電感式傳感器 測(cè)量液位高度

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1、 電感式傳感器 測(cè)液位高度 在 監(jiān)測(cè)鍋爐水位方面的應(yīng)用 1設(shè)計(jì)名稱： 2 2摘要 3 3應(yīng)用背景與目的： 3 4設(shè)計(jì)原理： 3 5設(shè)計(jì)任務(wù)及技術(shù)指標(biāo)： 4 6懸臂梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)： 4 7應(yīng)變電橋的選擇及設(shè)計(jì)計(jì)算 5 8電橋電路的選擇設(shè)計(jì)與分析 8 ◆一.設(shè)計(jì)名稱： 電感式傳感器測(cè)液位高度 ◆二.摘要 當(dāng)液位高度變化時(shí)，引起浮子的變化，浮子與銜鐵相連，進(jìn)而帶動(dòng)銜鐵運(yùn)動(dòng)，銜鐵

2、的運(yùn)動(dòng)，使差動(dòng)變壓器的次級(jí)線圈互感電流變化，輸出電流（電壓）發(fā)生變化。通過電表將變化信息顯示出來，實(shí)現(xiàn)物理量等非電量向電量的轉(zhuǎn)化。 ◆三.應(yīng)用背景與目的： 鍋爐是利用燃料或其他能源的熱能，把水加熱成為熱水或蒸汽的機(jī)械設(shè)備。因此，水位高度的監(jiān)測(cè)尤為重要。將電感式傳感器，應(yīng)用到鍋爐系統(tǒng)當(dāng)中，對(duì)鍋爐水位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能時(shí)刻掌握鍋爐水位變化情況，防止意外發(fā)生。 ◆四.設(shè)計(jì)原理： ?? 1.差動(dòng)變壓器：一種廣泛用于電子技術(shù)和非電量檢測(cè)中的變壓裝置。用于測(cè)量位移、壓力、振動(dòng)等非電量參量。它既可用于靜態(tài)測(cè)量，也可用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。差動(dòng)變壓器的基本組成部分包括一個(gè)線框和一個(gè)鐵心。在線框上 設(shè)置一個(gè)

3、原繞組和兩個(gè)對(duì)稱的副繞組，鐵心放在線框中央的圓柱形孔中。在原繞組中施加交流電壓時(shí)，兩個(gè)副繞組中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e1和e2。如果兩個(gè)副繞組按反向串聯(lián)(圖1),則它的總輸出電壓u2=u21－u22≈e1－e2。當(dāng)鐵心處在中央位置時(shí)，由于對(duì)稱關(guān)系，e1=e2，輸出電壓u2為零。如果鐵心向右移動(dòng)，則穿過副繞組 2的磁通將比穿過副繞組1的磁通多，于是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e2>e1，差動(dòng)變壓器輸出電壓u2不等于零,而且輸出電壓的大小與鐵心位移x之間基本成線性關(guān)系,其特性如圖2所示，呈V字形。用適當(dāng)?shù)臏y(cè)量電路測(cè)量,可以得到差動(dòng)變壓器輸出與位移x成比例的線性讀數(shù)。最常用的測(cè)量電路是差動(dòng)整流電路，它把兩個(gè)次級(jí)電壓分別整

4、流后，以它們的差作為輸出。差動(dòng)整流電路有電流輸出型和電壓輸出型，前者用于連接低阻抗負(fù)載的場合；電壓輸出型差動(dòng)整流電路則用于連接高阻抗負(fù)載的場合. 差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)原理與等效電路 分氣隙型和差動(dòng)變壓器兩種。目前多采用螺管型差動(dòng)變壓器。 其基本元件有銜鐵、初級(jí)線圈、次級(jí)線圈和線圈框架等。初級(jí)線圈作為差動(dòng)變壓器激勵(lì)用，相當(dāng)于變壓器的原邊，而次級(jí)線圈由結(jié)構(gòu)尺寸和參數(shù)相同的兩個(gè)線圈反相串接而成，相當(dāng)于變壓器的副邊。螺管形差動(dòng)變壓器根據(jù)初、次級(jí)排列不同有二節(jié)式、三節(jié)式、四節(jié)式和五節(jié)式等形式。 (a)氣隙型 (b)螺管型 1 初級(jí)線圈;2.3次級(jí)線圈;4銜鐵 三節(jié)式的零點(diǎn)電位較小，二節(jié)式比

