第三章电感式传感器.ppt

1,第三章电感式传感器,一、自感式传感器,1、变气隙型自感传感器,工作原理：磁路的磁阻变化引起传感器线圈电感变化（自感、互感、电涡流）,应用领域：位移、振动、力、应变、流量、加速度等物理量,可变气隙的铁心线圈：线圈，铁心，衔铁被测量（位移）气隙磁路磁阻线圈电感,特点：结构简单，工作可靠，寿命长，性能良好，适于恶劣环境使用存在交流零位信号（零残电压），不适于高频测试,等效电路：L-线圈电感，Rc线圈铜耗电阻，Re铁心涡耗电阻，Rh(f)磁滞损耗电阻C线圈寄生电容,2,保持气隙l不变,传感器线圈电感量：气隙较小，认为气隙磁场均匀，忽略磁路铁损：,0-真空磁导率，0=410-7(H/m)W-线圈匝数；S-磁通截面积；l-磁路长度；l-气隙总长；r-铁心和衔铁的相对磁导率；,对同一传感器线圈：W、0、S、l、r均为常数，常数K=0W2S,线圈电感：,电感的变化只与气隙长度有关，非线性,输出灵敏度：,气隙：增大灵敏度-减小气隙-受到工艺和结构的限制。常取气隙尺寸（即测量范围）为=l/2=0.10.5mm。,灵敏度：负号表示灵敏度随着气隙的增加而减小,2、变面积型自感传感器,衔铁沿水平方向移动,磁通截面积S变化,电感变化,3,传感器线圈的电感：忽略气隙磁通边缘效应线性,输出灵敏度：,气隙：增大灵敏度-减小气隙-受到工艺和结构的限制、边缘效应常取气隙尺寸为=l/2=0.10.5mm（与变气隙型相同）,负号表示灵敏度随着气隙的增加而减小,3、螺管型自感传感器,传感器线圈的电感：,g-比磁导,传感器的输出灵敏度：,特点：由于气隙大，磁路磁阻大，故灵敏度较前两者低。提高衔铁与套筒的直径比与长度比（结构与非线性限制）增加砸数（受到稳定性限制）若主磁通不变以及线圈绕阻排列均匀，可得到较大的线性范围,4,4、差动式自感传感器,单一式自感传感器：由于线圈电流的存在，使衔铁受到单向电磁力的作用，输出信号易受电源电压和频率波动、温度变化等干扰传感器输出的非线性限制了使用（变面积型传感器）不适于精密测量。,差动式：由两个单一形式的结构对称组合，改善其性能，,变气隙型差动传感器：输出灵敏度,灵敏度提高了一倍。对电源电压与频率的波动以及温度变化等外界干扰也有补偿作用，从而提高了传感器的稳定性。,5,5、自感传感器的测量电路,（1）测量电路组成：,（2）测量电桥：,传感器线圈：Z1=r1+jL1，Z2=r2+jL2Z1=Z+Z，Z2=Z-Z初始状态：r10=r20=r0，L10=L20=L0外接电阻：R1=R2=R,输出电压：,近似线性E-振荡器稳幅极性：方向相敏检波,6,若衔铁上移：Z1变大，Z2减小，U正半周：D1、D4导通，D2、D3截止，UCUD，输出正电压,初始状态：Z1=Z2，输出U0=0,7,理论上-当衔铁处于中间位置时，输出为零实际上-零位不平衡，输出零为电压-电气参数不对称、几何尺寸偏差,（6）零残电压补偿：,（5）滤波电路：滤除交流信号-直流电压,危害：使提前放大器饱和；控制产生误动作；伺服电机发热-补偿,Ra：使线圈电阻相等，消除基波分量Rb：对某线圈分流，改变工作点减小二三级谐波C：补偿次级线圈不对称,8,二、互感式传感器（差动变压器）,1、互感传感器工作原理,变压器：闭合磁路初级、次级互感为常数一个次级互感传感器：开磁路初级、次级互感随衔铁移动变化两个次级（差动