第六章电感传感器

第六章电感传感器 电气信息学院 电感式传感器 1 定义 电感传感器是将被测量转换为线圈的自感或互感的变化来测量的装置 2 特点 结构简单 可靠 输出功率高 分辨力高 0 01 m 灵敏 几百mV 1mm 线性较好 0 05 0 1 稳定 抗干扰能力强 但频率响应低 不宜进行快速动态测量 2 1概述 一 简单自感传感器工作原理1 结构 由线圈 铁心和衔铁组成 2 2自感传感器 2 线圈自感电动势 3 线圈自感L p164 一般导磁体的磁阻与空气隙的磁阻相比很小 可忽略 空气隙相对截面积 空气隙厚度 磁路欧姆定律 可变磁阻式 自感型 可变磁阻式位移传感器 a b c d a 可变导磁面积型 b 差动型 c 单螺管线圈型 d 双螺管线圈差动 变S型 线性 灵敏度低 行程较长变气隙型 线性较差 灵敏度较高 行程短 螺管式 结构简单灵敏度较低行程长 三 差动自感传感器1 组成 由两个具有公共衔铁的完全相同的自感传感器组成 衔铁处于中间位置时 U0 02 特点 抗干扰能力强 灵敏度提高一倍 线性好 精度及特性变好 电磁吸力对测量力的影响相互抵消 四 测量电路 L I V的幅值 频率 相位的变化 基本测量电路通常都采用交流桥路 Z1 Z ZZ2 Z Z U U0 U0 一般电桥 四 测量电路基本测量电路通常都采用交流桥路 四 测量电路基本测量电路通常都采用交流桥路 如衔铁上移 1 L1 Z1 Z Z 2 L2 Z2 Z Z 2 变压器电桥 如衔铁下移 Z1 Z ZZ2 Z Z相差1800 变压器电桥简单 输出阻抗小 应用广泛 结论 输出U0的大小与位移的大小相关 输出U0的方向与位移方向相关 可相差1800但交流表只能反映输入的大小 无法辩向 残余电压是由于结构上不对称及励磁电压中有高次谐波等原因造成 3 相敏整流电路 既反映输入的大小 又能辩向 在中间位置时 Z Z1 Z2输出为零如衔铁上移 Z1 Z ZZ2 Z Z当电源上正下负时 VR1VR2输出仍下正上负所以 当衔铁上移时 输出下正上负 其大小与位移相关 P167 同理 如衔铁下移 Z1 Z ZZ2 Z Z当电源上正下负时 VR1 VR2输出上正下负当电源上负下正时 VR1 VR2输出仍上正下负所以 当衔铁下移时 输出上正下负 其大小与位移相关 4 特点简单 输出功率大 精度较高 但输出与激励电源频率相关 要求有稳频电源 5 应用测位移 派生量 压力 流量 厚度 震动等 量程 100mm 例子 P168 一 概念 差动变压器是互感传感器 是把被测位转换为传感器线圈的互感的变化量 由于常做成差动的 故称差动变压器 二 工作原理主要由一个线框和一个铁心组成 一次线圈一组 二次线圈两组 2 3差动变压器 Es x x 当铁芯在平衡位置时 US1 US2 e21 e22 差动变压器输出电势 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 差动变压器输出特性 空载时的等效电路 中间位置时 M1 M2输出为零如铁芯上移 M1 M MM2 M M如铁芯下移 M1 M MM2 M M 与U21极性相同 与U21极性相反 三 特性1 灵敏度 一般大于50mV mm V提高灵敏度的措施 提高Q值 增大尺寸 长度 直径 1 2 2 0增大铁芯直径 采用导磁率高的材料 提高励磁电压 2 频率特性 激磁频率一般取 10 50KHZ 也可在5 400KHZ内 但频率太高引起温度及频率误差增大频率太低引起铁损及偶合电容影响增大 矛盾 f U2 f L U2 4 温度特性温度误差主要受机械部分的热胀冷缩和一次线圈中的电阻的温度系数影响 5 零点残余电压及其消除方法零点残余电压主要由结构的不对称 和高谐波等引起 采用相敏整流电路使输出同时反映铁芯移动的大小与方向 并大大减少零点残余电压 也可附加调零电路解决 