電感式傳感器 89頁.ppt

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第4章電感式傳感器 4 1變磁阻式傳感器 4 2差動變壓器式傳感器4 3電渦流式傳感器 電感式傳感器的工作基礎(chǔ) 電磁感應(yīng)即利用線圈電感或互感的改變來實現(xiàn)非電量測量 分為變磁阻式 變壓器式 渦流式等特點 工作可靠 壽命長靈敏度高 分辨力高精度高 線性好性能穩(wěn)定 重復(fù)性好 4 1變磁阻式傳感器 4 1 1工作原理 變磁阻式傳感器由線圈 鐵芯和銜鐵三部分組成 鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料制成 在鐵芯和銜鐵之間有氣隙 傳感器的運動部分與銜鐵相連 當(dāng)銜鐵移動時 氣隙厚度 發(fā)生改變 引起磁路中磁阻變化 從而導(dǎo)致電感線圈的電感值變化 因此只要能測出這種電感量的變化 就能確定銜鐵位移量的大小和方向 圖4 1變磁阻式傳感器 線圈中電感量可由下式確定 4 1 根據(jù)磁路歐姆定律 4 2 式中 Rm為磁路總磁阻 氣隙很小 可以認(rèn)為氣隙中的磁場是均勻的 若忽略磁路磁損 則磁路總磁阻為 4 3 通常氣隙磁阻遠大于鐵芯和銜鐵的磁阻 即 4 4 則式 4 3 可寫為 4 5 聯(lián)立式 4 1 式 4 2 及式 4 5 可得 4 6 上式表明 當(dāng)線圈匝數(shù)為常數(shù)時 電感L僅僅是磁路中磁阻Rm的函數(shù) 改變 或S0均可導(dǎo)致電感變化 因此變磁阻式傳感器又可分為變氣隙厚度 的傳感器和變氣隙面積S0的傳感器 目前使用最廣泛的是變氣隙厚度式電感傳感器 4 1 2輸出特性 L與 之間是非線性關(guān)系 特性曲線如圖4 2所示 圖4 2變隙式電壓傳感器的L 特性 分析 當(dāng)銜鐵處于初始位置時 初始電感量為 4 7 當(dāng)銜鐵上移 時 傳感器氣隙減小 即 0 則此時輸出電感為 4 8 當(dāng) 0 1時 臺勞級數(shù) 4 9 可求得電感增量 L和相對增量 L L0的表達式 即 4 10 4 11 同理 當(dāng)銜鐵隨被測體的初始位置向下移動 時 有 4 12 4 13 對式 4 11 4 13 作線性處理 即忽略高次項后 可得 4 14 靈敏度為 可見 變間隙式電感傳感器的測量范圍與靈敏度及線性度相矛盾 因此變隙式電感式傳感器適用于測量微小位移的場合 4 15 與 銜鐵上移切線斜率變大 銜鐵下移切線斜率變小 與線性度 銜鐵上移 銜鐵下移 無論上移或下移 非線性都將增大 圖4 3差動變隙式電感傳感器 為了減小非線性誤差 實際測量中廣泛采用差動變隙式電感傳感器 4 1 3測量電路 電感式傳感器的測量電路有交流電橋式 變壓器式交流電橋以及諧振式等 1 電感式傳感器的等效電路 電感式傳感器的線圈并非是純電感 有功分量包括 線圈線繞電阻和渦流損耗電阻及磁滯損耗電阻 這些都可折合成為有功電阻 其總電阻可用R來表示 無功分量包含 線圈的自感L 繞線間分布電容C 圖4 4電感式傳感器的等效電路 等效線圈阻抗為 4 16 將上式有理化并應(yīng)用品質(zhì)因數(shù)Q L R 可得 4 17 當(dāng)Q 2LC且 2LC 1時 上式可近似為 2 交流電橋式測量電路 把傳感器的兩個線圈作為電橋的兩個橋臂Z1和Z2 另外兩個相鄰的橋臂用純電阻R代替 設(shè)Z1 Z Z1 Z2 Z Z2 Z是銜鐵在中間位置時單個線圈的復(fù)阻抗 