）,U、I-初级线圈激励电压、电流，频率L1,R1-初级线圈电感、电阻；L21,R21,L22,R22-两个次级线圈电感、电阻；M1,M2-初级线圈与次级线圈1、2的互感；,当衔铁处在中间位置时：M1=M2，输出为零当衔铁偏离中间位置时：M1M2，输出与M1-M2成比，与衔铁位移成正比,传感器开路输出：,W1、W2：初级、次级线圈匝数0：初始气隙：衔铁位移,9,2、互感传感器结构,变气隙型：a,b,c变面积型：d,e螺管型：f,10,3、互感传感器测量电路,（1）测量电路组成：,（2）辨向解调电路：,差动相敏检波电路：,差动整流电路：,11,三、电感传感器的应用,1、电感式位移传感器,测量范围：零点几几百毫米线性度：0.5%，0.1%，0.05%，0.02%分辨力：0.1m0.01m，1nm,(1)电感式位移传感器：测端10：宝石球头（玛瑙）测杆8：上下轴向移动导轨7：滚动式-多排钢珠，过盈，摩擦小，误差小，精度高，寿命长滑动式-间隙（测杆-导套），易磨损，精度低，寿命低，大行程片簧式-无间隙，无摩擦，精度高，测力变化大，行程小，体积大磁芯3：螺管型线圈4：差动弹簧5：蝶簧，产生测力密封圈9：防尘，防水，防污,12,(2)横向电感式位移传感器：,测杆1：杠杆片簧铰链14：支点，转轴磁芯6：螺管型线圈5：差动弹簧11：产生测量力,13,(3)电感式测厚仪:,(4)差动变压器式位移传感器：,辊轮1/3：测量，感受厚度变化测微螺杆4：传递位移杠杆7：传递位移，放大刻度盘5：初始距离（大数）,测头1：测杆5：导轨：片簧4弹簧9：产生测力磁芯7：线圈8：,14,压力-弹性敏感元件（膜盒、膜片、波纹管）-位移-电感,2、电感式压力传感器,接头1：前端膜盒2：弹性元件，感受压力变化磁芯6：线圈5：电路板4：无需放大，解调，滤波测量范围：（-4+6）*104Pa,15,力-弹性敏感元件（膜盒、膜片、波纹管）-变形-位移-电感,3、电感式力传感器,加速度-质量块2（磁芯、衔铁）-位移-电感,4、电感式加速度传感器,1-线圈：2-磁芯：3-弹性体：,3-片簧：导轨，弹性元件，弹簧刚度大，衔铁质量小-测量加速度弹簧刚度小，衔铁质量大-测量振幅,16,四、电涡流传感器,1、电涡流传感器工作原理,发起：20世纪70年代工作原理：电涡流效应特点：结构简单，灵敏度高，频响宽，不受油污等介质的影响应用：测量-距离、位移、振动、厚度、温度、转速、硬度等,参数变化：被测导体-几何形状、电导率、磁导率线圈-几何参数、电流大小和频率、其他-线圈与导体距离保持其他参数不变，只改变一个参数-测量，非线性：修正,交变电流,传感器线圈,被测导体,交变磁场H1,电涡流,交变磁场H2,电感、阻抗、品质因数等变化,17,2、电涡流传感器结构,（1）反射式电涡流传感器：,结构：1-传感器线圈：扁平，粘接铜、银、合金2-框架：固定线圈，要求损耗小、电性能好、热胀系数小高频陶瓷、聚酰亚胺、环氧玻璃纤维、聚四氟乙烯3-衬套；4-支座；5-电缆；6-插头：,线圈外径：外径大：分布曲线平直-线性范围大，分布曲线平坦-灵敏度低，外径小：分布曲线弯曲-线性范围小，分布曲线陡峭-灵敏度高，线性范围：一般为线圈外径的1/31/5,线圈内径和厚度：影响较小，近距离时灵敏度略有变化,线圈轴向磁感应强度分布,提高灵敏度：增加磁芯：减少匝数，提高Q值，扩大测量