检测课件(第三章)2013-3-19

1、本章介绍本章介绍自感传感器自感传感器和和差动变压器差动变压器的结构、的结构、分类、工作原理、特性参数、测量转换电路分类、工作原理、特性参数、测量转换电路、零点残余电压、零点残余电压、相敏检波电路相敏检波电路、差动整流电差动整流电路路，电感传感器用于，电感传感器用于微小位移的测量。微小位移的测量。电流电流输出型传感器输出型传感器，以及，以及一次仪表一次仪表和和二线制仪表二线制仪表的相关知识。也简单介绍了的相关知识。也简单介绍了磁电式传感器磁电式传感器的的原理及应用。原理及应用。第三章第三章 电感传感器电感传感器 3.1 3.1 自感传感器自感传感器3.2 3.2 差动变压器传感器差动变压器传感器

2、3.3 3.3 电感传感器的应用电感传感器的应用3.4 3.4 磁电式传感器的原理及应用磁电式传感器的原理及应用第三章第三章 电感传感器电感传感器 目录目录进入进入进入进入进入进入进入进入电感传感器可分为自感式和互感式两大类。电感传感器可分为自感式和互感式两大类。电感式传感器电感式传感器通常通常是指自感传感器是指自感传感器。自感系数常用自感系数常用L来表示来表示，简称自感或电感简称自感或电感。线圈的自感与线圈的直径、长短、匝数等因素线圈的自感与线圈的直径、长短、匝数等因素有关。有关。线圈面积越大、线圈越长、单位长度匝线圈面积越大、线圈越长、单位长度匝数越密，它的自感就越大数越密，它的自感就越大

3、。有铁芯的线圈的自。有铁芯的线圈的自感比没有铁芯时大很多。感比没有铁芯时大很多。自感的单位是亨利自感的单位是亨利,简称亨简称亨,符号是符号是H。常用的。常用的较小的单位有毫亨较小的单位有毫亨(mH)和微亨和微亨(H)。自感传感器的数值多为自感传感器的数值多为mH数量级数量级。 第一节第一节 自感传感器自感传感器 先看一个实验：先看一个实验： 将一只将一只380V交流接触器绕组与交流毫安交流接触器绕组与交流毫安表串联后，接到机床用控制变压器的表串联后，接到机床用控制变压器的36V交交流电压源上。毫安表的初始值约为几十毫流电压源上。毫安表的初始值约为几十毫安。若慢慢将接触器的活动铁心（称为衔安。若

4、慢慢将接触器的活动铁心（称为衔铁）往下按时，会发现铁）往下按时，会发现毫安表的读数逐渐毫安表的读数逐渐减小减小。当衔铁与固定铁心之间的气隙等于。当衔铁与固定铁心之间的气隙等于零时，毫安表的读数只剩下十几毫安。零时，毫安表的读数只剩下十几毫安。 电感传感器的基本工作电感传感器的基本工作原理演示原理演示F F220V准备工作准备工作电感传感器的基本工作电感传感器的基本工作原理演示原理演示气隙减小，气隙减小，电感变大电感变大，电流变小电流变小F F变隙式电感传感器的基本工作变隙式电感传感器的基本工作原理原理 当铁心的气隙较大时，磁路的磁阻当铁心的气隙较大时，磁路的磁阻Rm也也较大，线圈的电感较大，线

5、圈的电感L及感抗及感抗XL 较小，所以电较小，所以电流流I 较大。当铁心闭合时，较大。当铁心闭合时，气隙气隙变小变小，磁阻磁阻变小变小，电感电感L变大，变大，电流电流I减小减小。 (3 1)2LUUUIZXfL202NAL自感式电感传感器常见的形式自感式电感传感器常见的形式 a）变隙式）变隙式 b）变截面角位移式）变截面角位移式 c）螺线管式）螺线管式1绕组绕组 2铁心铁心 3衔铁衔铁 4测杆测杆 5导轨导轨 6工件工件 7转轴转轴减小铁心与衔铁之间的减小铁心与衔铁之间的有效投影面积有效投影面积，在较小的，在较小的范围内，电感成比例减小。范围内，电感成比例减小。变极距式电感传感器的特性近似双曲

6、线变极距式电感传感器的特性近似双曲线变面积式电感传感器变面积式电感传感器的理论特性为线性的理论特性为线性AA1-绕组 2-铁心 3-衔铁变面积式电感传感器变面积式电感传感器也 称 为也 称 为变 截 面 式变 截 面 式电 感 传 感电 感 传 感器器 。 必 须必 须保持气隙保持气隙固定不变固定不变，电感电感L是气是气隙 与 固 定隙 与 固 定铁 心 之 间铁 心 之 间的 有 效 投的 有 效 投影截面积影截面积A的函数的函数。 衔铁上下移动，导致衔衔铁上下移动，导致衔铁与铁心的有效投影面积铁与铁心的有效投影面积和电感的改变。和电感的改变。A有效投有效投影面积影面积电感传感器的输出特性电

