电感式传感器测量液位高度

1、电感式传感器测液位高度在监测锅炉水位方面的应用1设计名称： 22摘要 23应用背景与目的： 24设计原理： 35设计任务及技术指标： 66悬臂梁结构设计： 77应变电桥的选择及设计计算 .错误!未定义书签。8电桥电路的选择设计与分析 .错误!未定义书签。一 .设计名称：电感式传感器测液位高度二.摘要当液位高度变化时，引起浮子的变化，浮子与衔铁相连，进而带动衔铁运 动，衔铁的运动，使差动变压器的次级线圈互感电流变化，输出电流（电压） 发生变化。通过电表将变化信息显示出来， 实现物理量等非电量向电量的转化。三.应用背景与目的:锅炉是利用燃料或其他能源的热能，把水加热成为热水或蒸汽的机械设备。因 此

2、，水位高度的监测尤为重要。 将电感式传感器，应用到锅炉系统当中，对锅 炉水位进行实时监测，能时刻掌握锅炉水位变化情况，防止意外发生。四.设计原理:1. 差动变压器：一种广泛用于电子技术和非电量检测中的变压装置。用于 测量位移、压力、振动等非电量参量。它既可用于静态测量，也可用于动态测 量。差动变压器的基本组成部分包括一个线框和一个铁心。在线框上设置一个原绕组和两个对称的副绕组，铁心放在线框中央的圆柱形孔中。在原绕组中施加交流电压时，两个副绕组中就会产生感应电动势el和e2。如果两个副绕组按反向串联（图1）,则它的总输出电压u2=u21 - u22el-e2。当 铁心处在中央位置时，由于对称关系

3、，e1=e2,输出电压u2为零。如果铁心向右移动，则穿过副绕组 2的磁通将比穿过副绕组 1的磁通多，于是感应电动势 e2e1，差动变压器输出电压 u2不等于零，而且输出电压的大小与铁心位移x之间基本成线性关系，其特性如图2所示，呈V字形。用适当的测量电路测量， 可以得到差动变压器输出与位移x成比例的线性读数。最常用的测量电路是差动整流电路，它把两个次级电压分别整流后，以它们的差作为输出。差动整流 电路有电流输出型和电压输出型，前者用于连接低阻抗负载的场合；电压输出 型差动整流电路则用于连接高阻抗负载的场合.差动变压器的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。其基

4、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。螺管形差动变压器根据初、（a）气隙型（b）螺管型1初级线圈；2.3次级线圈；4衔铁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。 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2. 测量电路：差动变压器输出电压为交流信号，它与衔铁移动的位移成正 比。用交流电压表测量其输出值只能

5、反映衔铁位移大小，不能判别衔铁移动的 方向，因此采用差动整流电路来实现方向这一问题。电路图如下：Adjt - Q *辰射狛 k肚MJ常祠ft 貫自百羁田* Gtf英曰 P 卜全波整流电路和波形图LF;it匕/、clrrlxlrl-tsA *2 n XZ卑酣崔aM+oUR .:-.口 口 卄厂厂 M LLJ k B 已 Ld.-J 團卫 fy : 33”垂趣韭* Ji C*ijrLwir*卄i| SHiH *BAi *Mfi J1g：i XAJtl tSB-iD.i 标淳 *AL d删hpi&i；J兰直-惮4该电路是根据半导体二极管单向导通原理进行解调的，假设传感器上面的二次线圈的输出瞬时波形为

6、上半周，a点为正，b点为负，则在上线圈中，电流自 a点出发，路径是a-1-4-2-3-b 。反之，如a点为负，b点为正，则电流路径为 b-3-4-2-1-a 。可见，无论二次线圈输出电压瞬时极性如何，通过电阻R的电流总是4-2。3. 整体思路：当液位高度变化时，弓起浮子的变化，浮子与衔铁相连，进 而带动衔铁运动，衔铁的运动，使差动变压器的次级线圈互感电流变化，输出 电流（电压）发生变化。通过电表将变化信息显示出来，实现物理量等非电量 向电量的转化。五.零件尺寸:量程：0-3.15m ;浮子：材料为钢（密度为P =7.8 x 103kg/m3）外径D=50mm空心直径d=48mrp 质量为32.