范围,18,被测导体：-传感器的一部分-参数影响,被测导体直径的影响,电涡流密度径向分布,电导率：电导率越高，灵敏度越高,磁导率：磁导率越高，灵敏度越低，剩磁影响测量结果-消磁,均匀性：镀层，杂质，厚度不均，干扰信号,形状：平面-曲面-曲率半径D3.5d：不影响测量结果；D=d：下降为70%,电涡流分布-厚度：高频激励-表面薄层，径向：有限范围-涡流区,涡流密度不等：D=d时：涡流密度最大D=1.8d：下降为5%D1.8d）,厚度：t0.2mm不影响（铜铝：t0.07mm）,19,激励频率：激励频率高：贯穿深度小，曲线陡峭，线性范围小，灵敏度高,-测薄板激励频率低：贯穿深度大，曲线平坦，线性范围大，灵敏度低-测厚板,（2）透射式电涡流传感器：,原理：低频激励-贯穿深度大，适于测量金属厚度h,贯穿深度：,材料特性：不同材料-电阻率不同-激励频率不同温度变化-影响电阻率变化-影响测量结果-使导体温度恒定,结构：发射线圈L1-激励电压U1；接收线圈L2-感应电压U2金属板-厚度越大，涡流损耗越大，感应电压越小，,：导体材料电阻率f：激励频率,20,3、电涡流传感器的应用,（1）电涡流测距传感器：,1-涡流板：被测导体2-传感器：固定线圈3-浮子；传递液位,测量金属导体绝对距离，大量程：几百毫米，分辨率0.1%小量程：十几微米，分辨力几十纳米,（2）电涡流厚度测距传感器：,应用：测量金属厚度，,测量金属导体镀层厚度,特点：非接触，范围宽，反应快，适于在线检测,透射式：发射线圈-接收线圈,反射式：两个高频反射式电涡流传感器，对称布局，板厚度变化-距离变化,21,（3）电涡流温度传感器：,在较小的温度范围内，金属导体的电阻率与温度的关系,结构：1-补偿线圈：补偿环境温度2-管架：基体，支撑固定3-测温线圈：感受电阻率变化4-隔热衬垫：隔热，5-温度敏感元件：电阻温度系数大（磁性材料）,特点：不受介质影响（涂料、油、水）；可实现非接触测问：辐射测温（热辐射）反应快：热惯性小（1ms）,保持传感器的机、电、磁各参数不变，输出只受电阻率影响-温度测量,t、t0：温度；：电阻温度系数,（4）电涡流硬度传感器：,导体表面硬度-磁导率-电涡流强度,用于：测量液体、气体、水汽等温度,22,五、感应同步器（平面变压器）,1、感应同步器工作原理,平面绕组：定尺绕组-固定，连续绕组，节距：W2=2(a2+b2)滑尺绕组-移动，断续绕组，节距：W1=2(a1+b1)相差：W2/4-90正弦绕组，余弦绕组,激励：滑尺绕组，正弦电压,感应：定尺绕组，电磁耦合，感应电势，频率-与激励电压相同；幅值-激励频率，耦合长度，间隙，两个绕组的相对位置，周期,23,特点：脉冲输出-数字量，计数器抗干扰-稳定，可靠；可测较大位移-定尺三重绕组可达4m,带型可达3m。无摩擦-绕组间隙，寿命长，定滑尺之间应保持在0.250.05mm工艺好-平面绕组，易于接长，安装简单，维护方便，与光栅传感器相比，抗干扰能力强，对环境要求低，机械结构简单。应用：测量线位移，测量角位移,24,2、感应同步器结构形式,直线型:,旋转型,标准长度：定尺250mm，滑尺100mm，测量长度150mm,3、感应同步器的接长,接长：误差增大，输出电势减弱。在数控机床、加工中心及某些专用测试仪器中可作为测量元件。,测量直线式位移；目前测长误差为1m/250mm,分