7、感传感器的输出特性a）变隙式电感传感器的）变隙式电感传感器的 -L特性曲线特性曲线 b）变面积式电感传感器的）变面积式电感传感器的A-L特性曲线特性曲线1实际输出特性实际输出特性 2理想输出特性理想输出特性螺线管式电感传感器螺线管式电感传感器螺线管螺线管是具有是具有多重卷绕的导多重卷绕的导线，线，卷绕内部可以是空心的，卷绕内部可以是空心的，或者有一个磁芯。当有电流通或者有一个磁芯。当有电流通过导线时，过导线时，螺线管中间部位会螺线管中间部位会产生比较均匀的磁场产生比较均匀的磁场。作为传。作为传感器，螺线管电感传感器的主感器，螺线管电感传感器的主要元器件是一只螺线管和一根要元器件是一只螺线管和一

8、根可移动的圆柱形衔铁。可移动的圆柱形衔铁。衔铁插衔铁插入绕组后，将引起螺线管内部入绕组后，将引起螺线管内部的磁阻的减小的磁阻的减小，电感随插入的电感随插入的深度而增大深度而增大。L空心空心螺线管螺线管x螺线管式电感传感器的线性区螺线管式电感传感器的线性区 对于长螺线管（对于长螺线管（l r），当衔铁工作在螺线管接近），当衔铁工作在螺线管接近中部位置时，可以认为绕组内磁场强度是均匀的，此中部位置时，可以认为绕组内磁场强度是均匀的，此时绕组的电感量时绕组的电感量L与衔铁插入深度成正比。与衔铁插入深度成正比。螺线管越长，螺线管越长，线性区就越大线性区就越大。螺线管式电感传感器的。螺线管式电感传感器的

9、线性区约为螺线性区约为螺线管长度的线管长度的1/10。测杆应选用非导磁材料，电导率也。测杆应选用非导磁材料，电导率也应尽量小，以免增加铁磁损耗和电涡流损耗。应尽量小，以免增加铁磁损耗和电涡流损耗。例例：采用螺线管电感传感器测量直径为：采用螺线管电感传感器测量直径为100mm的工件的工件是否合格，被测工件的最大允许误差为是否合格，被测工件的最大允许误差为 1.5mm，求求：应选长度大于多少毫米的螺线管应选长度大于多少毫米的螺线管？解解：D=21.5mm=3mm，则螺线管长度为：，则螺线管长度为：l 3mm10倍倍=30mm（不包括外壳）。（不包括外壳）。电感传感器的灵敏度电感传感器的灵敏度1绕组

10、绕组 3可动衔铁可动衔铁 4测杆测杆 6被测工件被测工件采取以下措施可以提高电感灵采取以下措施可以提高电感灵敏度：敏度：在绕组不致过热的情况在绕组不致过热的情况下，可适当提高励磁电压，但以下，可适当提高励磁电压，但以不超过不超过10V为宜为宜；激励源激励源电源电源频率以频率以110kHz为好为好。如果频。如果频率太低，感抗较小，激励电流较率太低，感抗较小，激励电流较大；频率太高，衔铁的磁滞损耗大；频率太高，衔铁的磁滞损耗加大，分布电容也将引起绕组的加大，分布电容也将引起绕组的Q值下降；值下降；选用导磁性能好、选用导磁性能好、铁损小、电涡流损耗小的导磁材铁损小、电涡流损耗小的导磁材料作为衔铁的材

11、料料作为衔铁的材料，例如铁氧体、，例如铁氧体、非晶铁磁材料等。非晶铁磁材料等。当衔铁偏离中间位置时，两个绕组的电感一当衔铁偏离中间位置时，两个绕组的电感一个个增加增加, ,一个减小一个减小, ,形成形成差动形式差动形式。 差动电感传感器差动电感传感器a)变隙式差动传感器变隙式差动传感器b)螺线管差动传感器螺线管差动传感器1上差动绕组上差动绕组 2铁心铁心 3衔铁衔铁 4下差动绕组下差动绕组 5测杆测杆 6工件工件 7基座基座2021-11-216由于两个绕组的由于两个绕组的结构完全对称结构完全对称，电磁吸力电磁吸力以及以及温漂温漂相互抵消。相互抵消。差动电感传感器动作演示差动电感传感器动作演示

