桥交流电桥是自感传感器的主要测量电路 为了提高灵敏度 改善线性度 自感线圈一般接成差动形式 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 ZL R1 R2 Z2 Z1 L1 L2 RS1 RS2 交流电桥原理图 USC E Z1 Z2 USC E 2 E 2 E 变压器电桥原理图 I 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 变压器电桥的输出电压幅值 优点 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 1 自感式位移传感器 1传感器引线2铁心套筒3磁芯4电感线圈5弹簧6防转件7滚珠导轨8测杆9密封件10玛瑙测端 4 1 5自感式传感器的应用 2 自感式压力传感器 变隙式自感压力传感器结构图 变隙差动式电感压力传感器 4 1 5自感式传感器的应用 4 2差动变压器4 2 1结构原理与等效电路分气隙型和差动变压器两种 目前多采用螺管型差动变压器 1初级线圈 2 3次级线圈 4衔铁 1 2 4 3 1 2 3 a 气隙型 b 螺管型 基本元件有衔铁 初级线圈 次级线圈和线圈框架等 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 M1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 根据原理图可得 在次级线圈中感应出电压e21和e22 其值分别为 空载输出电压 幅值 输出阻抗 副 0 e2 e2 e21 e22 x 副 原线圈 差动变压器输出电势e2与衔铁位移x的关系 其中x表示衔铁偏离中心位置的距离 4 2 2误差因素分析1 激励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 而频率的波动 只要适当地选择频率 其影响不大 2 温度变化的影响周围环境温度的变化 引起线圈及导磁体磁导率的变化 从而使线圈磁场发生变化产生温度漂移 当线圈品质因数较低时 影响更为严重 因此 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 3 零点残余电压当差动变压器的衔铁处于中间位置时 理想条件下其输出电压为零 但实际上 当使用桥式电路时 在零点仍有一个微小的电压值 从零点几mV到数十mV 存在 称为零点残余电压 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 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等 0 e2 x x e20 4 2 3测量电路用交流电压表不能测得方向 因此常采用差动整流电路和相敏检波电路进行测量 取得衔铁位移的大小和移动的方向 1 差动整流电路当f点为 e点为 则电流路径是fgdche 当f点为 e点为 则电流路径是ehdcgf e1 R R c a b h 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 2 相敏检波电路容易做到输出平衡 便于阻抗匹配 图中调制电压er和e同频 经过移相器使er和e保持同相或反相 且满足er e 调节电位器R可调平衡 图中电阻R1 R2 R0 电容C1 C2 C0 输出电压为UCD 当铁芯在中间时 e 0 只有er起作用 输出电压UCD 0 若铁芯上移 e 0 设e和er同相位 由于er e 故er正半周时D1 D2仍导通 但D1回路内总电势为er e 而D2回路内总电势为er e 故回路电流i1 i2输出电压UCD R0 i1 i2 0 当er负半周时 UCD R0 i4 i3 0 因此铁芯上移时输出电压UCD 0 当铁芯下移时 e和er相位相反 同理可得UCD 0 由此可见 该电路能判别铁芯移动的方向 4 2 4应用可用于测量振动 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 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 4 3电涡流式传感器当导体置于交变磁场或在磁场中运动时 导体上引起感生电流ie 此电流在导体内闭合 称为涡流 涡流大小与导体电阻率 磁导率 以及产生交变磁场的线圈与被测体之间距离x 线圈激励电流的频率f有关 显然磁场变化频率愈高 涡流的集肤效应愈显著 即涡流穿透深度愈小 其穿透深度h可表示 导体电阻率 cm r 导体相对磁导率 f 交变磁场频率 Hz 可见 涡流穿透深度h和激励电流频率f有关 所以涡流传感器根据激励频率 高频反射式或低频透射式两类 目前高频反射式电涡流传感器应用广泛 一 结构和工作原理主要由一个安置在框架上的扁平圆形线圈构成 此线圈可以粘贴于框架上 或在框架上开一条槽沟 将导线绕在槽内 下图为CZF1型涡流传感器的结构原理 它采取将导线绕在聚四氟乙烯框架窄槽内 形成线圈的结构方式 1 2 3 4 5 6 1线圈2框架3衬套4支架5电缆6插头 当被测体与传感器间的距离d改变时 传感器的Q值和等效阻抗Z 电感L均发生变化 于是把位移量转换成电量 低频投射式和高频反射式动画 4 4电感式传感器的典型应用 4 4 1位移测量 induNCDT系列位移传感器如图是induNCDT系列位移传感器的外形图 它主要用于位移 振动 转速测量 传感器的前置放大器被集成安装在传感器壳体里 其输出信号与测量位移成正比 在传感器测量量程内线性精度优于 2 induNCDT系列位移传感器的外形图 4 4 2振动检测 RS9300低频振动速度传感器RS9300低频振动传感器属于惯性式传感器 利用磁电感应原理把振动信号变换成电信号 主要由磁路系统 惯性质量 弹簧阻尼