Z1 Z2分別是銜鐵偏離中心位置時兩線圈阻抗的變化量 對于高Q值的差動式電感傳感器 有 Z1 Z2 j L1 L2 則電橋輸出電壓為 4 20 圖4 5交流電橋測量電路 銜鐵上移 兩個線圈的電感變化量 L1 L2分別由式 4 10 及式 4 12 表示 差動傳感器電感的總變化量 L L1 L2 具體表達式為 4 21 對上式進行線性處理 即忽略高次項得 4 22 靈敏度K0為 4 23 比較單線圈式和差動式 差動式變間隙電感傳感器的靈敏度是單線圈式的兩倍 差動式的非線性項 忽略高次項 單線圈的非線性項 忽略高次項 由于 0 1 因此 差動式的線性度得到明顯改善 將代入式 4 20 得 電橋輸出電壓與 成正比關(guān)系 3 變壓器式交流電橋 變壓器式交流電橋測量電路如圖4 6所示 電橋兩臂Z1 Z2為傳感器線圈阻抗 另外兩橋臂為交流變壓器次級線圈的1 2阻抗 當(dāng)負載阻抗為無窮大時 橋路輸出電壓 4 24 當(dāng)傳感器的銜鐵處于中間位置 即Z1 Z2 Z 此時有 電橋平衡 圖4 6變壓器式交流電橋 當(dāng)傳感器銜鐵上移 如Z1 Z Z Z2 Z Z 4 25 當(dāng)傳感器銜鐵下移 如Z1 Z Z Z2 Z Z 此時 4 26 可知 銜鐵上下移動相同距離時 輸出電壓相位相反 大小隨銜鐵的位移而變化 由于是交流電壓 輸出指示無法判斷位移方向 必須配合相敏檢波電路來解決 4 諧振式測量電路 分為 諧振式調(diào)幅電路和諧振式調(diào)頻電路 調(diào)幅電路 傳感器電感L與電容C 變壓器原邊串聯(lián)在一起 接入交流電源 變壓器副邊將有電壓 輸出 輸出電壓的頻率與電源頻率相同 而幅值隨著電感L而變化 圖4 7 b 為輸出電壓與電感L的關(guān)系曲線 其中L0為諧振點的電感值 特點 此電路靈敏度很高 但線性差 適用于線性度要求不高的場合 圖4 7諧振式調(diào)幅電路 調(diào)頻電路 是傳感器電感L的變化將引起輸出電壓頻率的變化 通常把傳感器電感L和電容C接入一個振蕩回路中 其振蕩頻率 當(dāng)L變化時 振蕩頻率隨之變化 根據(jù)f的大小即可測出被測量的值 圖4 8 b 表示f與L的關(guān)系曲線 它具有嚴(yán)重的非線性關(guān)系 圖4 8諧振式調(diào)頻電路 4 1 4變磁阻式傳感器的應(yīng)用 圖4 9變隙電感式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖 當(dāng)壓力進入膜盒時 膜盒的頂端在壓力P的作用下產(chǎn)生與壓力P大小成正比的位移 于是銜鐵也發(fā)生移動 從而使氣隙發(fā)生變化 流過線圈的電流也發(fā)生相應(yīng)的變化 電流表A的指示值就反映了被測壓力的大小 圖4 10為變隙式差動電感壓力傳感器 它主要由C形彈簧管 銜鐵 鐵芯和線圈等組成 圖4 10變隙式差動電感壓力傳感器 當(dāng)被測壓力進入C形彈簧管時 C形彈簧管產(chǎn)生變形 其自由端發(fā)生位移 帶動與自由端連接成一體的銜鐵運動 使線圈1和線圈2中的電感發(fā)生大小相等 符號相反的變化 即一個電感量增大 另一個電感量減小 電感的這種變化通過電橋電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出 由于輸出電壓與被測壓力之間成比例關(guān)系 所以只要用檢測儀表測量出輸出電壓 即可得知被測壓力的大小 4 2差動變壓器式傳感器 