12、 差动螺线管式差动螺线管式差动变隙式差动变隙式差动式电感传感差动式电感传感器对外界影响，如器对外界影响，如温度的变化、电源温度的变化、电源频率的变化频率的变化等基本等基本上可以互相抵消，上可以互相抵消，衔铁承受的衔铁承受的电磁吸电磁吸力也较小力也较小，从而减，从而减小了测量误差。小了测量误差。线性度改善线性度改善，灵灵敏度增加一倍敏度增加一倍。采用差动型式的优点采用差动型式的优点差动电感传感器的特性差动电感传感器的特性 1上绕组特性上绕组特性 2下绕组特性下绕组特性 3L1、L2差接后的特性差接后的特性从曲线图可以看出从曲线图可以看出,与与非差动非差动电感传感器相电感传感器相比较，差动式电感传

13、感比较，差动式电感传感器的特性曲线的器的特性曲线的斜率变斜率变大，灵敏度提高；大，灵敏度提高；输出输出曲线变直，线性度改善。曲线变直，线性度改善。二、电感传感器的测量转换变压器桥路二、电感传感器的测量转换变压器桥路1衔铁的位衔铁的位移曲线移曲线 2激励源波激励源波形形 3交流电桥交流电桥的输出波形的输出波形4普通检波普通检波之后的直流平之后的直流平均值均值 5相敏检波相敏检波之后的直流平之后的直流平均值均值t0衔铁上下位移到达差动螺线管绕组中间位置的时刻衔铁上下位移到达差动螺线管绕组中间位置的时刻e0零点残余电压的瞬时值零点残余电压的瞬时值 E0零点残余电压的平均值零点残余电压的平均值采用相敏

14、检波电路的必要性采用相敏检波电路的必要性检波：将交变信号转换为直流平均值。检波：将交变信号转换为直流平均值。检波电路的作用是将电感的变化转换成直流检波电路的作用是将电感的变化转换成直流电压或电流，以便用仪表指示出来。电压或电流，以便用仪表指示出来。但若仅但若仅采采用电桥电路配以普通的检波电路，则用电桥电路配以普通的检波电路，则只能判别只能判别位移的大小位移的大小，却，却无法判别输出电压的相位和位无法判别输出电压的相位和位移的方向移的方向。如果在输出电压送到指示仪前，经过一个能如果在输出电压送到指示仪前，经过一个能判别相位的检波电路，则不但可以反映判别相位的检波电路，则不但可以反映幅值幅值（位移

15、的大小）（位移的大小），还可以反映输出电压的，还可以反映输出电压的相位相位（位移的方向）（位移的方向）。这种检波电路称为。这种检波电路称为相敏检波相敏检波电路电路。普通的整流电路及波形普通的整流电路及波形只能得到单一方向的直流电，不能反映被只能得到单一方向的直流电，不能反映被整流信号的相位。整流信号的相位。全波整流后全波整流后,正负半周均变为正电压正负半周均变为正电压检波用于信号转换；检波用于信号转换；整流用于功率转换。整流用于功率转换。一种典型的相敏检波电路（有配套模块）一种典型的相敏检波电路（有配套模块）参考电压参考电压UR起相敏开关电路作用起相敏开关电路作用，并，并能克服检波二能克服检波

16、二极管死区电压对小信号检波的影响极管死区电压对小信号检波的影响。相敏检波电路的输出波形比较相敏检波电路的输出波形比较 第第1根信号波形为传感器输出电压根信号波形为传感器输出电压us的波形，被被测的波形，被被测物的低频振动所调制物的低频振动所调制；第第2根为参考电压根为参考电压UR的波形的波形，（大于被测信号（大于被测信号10倍以上）；倍以上）； 第第3根为相敏检波后的低频振动波形（解调信号根为相敏检波后的低频振动波形（解调信号) 。相敏检波相敏检波输出特性与非相敏检波比较输出特性与非相敏检波比较a）普通检波）普通检波 b）相敏检波）相敏检波1理想特性曲线理想特性曲线 2实际特性曲线实际特性曲线

17、 E0零点残余电压零点残余电压 x0位移的不灵敏区位移的不灵敏区具有中央零位的指示仪表实测得到的实测得到的 相敏检波电路相敏检波电路的特性曲线的特性曲线 通过调零电通过调零电路，可使输出路，可使输出曲线平移到原曲线平移到原点。点。衔铁位移时的实验数据及曲线衔铁位移时的实验数据及曲线第二节第二节 差动变压器传感器差动变压器传感器 复习电工知识：复习电工知识： 全波全波整流电路整流电路中用到的中用到的“单相变压器单相变压器”有有一个一次绕组一个一次绕组，有，有两个二次绕组两个二次绕组。 当一次线圈加上交流激磁电压当一次线圈加上交流激磁电压Ui后，将后，将在两个二次线圈中产生感应电压在两个二次线圈中