7、7g滑轮：D滑轮=50mm传动轴：长度为 24mm螺距为1mm直径为10mm电桥电压：5V。六.结构设计:1.变压器：220v/6.4v=n1/n2,线圈匝数之比约为34.原理图如下：口 ti 口 1齡卫陽夕八丨常M代啤1押易SI1上欽3.J ISH6I gf 駅 u4w!檢iM凹耳| NB |1 1II .IMw呻丈31 ”角ni 航 I*TJ. WE-HI 位t% tiu -Bn JII Hfc H hwmaz/JonraDrJaorflf * G w J A稳压电口 口Kr片 hri陸A亠R 世11 k m XttSIXSlJAltPrl ZZ XX -l和O I丄护电“丹疥A2.测量电

8、路：基本原理图如下，水位的变化引起浮子系统变化，进而带动衔铁的运动，使二次线圈的互感发生变化，导致电流表示数变化。实现了非电量向电量的转化，达到测液位高度的目的。.Z| *丄甘d,“f -1茸比%承1鼻腳蛊屯空1国 士d | 胡S|倉Mt皿妙经*塑乂 H 11* 牲皿亍挖4-垢gr* | 吟Ljvt毛 | Hiri-ajrw导 | 隱 理岂| 鬲 AulaAZ毎时-忙!淖血”13&2皿心时孕qSaigj 4些 直峙旳 谢 遊归 祐 描戒曲 lwj左口 切虽s-mi 口:赫 *Mmnz/a 0 n广3导卍co乐乐口少3冉nurtvx胆卞5)1TO1I 州ffl Az J* 孑甘血也88+D印Qi

9、-Y 口CJ卄厂厂逍* rg:0霍上T色 卜m a h m u “空更 W剔wUul士|丄円 ？划苗3.浮子传动结构设计及计算(1).浮子尺寸计算：查阅资料得知，浮子结构为空心球，外径D=50mm材料为钢(密度为p =7.8 x 103kg/m3)。浮在水面时有一半的体积在空气中。 二G=F浮,m=p v 7.8 x 103kg/m3 x 4/3 x 3.14 x (0.05/2) 3-r 3 x 10N/kg=1 x 103kg/m3x 10N/kg x 4/3 x 3.14 x (0.05/2) 3/2解得：r=24mm即空心直径d=48mm浮子质量：m=p v= F 浮/g=1 x 10

10、3kg/m3 x 4/3 x 3.14 x (0.05/2) 3/2=32.7g浮子重力：G=mg=0.327N(2).量程计算：滑轮直径50mm滑轮所在传动轴直径为 10mm螺距为1mm 衔铁可移动范围是20mm所以要求滑轮可转过 20圈，滑轮周长C=n D=3.14x 50=175.5mm,量程为 20 x C=3150mm=3.15m(3).滑轮传动具体结构如下图:利用涡轮原理，滑轮随着浮子的上下移动而在传动轴上转动，因此，就会产生 一个轴向位移，推动衔铁运动，达到测量目的。z y-JcFEW ;硝遛-匚“.a三A【、声牡 * 闻 hl-Mlr ii 材一心 i*-ii ea.ni &卫

11、叶 mriu.童口期:忙柯為事1衣目#丨*】I 迈亀gi：apilll*-嶽L护前 了-X6细线会弯曲，但是因为2.2N2.0N,故细线又会收紧，带动滑轮运动。将轴向位移传递给衔铁。2. 当水位下降时，F浮2.2N.所以浮子能够克服游丝扭矩向下移动。达到同步作用。综上，在两种情况下的液位变化都能将位移传递给衔铁，实现非电量的转化， 达到测量目的。5.实物仿真图七.误差分析: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

12、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。图中el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

13、扰等。零点残余电压产生原因： 基波分量。由于差动变压器两个次级绕组不可能完全一致，因此它的等效电 路参数（互感M自感L及损耗电阻R）不可能相同，从而使两个次级绕组的感 应电势数值不等。又因初级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。 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。消除零点残余电压方

14、法：1从设计和工艺上保证结构对称性为保证线圈和磁路的对称性，首先，要求提高加工精度，线圈选配成对， 采用磁路可调节结构。其次，应选高磁导率、低矫顽力、低剩磁感应的导磁材 料。并应经过热处理，消除残余应力，以提高磁性能的均匀性和稳定性。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。2. 选用合适的测量线路采用相敏检波电路不仅可鉴别衔铁移动方向，而且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。如图，采用相敏检波后衔铁反行程时的特 性曲线由1变到2,从而消除了零点残余电压。相敏检波后的输出特性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，

15、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。调相位式残余电压补偿电路并联电位器 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卩F）可防止调整电位器时使零点移动。电位器调零点残余电压补偿电路 接入R0（几百kQ ）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R或L补偿电路成本预算表格材料单价销售公司用 量总计变压器4.02 元/Kg天津鲁岳销售有限公司1Kg4元线圈230 元/Kg无锡鼎井金属材料有限公司10g2.3元电阻18元/片威海诺金传感技术有限公司1片18元电流表7 元/Kg上海赫特化工有限公司2Kg14元二极管35 元/Kg广州帅源化工有限公司500g17.5 元滑轮0.2元/个深圳红利丰科技有限公司5个1元传动轴/50元104.8元游丝 衔铁 铜管 细线 浮球 其他各成员具体职责：?项目经理：总体的项目策划，确保项目目标实现，协调各组员的工作，参与方案设计，进行设计书的编写与