5、三節(jié)式靈敏度高、線性范圍大，四節(jié)式和五節(jié)式改善了傳感器線性度。 差動(dòng)變壓器線圈各種排列形式 1? 初級(jí)線圈；2 次級(jí)線圈；3 銜鐵 在理想情況下(忽略線圈寄生電容及銜鐵損耗)，差動(dòng)變壓器的等效電路如圖。 初級(jí)線圈的復(fù)數(shù)電流值為 在次級(jí)線圈中感應(yīng)出電壓e21和e22，其值分別為 2.測(cè)量電路：差動(dòng)變壓器輸出電壓為交流信號(hào)，它與銜鐵移動(dòng)的位移成正比。用交流電壓表測(cè)量其輸出值只能反映銜鐵位移大小，不能判別銜鐵移動(dòng)的方向，因此采用差動(dòng)整流電路來實(shí)現(xiàn)方向這一問題。電路圖如下： 全波整流電路和波形圖

6、 該電路是根據(jù)半導(dǎo)體二極管單向?qū)ㄔ磉M(jìn)行解調(diào)的，假設(shè)傳感器上面的二次線圈的輸出瞬時(shí)波形為上半周，a點(diǎn)為正，b點(diǎn)為負(fù)，則在上線圈中，電流自a點(diǎn)出發(fā)，路徑是a-1-4-2-3-b。反之，如a點(diǎn)為負(fù)，b點(diǎn)為正，則電流路徑為b-3-4-2-1-a?？梢姡瑹o論二次線圈輸出電壓瞬時(shí)極性如何，通過電阻R的電流總是4-2。 3.整體思路：當(dāng)液位高度變化時(shí)，引起浮子的變化，浮子與銜鐵相連，進(jìn)而帶動(dòng)銜鐵運(yùn)動(dòng)，銜鐵的運(yùn)動(dòng)，使差動(dòng)變壓器的次級(jí)線圈互感電流變化，輸出電流（電壓）發(fā)生變化。通過電表將變化信息顯示出來，實(shí)現(xiàn)物理量等非電量向電量的轉(zhuǎn)化。

7、 ◆五.零件尺寸： ⑴量程：0-3.15m； ⑵浮子：材料為鋼（密度為ρ=7.8×103kg/m3）外徑D=50mm，空心直徑d=48mm；質(zhì)量為32.7g ⑶滑輪：D滑輪=50mm； ⑷傳動(dòng)軸：長度為24mm，螺距為1mm，直徑為10mm； ⑸電橋電壓：5V。 ◆六.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)： 1.變壓器：220v/6.4v=n1/n2,線圈匝數(shù)之比約為34. 原理圖如下： 2.測(cè)量電路： 基本原理圖如下，水位的變化引起浮子系統(tǒng)變化，進(jìn)而帶動(dòng)銜鐵的運(yùn)動(dòng)，使二次線圈的互感發(fā)生變化，導(dǎo)致電流表示數(shù)變化。實(shí)現(xiàn)了非電量向電量的轉(zhuǎn)化，達(dá)到

8、測(cè)液位高度的目的。 3.浮子傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算 （1）.浮子尺寸計(jì)算：查閱資料得知，浮子結(jié)構(gòu)為空心球，外徑D=50mm，材料為鋼（密度為ρ=7.8×103kg/m3）。浮在水面時(shí)有一半的體積在空氣中?！郍=F浮，m=ρv ∴7.8×103kg/m3×4/3×3.14×[(0.05/2)3-r3] ×10N/kg=1×103kg/m3×10N/kg×4/3×3.14×(0.05/2)3/2 解得：r=24mm，即空心直徑d=48mm 浮子質(zhì)量：m=ρv= F浮/g=1×103kg/m3×4/3×3.14×(0.05/2)3/2=32.7g 浮子重力：G=mg=0.327N

9、 （2）.量程計(jì)算：滑輪直徑50mm，滑輪所在傳動(dòng)軸直徑為10mm，螺距為1mm，銜鐵可移動(dòng)范圍是20mm，所以要求滑輪可轉(zhuǎn)過20圈，滑輪周長C=πD=3.14×50=175.5mm,量程為20×C=3150mm=3.15m (3).滑輪傳動(dòng)具體結(jié)構(gòu)如下圖: 利用渦輪原理，滑輪隨著浮子的上下移動(dòng)而在傳動(dòng)軸上轉(zhuǎn)動(dòng)，因此，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)軸向位移，推動(dòng)銜鐵運(yùn)動(dòng)，達(dá)到測(cè)量目的。 4.整體結(jié)構(gòu)圖：1.浮球，2.細(xì)線，3.滑輪，4.傳動(dòng)軸，5.銅管，6.銜鐵，7.測(cè)量電路，此外還有提供力矩的游絲（圖中未畫出） 當(dāng)水位上漲時(shí)，浮子不能將位移傳遞給滑輪，所以要附加一個(gè)自動(dòng)收繩裝置（類似