把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感變化的傳感器稱為互感式傳感器 這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的 并且次級繞組用差動形式連接 故稱差動變壓器式傳感器 差動變壓器結(jié)構(gòu)形式 變隙式 變面積式和螺線管式等 在非電量測量中 應(yīng)用最多的是螺線管式差動變壓器 它可以測量1 100mm 機械位移 并具有測量精度高 靈敏度高 結(jié)構(gòu)簡單 性能可靠等優(yōu)點 4 2 1變隙式差動變壓器 1 工作原理假設(shè)閉磁路變隙式差動變壓器的結(jié)構(gòu)如圖4 11 a 所示 在A B兩個鐵芯上繞有W1a W1b W1的兩個初級繞組和W2a W2b W2兩個次級繞組 兩個初級繞組的同名端順向串聯(lián) 而兩個次級繞組的同名端則反相串聯(lián) 圖4 11差動變壓器式傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖 2 輸出特性在忽略鐵損 即渦流與磁滯損耗忽略不計 漏感以及變壓器次級開路 或負載阻抗足夠大 的條件下 圖4 11 a 的等效電路可用圖4 12表示 圖中r1a與L1a r1b與L1b r2a與L2a r2b與L2b 分別為W1a W1b W2a W2b繞阻的直流電阻與電感 圖4 12變隙式差動變壓器等效電路 4 27 4 28 上式表明 變壓器輸出電壓Uo與銜鐵位移量 0成正比 號的意義 當(dāng)銜鐵向上移動時 0定義為正 變壓器輸出電壓Uo與輸入電壓Ui反相 相位差180 而當(dāng)銜鐵向下移動時 0則為 0 表明Uo與Ui同相 圖4 13所示為變隙式差動變壓器輸出電壓Uo與位移 的關(guān)系曲線 由式 4 28 可得變隙式差動變壓器靈敏度K的表達式為 4 29 圖4 13變隙式差動變壓器輸出特性 分析結(jié)論 首先 供電電源Ui要穩(wěn)定 獲取穩(wěn)定的輸出特性 其次 電源幅值的適當(dāng)提高可以提高靈敏度K值 但要以變壓器鐵芯不飽和以及允許溫升為條件 增加W2 W1的比值和減小 0都能使靈敏度K值提高 W2 W1影響變壓器的體積及零點殘余電壓 一般選擇傳感器的 0為0 5mm 以上分析的結(jié)果是在忽略鐵損和線圈中的分布電容等條件下得到的 如果考慮這些影響 將會使傳感器性能變差 靈敏度降低 非線性加大等 但是 在一般工程應(yīng)用中是可以忽略的 以上結(jié)果是在假定工藝上嚴(yán)格對稱的前提下得到的 而實際上很難做到這一點 因此傳感器實際輸出特性存在零點殘余電壓 Uo 變壓器副邊開路的條件對由電子線路構(gòu)成的測量電路來講容易滿足 但如果直接配接低輸入阻抗電路 須考慮變壓器副邊電流對輸出特性的影響 4 2 2螺線管式差動變壓器 1 工作原理 圖4 14螺線管式差動變壓器結(jié)構(gòu) 兩個次級線圈反相串聯(lián) 并且在忽略鐵損 導(dǎo)磁體磁阻和線圈分布電容的理想條件下 其等效電路如圖4 16所示 當(dāng)初級繞組加以激勵電壓U時 根據(jù)變壓器的工作原理 在兩個次級繞組W2a和W2b中便會產(chǎn)生感應(yīng)電勢E2a和E2b 如果工藝上保證變壓器結(jié)構(gòu)完全對稱 則當(dāng)活動銜鐵處于初始平衡位置時 必然會使兩互感系數(shù)M1 M2 根據(jù)電磁感應(yīng)原理 