取最佳值 四 测量电路为反映铁心移动的方向 在差动测量电路中常采用差动整流器 一 涡流的概念涡流 成块的金属置于变化着的磁场中或者在磁场中运动时 金属体内都要产生感应电动势形成电流 这种电流在金属体内是自己闭合的 称为涡流 其大小与 x 有关 2 4涡流传感器 二 涡流传感器的特点可进行非接触测量 动态响应好 灵敏度高 主要测量位移 厚度 振动以及探伤等 应用极为广泛 三 分类高频反射涡流传感器低频透射传感器 五 高频反射涡流传感器 基本工作原理 等效电路 I1 1 I2 2 原线圈L变化 反射电阻 反射电感 讨论 1 M R2 因此RS R1 2 线圈的等效电感 若金属导体为磁性材料时 M L1 若金属导体为非磁性材料 L1不变 M L2 故从总的结果来看LS L1 3 线圈原有的品质因数Q0 L1 R1 当产生电涡流效应后 线圈的品质因数Q LS RS 显然Q Q0 分析 R2 r M r l 反射电阻L2 L l M r l 反射电感可用函数式表示如下 线圈的阻抗是一个多元函数 若其它因素不变 则单值函数关系成立 3 结构形式主要是一个安装在框架上的线圈 线圈内可绕成一个扁平圆形粘贴于框架上 也可在框架上开一条槽 导线绕制在槽内而形成一个线圈 4 测量方法1 调频法 震荡器 f计 f V 电压表 f x 2 调幅法5 影响高频反射涡流传感器灵敏度的因素1 并非真正的单值函数2 被测物体形状对测量的影响 D d 3 5 3 材质的影响 U0 石英震荡器 放大 检波 指示 x 渗透深度与励磁电流的频率相关 六 低频透射涡流传感器 U1 i1 1 i i 2 U2下面线圈的感应电压U2主要与M的厚度相关 还与U的幅值 频率以及两线圈的匝数以及相对位置相关 小 选f500HZ 大 选f2kHZ f3 f2 f1 f2 f3 f1 d d 七 涡流传感器的应用特点 为非接触测量 线性度好 分辨率好 大量程 重0 01 m 40mm 体积小 重量轻 驱动功率小 灵敏度好 0 1 1V mm 利用 x可测位移 派生量为厚度 震幅 转速 热膨胀系数钢水的液位 可进行材质判别 非磁性材料 可测量应力 硬度 x综合影响可进行金属的探伤 适用于旋转机械轴振动 轴向位移 偏心 胀差 转速 轴心轨迹 表面不平度 转角 差动等物理量进行在线监测 还可用于磨床精密定位 非导电村料厚度测量 金属元件计数 它与汽轮发电机监控仪表配套使用 可监视汽轮发电机工作状态和测量振动 温度 转速等数十种参数 6 应用 测振幅 四电容式传感器 传感器及应用技术 DO 2型电涡流传感器 由前置放大器和电涡流型探头组合构成 它是一种趋近式传感系统 由于其长期工作可靠性好 灵敏度高 抗干扰能力强 采用非接触测量 响应速度快 耐高温 能在油 汽 水等恶劣环境下长期连续工作 技术参数 探头直径 mm 8 10 16 18 25 32 40 线性范围 mm 2 4 6 8 14 5 18 22 灵敏度 v mm 8 4 2 2 1 0 8 0 6 工作温度 探头 40 150延长电缆 40 150前置器 30 70 线性误差 1 频率响应 0 5KHz 工作电源 23 25VDC 电感接近开关 晶体管停振型接近开关 电容三点式振荡器 整定开关的动作距离 当金属检测体接近感应头时 在金属检测体中将产生涡流 由于涡流的去磁作用使感应头的等效参数发生变化 改变振荡回路的谐振阻抗和谐振频率 使振荡减弱 直至停止 并以此发出接近信号 感应距离从0 6mm到75mm 探测金属物体 电感式接近开关BERO3RG4 MaterialHandling Detectpositionofboxes Detectionofphysicalpresencevialifter Detectnon metallicobjects Conveyortechnique Bo