10、于卷尺）。 查閱資料：游絲扭矩為2.2N，所以在細(xì)線上加2N配重。 1.當(dāng)水位上漲時(shí)，因?yàn)楦∏蚪谒畜w積增大，所以 F浮>G細(xì)線會(huì)彎曲，但是因?yàn)?.2N>2.0N,故細(xì)線又會(huì)收緊，帶動(dòng)滑輪運(yùn)動(dòng)。將軸向位移傳遞給銜鐵。 2.當(dāng)水位下降時(shí), F浮2.2N.所以浮子能夠克服游絲扭矩向下移動(dòng)。達(dá)到同步作用。 綜上，在兩種情況下的液位變化都能將位移傳遞給銜鐵，實(shí)現(xiàn)非電量的轉(zhuǎn)化，達(dá)到測(cè)量目的。 5.實(shí)物仿真圖 ◆七.誤差分析： 1、激勵(lì)電壓幅值與頻率的影響 激勵(lì)電源電壓幅值的波動(dòng)，會(huì)使線圈激勵(lì)磁場的磁通發(fā)生變化，直接影響輸出

11、電勢(shì)。而頻率的波動(dòng)，只要適當(dāng)?shù)剡x擇頻率，其影響不大。 2、溫度變化的影響 周圍環(huán)境溫度的變化，引起線圈及導(dǎo)磁體磁導(dǎo)率的變化，從而使線圈磁場發(fā)生變化產(chǎn)生溫度漂移。當(dāng)線圈品質(zhì)因數(shù)較低時(shí)，影響更為嚴(yán)重，因此，采用恒流源激勵(lì)比恒壓源激勵(lì)有利。適當(dāng)提高線圈品質(zhì)因數(shù)并采用差動(dòng)電橋可以減少溫度的影響。 3、零點(diǎn)殘余電壓 ???? 當(dāng)差動(dòng)變壓器的銜鐵處于中間位置時(shí)，理想條件下其輸出電壓為零。但實(shí)際上，當(dāng)使用橋式電路時(shí)，在零點(diǎn)仍有一個(gè)微小的電壓值(從零點(diǎn)幾mV到數(shù)十mV)存在，稱為零點(diǎn)殘余電壓。如圖是擴(kuò)大了的零點(diǎn)殘余電壓的輸出特性。零點(diǎn)殘余電壓的存在造成零點(diǎn)附近的不靈敏區(qū)；零點(diǎn)殘余電壓輸入放大器內(nèi)會(huì)使放

12、大器末級(jí)趨向飽和，影響電路正常工作等。???? 圖中e1為差動(dòng)變壓器初級(jí)的激勵(lì)電壓，e20包含基波同相成分、基波正交成分，二次及三次諧波和幅值較小的電磁干擾等。 零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生原因： ①基波分量。由于差動(dòng)變壓器兩個(gè)次級(jí)繞組不可能完全一致，因此它的等效電路參數(shù)（互感M、自感L及損耗電阻R）不可能相同，從而使兩個(gè)次級(jí)繞組的感應(yīng)電勢(shì)數(shù)值不等。又因初級(jí)線圈中銅損電阻及導(dǎo)磁材料的鐵損和材質(zhì)的不均勻，線圈匝間電容的存在等因素，使激勵(lì)電流與所產(chǎn)生的磁通相位不同。???? ②高次諧波。高次諧波分量主要由導(dǎo)磁材料磁化曲線的非線性引起。由于磁滯損耗和鐵磁飽和的影響，使得激勵(lì)電流與磁通波形不一致產(chǎn)

13、生了非正弦(主要是三次諧波)磁通，從而在次級(jí)繞組感應(yīng)出非正弦電勢(shì)。另外，激勵(lì)電流波形失真，因其內(nèi)含高次諧波分量，這樣也將導(dǎo)致零點(diǎn)殘余電壓中有高次諧波成分。 消除零點(diǎn)殘余電壓方法： 1．從設(shè)計(jì)和工藝上保證結(jié)構(gòu)對(duì)稱性 ??? 為保證線圈和磁路的對(duì)稱性，首先，要求提高加工精度，線圈選配成對(duì)，采用磁路可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。其次，應(yīng)選高磁導(dǎo)率、低矯頑力、低剩磁感應(yīng)的導(dǎo)磁材料。并應(yīng)經(jīng)過熱處理，消除殘余應(yīng)力，以提高磁性能的均勻性和穩(wěn)定性。由高次諧波產(chǎn)生的因素可知，磁路工作點(diǎn)應(yīng)選在磁化曲線的線性段。 ?2．選用合適的測(cè)量線路???? 采用相敏檢波電路不僅可鑒別銜鐵移動(dòng)方向，而且把銜鐵在中間位置時(shí)，因高次諧波引