18、产生感应电压UO1O1、UO2O2。在全波整流电路中，在全波整流电路中，两个二次绕组正向串联两个二次绕组正向串联，总电压等于总电压等于两个二次线圈的电压之和两个二次线圈的电压之和。回目录回目录请将请将变压器的变压器的二次绕组二次绕组N21、N22的有关端点的有关端点按按全波整流电路全波整流电路的要求的要求正确地连接起来。正确地连接起来。普通的全波整流变压器接线普通的全波整流变压器接线两个二次侧绕组两个二次侧绕组同向串联同向串联（第一个绕组的第一个绕组的尾端与第二个绕组的首端相连尾端与第二个绕组的首端相连），），串联后的串联后的输出电压等于两个绕组电压之和输出电压等于两个绕组电压之和。 变压器的

19、两个变压器的两个二次绕组二次绕组N21、N22的有关端点按的有关端点按全波整流电路全波整流电路的的连接：连接：Uo10V10V=20V接地接地差动变压器传感器的工作原理差动变压器传感器的工作原理 差动变压器是把差动变压器是把被测位移量被测位移量转换为一次线圈与转换为一次线圈与二次绕组间的二次绕组间的互感量互感量M的变化的变化的装置。由于两个的装置。由于两个二次线圈采用二次线圈采用差动接法差动接法，故称为，故称为差动变压器差动变压器。目前应用最广泛的结构型式是螺线管式差动变目前应用最广泛的结构型式是螺线管式差动变压器。压器。 在差动变压器的线框上绕有在差动变压器的线框上绕有一个输入绕组一个输入绕

20、组（称一次绕组）；（称一次绕组）；在同一线框的在同一线框的上端上端和和下端下端再再绕制两个绕制两个完全对称的绕组完全对称的绕组（称二次线圈（称二次线圈），它），它们们反向串联（输出电压相互抵消）反向串联（输出电压相互抵消），组成，组成差动差动输出输出形式。形式。图中标有图中标有黑点黑点的一端称为的一端称为同名端同名端，通俗的说法是指通俗的说法是指绕组绕组的的“头头”。 差动变压器式传感器的等效电路及接线差动变压器式传感器的等效电路及接线 结构特点：结构特点： 两个二次绕组两个二次绕组反向串联，组成反向串联，组成差动输出形式。差动输出形式。 请将二次绕组请将二次绕组N21、N22的有关的有关端点

21、正确地连接端点正确地连接起来，并指出哪起来，并指出哪两个为输出端点。两个为输出端点。差动接法的输出电压为差动接法的输出电压为uo= u21-u22差动变压器的输出波形差动变压器的输出波形.差动变压器的输出特性差动变压器的输出特性1理想输出特性理想输出特性 2非相敏检波实际输出特性非相敏检波实际输出特性 3相敏检波实际输出特性相敏检波实际输出特性 x0位移的不灵敏区位移的不灵敏区灵敏度与线性度灵敏度与线性度 差动变压器的灵敏度一般可达差动变压器的灵敏度一般可达10mV/(mmV)，行程越小，灵敏度越高。行程越小，灵敏度越高。 为了提高灵敏度，励磁电压不超过为了提高灵敏度，励磁电压不超过10V为宜

22、。为宜。电源频率以电源频率以110kHz为好。为好。 差动变压器线性范围约为线圈骨架长度的差动变压器线性范围约为线圈骨架长度的1/10左右左右。 例例：欲测量：欲测量120mm 2mm轴的直径误差，轴的直径误差，应应选择线圈骨架长度选择线圈骨架长度为多少的差动变压器（或电为多少的差动变压器（或电感传感器）为宜感传感器）为宜 ？ （注：（注：x=4mm）差动变压器的差动整流测量电路差动变压器的差动整流测量电路差动变压器的二次电压差动变压器的二次电压u21、u22分别经分别经VD1VD4、VD5VD8组成的两个普通桥式电路整流，变成直流电组成的两个普通桥式电路整流，变成直流电压压Ua0和和Ub0。

23、由于。由于Uao与与Ubo是反向串联是反向串联的，所以的，所以UC3=Uab=Ua0- -Ub0。该。该电路是以两个桥路整流后的直流电路是以两个桥路整流后的直流电压之差作为输出电压之差作为输出,不涉及相位不涉及相位。 RP是调零电位器。是调零电位器。工件直径工件直径D增大，增大，衔铁上移时的输出衔铁上移时的输出波形波形在第一象限在第一象限 3、4和和3、4组成低通滤波电路组成低通滤波电路，其其时间常数时间常数10T （T为激励源的周期）为激励源的周期）Ua0Ub0 ,所以所以Uab 0输出直流电压为正值输出直流电压为正值 工件直径工件直径D减小，减小，衔铁下移时的输出波衔铁下移时的输出波形形在