14、起的零點(diǎn)殘余電壓消除掉。如圖，采用相敏檢波后銜鐵反行程時(shí)的特性曲線由1變到2，從而消除了零點(diǎn)殘余電壓。 相敏檢波后的輸出特性 3．采用補(bǔ)償線路 ①由于兩個(gè)次級(jí)線圈感應(yīng)電壓相位不同，并聯(lián)電容可改變其一的相位，也可將電容C改為電阻，如圖(a)。由于R的分流作用將使流入傳感器線圈的電流發(fā)生變化，從而改變磁化曲線的工作點(diǎn)，減小高次諧波所產(chǎn)生的殘余電壓。圖(b)中串聯(lián)電阻R可以調(diào)整次級(jí)線圈的電阻分量。? 調(diào)相位式殘余電壓補(bǔ)償電路 ②并聯(lián)電位器W用于電氣調(diào)零，改變兩次級(jí)線圈輸出電壓的相位，如圖所示。電容C(0.02μF)可防止調(diào)整電位器時(shí)使零點(diǎn)移動(dòng)。 電位器調(diào)零點(diǎn)殘余電壓補(bǔ)償電路

15、 ③接入R0(幾百kΩ)或補(bǔ)償線圈L0(幾百匝)。繞在差動(dòng)變壓器的初級(jí)線圈上以減小負(fù)載電壓，避免負(fù)載不是純電阻而引起較大的零點(diǎn)殘余電壓。電路如圖。? R或L補(bǔ)償電路 成本預(yù)算表格 材料 單價(jià) 銷售公司 用量 總計(jì) 變壓器 4.02元/Kg 天津魯岳銷售有限公司 1Kg 4元 線圈 230元/Kg 無錫鼎井金屬材料有限公司 10g 2.3元 電阻 18元/片 威海諾金傳感技術(shù)有限公司 1片 18元 電流表 7元/Kg 上海赫特化工有限公司 2Kg 14元 二極管 35元/Kg 廣

16、州帥源化工有限公司 500g 17.5元 滑輪 0.2元/個(gè) 深圳紅利豐科技有限公司 5個(gè) 1元 傳動(dòng)軸 / 　 50元 104.8元 游絲 銜鐵 銅管 細(xì)線 浮球 其他 各成員具體職責(zé)： v 項(xiàng)目經(jīng)理：總體的項(xiàng)目策劃，確保項(xiàng)目目標(biāo)實(shí)現(xiàn),協(xié)調(diào)各組員的工作，參與方案設(shè)計(jì)，進(jìn)行設(shè)計(jì)書的編寫與后期答辯。 v 市場調(diào)研：進(jìn)行產(chǎn)品的市場調(diào)查與研究,客觀地識(shí)別,收集相關(guān)資料。 v 方案設(shè)計(jì)：進(jìn)行主要的產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)的工作,及時(shí)去產(chǎn)品生產(chǎn)現(xiàn)場，發(fā)現(xiàn)問題，糾正問題。 v 軟 硬 件：了解產(chǎn)品所需的軟件與硬件相關(guān)信息，進(jìn)行后期的相關(guān)產(chǎn)品生產(chǎn)，保證產(chǎn)品質(zhì)量，并配合質(zhì)檢員進(jìn)行產(chǎn)品檢驗(yàn)。 v 物 資：及時(shí)準(zhǔn)確的向生產(chǎn)負(fù)責(zé)單位提供購買物資的價(jià)格、時(shí)間、地點(diǎn)及市場信息變動(dòng)情況，并負(fù)責(zé)采購計(jì)劃及倉儲(chǔ)部門的管理。 v 質(zhì)量保證：及時(shí)發(fā)現(xiàn)和預(yù)防質(zhì)量問題，并將質(zhì)量問題和處理結(jié)果與各相關(guān)負(fù)責(zé)人進(jìn)行交流，提高產(chǎn)品生產(chǎn)的效率。 第 17 頁 共 17 頁