24、第四象限在第四象限,可以从可以从输出电压的正负值来判输出电压的正负值来判断衔铁位移的方向断衔铁位移的方向。 当差动变压器采用差动整流测量电路时当差动变压器采用差动整流测量电路时,应恰当设置二次绕组的电压应恰当设置二次绕组的电压,使在衔铁最大使在衔铁最大位移时位移时,仍然能仍然能大于二极管的死区电压大于二极管的死区电压（0.5V）的）的10倍倍,才能克服二极管的才能克服二极管的正向非正向非线性的影响线性的影响,减小测量误差。减小测量误差。Ua0Ub0 ,所以所以Uab 0输出直流电压为负值输出直流电压为负值差动整流的特点差动整流的特点电路是以两个桥路整流后的直流电压之差作电路是以两个桥路整流后的

25、直流电压之差作为输出的，所以称为差动整流电路。它为输出的，所以称为差动整流电路。它不但可不但可以反映位移的大小（电压的幅值），还可以反以反映位移的大小（电压的幅值），还可以反映位移的方向映位移的方向。 上图中的上图中的RP是用来微调电路平衡是用来微调电路平衡的，的， VD1VD4、VD5VD8组成组成普通桥式整流电路普通桥式整流电路， 3、4、3、4组成组成低通滤波电路低通滤波电路，1及及21、22、f、23组成组成差动减法放大器差动减法放大器，用，用于克服于克服a、b两点的两点的对地共模电压对地共模电压。 线性差动变压器（线性差动变压器（LVDT）随着微电子技术的发展，随着微电子技术的发展，

26、目前已能目前已能将差动整流电路将差动整流电路中的激励源、相敏或差动中的激励源、相敏或差动整流电路、信号放大电路、整流电路、信号放大电路、温度补偿电路等做成厚膜温度补偿电路等做成厚膜电路电路，装入差动变压器的，装入差动变压器的外壳（靠近电缆引出部位）外壳（靠近电缆引出部位）内，它的内，它的输出信号可设计输出信号可设计成符合国家标准的成符合国家标准的1 15V5V或或4 420mA20mA，这种型式的，这种型式的差动变压器称为差动变压器称为线性差动线性差动变压器变压器。第三节第三节 电感式传感器的应用电感式传感器的应用 一、位移测量位移测量 轴向式电感轴向式电感测微器的外形测微器的外形 高可靠性高

27、可靠性航空插头航空插头耐磨耐磨红宝石测头红宝石测头回目录回目录其他电感测微头其他电感测微头模拟式及模拟式及数字式数字式电感测微仪电感测微仪比较比较轴向式电感测微器的内部结构轴向式电感测微器的内部结构 1引线电缆引线电缆 2固定磁筒固定磁筒 3衔铁衔铁 4线圈线圈 5测力弹簧测力弹簧 6防转销防转销 7钢球导轨（直线轴承）钢球导轨（直线轴承） 8测杆测杆 9密封套密封套 10测端测端 11被测工件被测工件 12基准面基准面 轴向式电感测微器特性轴向式电感测微器特性量程量程3m时的绝对误差：时的绝对误差：0.1m长时间稳定性：长时间稳定性：0.1m/4h（预热（预热15min后，后，3m档。）档。

28、）温度特性：温度特性：1分度值分度值/10电源电压在电源电压在170253V范围内变化对示值范围内变化对示值的影响的影响1/7分度值。分度值。电感式滚柱直径分选装置电感式滚柱直径分选装置 1 1气缸气缸 2 2活塞活塞 3 3推杆推杆 4 4被测滚柱被测滚柱 5 5落料管落料管 6 6电感测微器电感测微器 7 7钨钢测头钨钢测头 8 8限位挡板限位挡板 9 9电磁翻板电磁翻板 1010滚柱的公差分布滚柱的公差分布 1111容器（料斗）容器（料斗） 1212气源处理三联件气源处理三联件电感式滚柱直径分选装置电感式滚柱直径分选装置 测微仪测微仪圆柱滚子圆柱滚子电感式滚柱直径分选装置电感式滚柱直径分

29、选装置外形外形 滑道滑道分选分选仓位仓位轴承滚子外形轴承滚子外形电感式滚柱直径电感式滚柱直径分选装置分选装置外形外形2 2落料振动台落料振动台滑道滑道11个分选仓位个分选仓位废料仓废料仓电感式滚柱直径分选装置（电感式滚柱直径分选装置（机械结构放大）机械结构放大）汽缸汽缸控制键盘控制键盘直径测微装置直径测微装置长度测微装置长度测微装置滑道滑道机械及气动元件机械及气动元件电感测微器电感测微器汽缸汽缸 气水分离器气水分离器（供气三联件）（供气三联件）储气罐储气罐导气管导气管 气压表气压表（0.4MPa左右）左右）二位五通电磁换向阀二位五通电磁换向阀驱动线圈驱动线圈进气孔进气孔P P出气孔出气孔A A

30、出气孔出气孔B B气缸气缸活塞运动方向活塞运动方向直流电磁铁直流电磁铁通电后通电后衔铁的运动方向衔铁的运动方向交流电磁铁交流电磁铁衔铁运动方向衔铁运动方向衔铁衔铁电感式滚柱直径分选界面电感式滚柱直径分选界面 分选结果基分选结果基本符合本符合正态分布正态分布差动变压器式厚度测量原理差动变压器式厚度测量原理 差动变压器式布匹张力控制差动变压器式布匹张力控制当卷取辊转动太快时，布料的张力将增大，导致张力当卷取辊转动太快时，布料的张力将增大，导致张力辊向上位移，使差动变压器的衔铁不再处于中间位置。辊向上位移，使差动变压器的衔铁不再处于中间位置。N21与与N1之间的互感量之间的互感量M1增加，增加，N2

31、2与与N1的互感量的互感量M2减小，减小，因此因此U21增大，增大，U22减小，减小，经差动整流之后，经差动整流之后，Uo为负值，为负值，去控制伺服电动机，使它的转速变慢，从而使张力恒定。去控制伺服电动机，使它的转速变慢，从而使张力恒定。电感式不圆度计电感式不圆度计 采用采用旁向式电感测微头旁向式电感测微头电感式不圆度测试系统电感式不圆度测试系统旁向式电感测微头旁向式电感测微头电感式不圆度测量系统电感式不圆度测量系统旋转盘旋转盘测量头测量头不圆度测量打印不圆度测量打印电感传感器式轮廓仪电感传感器式轮廓仪 旁向式旁向式电感电感 测微头测微头压力压力测量测量 1 1压力输入接口压力输入接口 2 2

32、波纹膜盒波纹膜盒 3 3膜盒的自由端膜盒的自由端 4 4印制电路板印制电路板 5 5差动绕组差动绕组 6 6衔铁衔铁 7 7电源变压器电源变压器8 8罩壳罩壳 9 9指示灯指示灯 1010密封隔板密封隔板 1111安装底座安装底座压力变送器结构压力变送器结构膜盒由两片波纹膜片膜盒由两片波纹膜片焊接而成焊接而成。波纹膜片是波纹膜片是一种压有同心波纹的圆一种压有同心波纹的圆形金属薄膜形金属薄膜。当膜片四当膜片四周固定，两侧面存在压周固定，两侧面存在压差时，膜片将弯向压力差时，膜片将弯向压力低的一侧低的一侧，因此，因此能够将能够将压力转换为位移压力转换为位移。波纹波纹膜片比平膜片柔软得多膜片比平膜片

33、柔软得多，因此因此多用作测量较小压多用作测量较小压力的弹性敏感元器件力的弹性敏感元器件。压力变送器电路分析压力变送器电路分析220V电源变压器的二次侧经桥式整流、电解电容滤波电源变压器的二次侧经桥式整流、电解电容滤波后，输出电压经三端稳压集成块转变成稳定的后，输出电压经三端稳压集成块转变成稳定的18V直流直流电压，为差动变压器的交流激励源提供能源。也电压，为差动变压器的交流激励源提供能源。也可以用可以用开关电源来代替以上的降压、整流、稳压环节开关电源来代替以上的降压、整流、稳压环节。当被测当被测工件的直径工件的直径D为标准值时，为标准值时，u21= u22，UAC =0。当被测工当被测工件的直

34、径件的直径D增大时，增大时，u21增大，增大， u22减小，在滤波电容上合减小，在滤波电容上合成的电压成的电压UAC 为上正下负的直流电压为上正下负的直流电压。幅值与。幅值与D的增量的增量成正比。成正比。 D减小时，减小时， UAC 为上负下正为上负下正。再经。再经U/I转换器，转换器，将输出电压转换成将输出电压转换成420mA的标准输出电流的标准输出电流Io。D（开关电源）（开关电源）一次仪表及电流输出型仪表一次仪表及电流输出型仪表 上述压力变送器已经将传感器与信号调理电上述压力变送器已经将传感器与信号调理电路组合在一个壳体中，这在工业中被称为路组合在一个壳体中，这在工业中被称为一次一次仪表

35、仪表。一次仪表的输出信号可以是一次仪表的输出信号可以是电压电压，也可以是，也可以是电流电流。由于。由于电流信号不易受干扰，且便于远距电流信号不易受干扰，且便于远距离传输离传输（可以不考虑线路压降），所以在工业（可以不考虑线路压降），所以在工业中多采用中多采用电流输出型电流输出型一次仪表。一次仪表。420mA输出方式及二线制仪表输出方式及二线制仪表新的仪表标准规定电流输出为新的仪表标准规定电流输出为420mA；电压输出电压输出为为15V(旧标准为旧标准为010mA或或02V)。4mA对应于零输对应于零输入，入，20mA对应于满度输入。对应于满度输入。不让信号占有不让信号占有04mA这一范围的原因

36、，一方面是这一范围的原因，一方面是有利于有利于判断线路故障（开路）或仪表故障判断线路故障（开路）或仪表故障；另一方面，；另一方面，这类一次仪表内部均采用微电流集成电路，总的耗电这类一次仪表内部均采用微电流集成电路，总的耗电还不到还不到4mA，因此还能利用，因此还能利用04mA这一部分这一部分“本底电本底电流流”为一次仪表的内部电路提供工作电流，使一次仪为一次仪表的内部电路提供工作电流，使一次仪表有可能成为表有可能成为“两线制仪表两线制仪表”。 420mA二线制输出方式简介二线制输出方式简介所谓二线制仪表是指仪表与外界的联系只需所谓二线制仪表是指仪表与外界的联系只需两根导线两根导线。多数情况下，

37、多数情况下，其中一根（其中一根（红色红色）为）为+24V+24V电源线，另一根电源线，另一根（黑色）既作为电源负极（黑色）既作为电源负极引线，引线，又作为信号传输线又作为信号传输线。在信号传输线的末。在信号传输线的末端通过一只标准端通过一只标准“负载电阻负载电阻”（也称（也称“取样电取样电阻阻”）接地接地（也就是电源负极也就是电源负极），就能），就能将电流将电流信号转变成电压信号信号转变成电压信号。 420mA二线制仪表接线方法及负载电阻二线制仪表接线方法及负载电阻若若取样电阻取样电阻RL=250.0 ，则，则对应于对应于420mA的输出的输出电压电压Uo为为15V。这类标准化的传感器或仪表又

38、称为这类标准化的传感器或仪表又称为变送器变送器。变送器的输出信号可直接与电动过程控制仪变送器的输出信号可直接与电动过程控制仪表，表，例如与例如与DDZ-调节器连接调节器连接。420mA二线制数显表外形及二线制数显表外形及HART协议协议 HART(Highway Addressable Remote Transducer)(Highway Addressable Remote Transducer)，可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，是美国可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，是美国ROSEMOUNTROSEMOUNT公司于公司于19851985年推出的一种用于现场智能仪表年推出的一种

39、用于现场智能仪表和控制室设备之间的通信协议。和控制室设备之间的通信协议。420mA二线制数显表外形及二线制数显表外形及HART协议协议HART 数字通讯协议被广泛接受为数字通讯协议被广泛接受为用于数字化增强用于数字化增强的的420mA通通信信协议的工业标准协议的工业标准。在在4-20mA基础上叠基础上叠加低电平的加低电平的HART信号数字信号数字通通信信号信信号 ，可以在同一电，可以在同一电缆上同时被传递，而不会干扰缆上同时被传递，而不会干扰420mA模拟信号模拟信号。420mA二线制仪表的二线制仪表的HART 数字通讯数字通讯.例：例：某两线制电流输出型温度变送器的产品说某两线制电流输出型温

40、度变送器的产品说明书注明其量程范围为明书注明其量程范围为0 010001000，对应输出电，对应输出电流为流为4 420mA20mA。求：。求： 当测得输出电流当测得输出电流I I=12mA=12mA时时的的被测温度被测温度t t。解解 因为该仪表说明书未说明线性度，所以可以认为因为该仪表说明书未说明线性度，所以可以认为输出电流与温度之间为线性关系，即输出电流与温度之间为线性关系，即I与与t的数学关系为的数学关系为一次方程，所以有：一次方程，所以有：I =a0+a1t 当当t =0 时，时，I =4mA，所以，所以a 0=4mA当当p =1000时，时，I =20mA，20= 4+a11000

41、，可得：，可得：a1=0.016mA/，所以该压力变送器的输入所以该压力变送器的输入/输出输出方程为方程为：I =4mA+0.016( mA/)t 将将I=12mA代入代入I =a0+a1t ，得：，得：p =(- -4mA)/a1=(12- -4)/0.016=500。画出该两线制电流输出型温度变送器的画出该两线制电流输出型温度变送器的输入输入/输出曲线输出曲线解解 I =a0+a1p ，x轴为温度坐标轴为温度坐标，y为电流坐标为电流坐标。当当t =0 时，时，I =4mA，当当t=1000时，时，I =20mA，作，作一次直线一次直线：最大的负载电阻的计算最大的负载电阻的计算常见的一次仪表

42、本身所需的最低工作电压为常见的一次仪表本身所需的最低工作电压为12V左右左右。如果电源为。如果电源为36V，那么负载电阻两端，那么负载电阻两端的压降最大只能达到的压降最大只能达到24V，则，则负载电阻最大为负载电阻最大为RL(36V-12V)/20mA1200如果考虑传输电路会有一些压降，则负载电阻如果考虑传输电路会有一些压降，则负载电阻的最大值将随传输电路的电压降增大而减小。的最大值将随传输电路的电压降增大而减小。第四节第四节 磁电式传感器的原理及应用磁电式传感器的原理及应用磁电式传感器是磁电式传感器是基于电磁感应原理基于电磁感应原理,通过磁电通过磁电相互作用将被测非电量相互作用将被测非电量

43、转换成感应电动势转换成感应电动势的传的传感器感器,也称为感应式传感器、也称为感应式传感器、电动式传感器电动式传感器。磁电式传感器磁电式传感器属于自发电型传感器属于自发电型传感器，电路简单，电路简单，输出信号强，适合于振动、转速、扭矩等测量。输出信号强，适合于振动、转速、扭矩等测量。缺点：频率响应低。缺点：频率响应低。回目录回目录 结束结束磁电式传感器的工作原理磁电式传感器的工作原理磁电感应式传感器是以电磁感应原理为基础的。磁电感应式传感器是以电磁感应原理为基础的。根据根据法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律可知，当运动导体在可知，当运动导体在磁场中切割磁力线，或线圈所在磁场的磁通变磁场中切割磁

44、力线，或线圈所在磁场的磁通变化时，导体将产生感生电动势化时，导体将产生感生电动势e，当导体形成闭当导体形成闭合回路就会出现感应电流合回路就会出现感应电流。导体中导体中感应电动势感应电动势e的大小与回路所包围的磁的大小与回路所包围的磁通量的变化率成正比通量的变化率成正比，则，则N匝线圈在变化磁场中匝线圈在变化磁场中感应电动势为：感应电动势为：磁电式传感器工作原理（续）磁电式传感器工作原理（续）当线圈垂直于磁场方向运动以速度当线圈垂直于磁场方向运动以速度v切割磁力切割磁力线时，感应电动势为：线时，感应电动势为：式中：式中：x线圈的位移（线圈的位移（m）；）；l-线圈的平均长度（线圈的平均长度（m）

45、；）；B线圈所在磁场线圈所在磁场 的磁感应强度（的磁感应强度（T）dd=-=-=-ddxeNNlNBlvtt磁电式传感器工作原理（续）磁电式传感器工作原理（续）根据电磁感应定律，根据电磁感应定律，N匝线圈中的感应电动势匝线圈中的感应电动势的大小由的大小由磁通的变化率决定。磁通的变化率决定。实现磁通量变化实现磁通量变化的方法有：的方法有：（1）线圈与磁场发生相对运动；）线圈与磁场发生相对运动；（2）磁路中磁阻变化；）磁路中磁阻变化；（3）恒定磁场中线圈切割磁力线的面积变化。）恒定磁场中线圈切割磁力线的面积变化。当传感器的结构参数确定后，当传感器的结构参数确定后，B 、 l 、N为常为常数数，则，

46、则e与线圈相对于磁场的速度与线圈相对于磁场的速度v成正比成正比。磁电传感器只适合于动态测量磁电传感器只适合于动态测量。且要求磁铁的且要求磁铁的时间、温度等稳定性好时间、温度等稳定性好，可采用，可采用铝镍钴等永磁铝镍钴等永磁合金合金。剩磁最高可达。剩磁最高可达1.3T,温度系数为温度系数为-0.02%/.变磁阻式磁电转速传感器变磁阻式磁电转速传感器线圈线圈3和磁铁和磁铁5静止不动静止不动，测量齿轮测量齿轮2（导磁材料制（导磁材料制成）与旋转体成）与旋转体1上一起转动上一起转动。1-被测旋被测旋转体转体2-齿轮齿轮3-线圈线圈4-软铁软铁 5-永久永久磁铁磁铁 齿轮每转动一个齿，与软铁齿轮每转动一

47、个齿，与软铁4之间构成的磁路之间构成的磁路的磁阻就变化一次的磁阻就变化一次，磁通也就变化一次，线圈，磁通也就变化一次，线圈3中产生的中产生的感应电动势的变化频率等于测量齿轮感应电动势的变化频率等于测量齿轮2上齿轮的齿数上齿轮的齿数z与转速成正比与转速成正比。变磁阻式磁电转速传感器计算变磁阻式磁电转速传感器计算2导磁铁心导磁铁心 3绕组绕组 4永久磁铁永久磁铁 5汽车发动机汽车发动机曲轴转子曲轴转子z齿数齿数 T传感器输出传感器输出脉冲的周期脉冲的周期Z=4例例：测得测得e的频率的频率f=10Hz。求：。求：曲轴转子的转速曲轴转子的转速n（r/min）。）。解解：T=1/f=1/100=0.1s。则曲轴转子每转一圈，产生。则曲轴转子每转一圈，产生4个个脉冲。则曲轴转子每转一圈花费脉冲。则曲轴转子每转一圈花费0.4s，每每1秒转动秒转动2