將有E2a E2b 由于變壓器兩次級繞組反相串聯(lián) 因而Uo E2a E2b 0 即差動變壓器輸出電壓為零 圖4 16差動變壓器等效電路 圖4 17差動變壓器輸出電壓的特性曲線 當(dāng)活動銜鐵向上移動時 由于磁阻的影響 W2a中磁通將大于W2b 使M1 M2 因而E2a增加 而E2b減小 反之 E2b增加 E2a減小 因為Uo E2a E2b 所以當(dāng)E2a E2b隨著銜鐵位移x變化時 Uo也必將隨x而變化 由圖4 17可以看出 當(dāng)銜鐵位于中心位置時 差動變壓器輸出電壓并不等于零 我們把差動變壓器在零位移時的輸出電壓稱為零點殘余電壓 記作 Uo 它的存在使傳感器的輸出特性不經(jīng)過零點 造成實際特性與理論特性不完全一致 零點殘余電壓產(chǎn)生原因 主要是由傳感器的兩次級繞組的電氣參數(shù)和幾何尺寸不對稱 以及磁性材料的非線性等引起的 零點殘余電壓的波形十分復(fù)雜 主要由基波和高次諧波組成 基波產(chǎn)生的主要原因是 傳感器的兩次級繞組的電氣參數(shù) 幾何尺寸不對稱 導(dǎo)致它們產(chǎn)生的感應(yīng)電勢幅值不等 相位不同 因此不論怎樣調(diào)整銜鐵位置 兩線圈中感應(yīng)電勢都不能完全抵消 高次諧波 主要是三次諧波 產(chǎn)生原因 是磁性材料磁化曲線的非線性 磁飽和 磁滯 零點殘余電壓一般在幾十毫伏以下 在實際使用時 應(yīng)設(shè)法減小Ux 否則將會影響傳感器的測量結(jié)果 2 基本特性 差動變壓器等效電路如圖4 16所示 當(dāng)次級開路時 4 30 根據(jù)電磁感應(yīng)定律 次級繞組中感應(yīng)電勢的表達式分別為 4 31 4 32 由于次級兩繞組反相串聯(lián) 且考慮到次級開路 則由以上關(guān)系可得 4 33 上式說明 當(dāng)激磁電壓的幅值U和角頻率 初級繞組的直流電阻r1及電感L1為定值時 差動變壓器輸出電壓僅僅是初級繞組與兩個次級繞組之間互感之差的函數(shù) 只要求出互感M1和M2對活動銜鐵位移x的關(guān)系式 再代入式 4 33 即可得到螺線管式差動變壓器的基本特性表達式 輸出電壓的有效值為 4 34 分析 活動銜鐵處于中間位置時 M1 M2 M 故 Uo 0 活動銜鐵向上移動時 M1 M M M2 M M 故 活動銜鐵向下移動時 M1 M M M2 M M 故 3 差動變壓器式傳感器測量電路 問題 1 差動變壓器的輸出是交流電壓 用交流電壓表測量 只能反映銜鐵位移的大小 不能反映移動的方向 2 測量值中將包含零點殘余電壓 為了達到能辨別移動方向和消除零點殘余電壓的目的 實際測量時 常常采用差動整流電路和相敏檢波電路 1 差動整流電路這種電路是把差動變壓器的兩個次級輸出電壓分別整流 然后將整流的電壓或電流的差值作為輸出 圖4 18差動整流電路 a 半波電壓輸出 b 半波電流輸出 c 全波電壓輸出 d 全波電流輸出 從圖4 18 c 電路結(jié)構(gòu)可知 不論兩個次級線圈的輸出瞬時電壓極性如何 流經(jīng)電容C1的電流方向總是從2到4 流經(jīng)電容C2的電流方向總是從6到8 故整流電路的輸出電壓為 4 35 2 相敏檢波電路輸入信號u2 差動變壓器式傳感器輸出的調(diào)幅波電壓 通過變壓器T1加到環(huán)形電橋的一個對角線上 參考信號us通過變壓器T2加到環(huán)形電橋的另一個對角線上 輸出信號uo從變壓器T1與T2的中心抽頭引出 平衡電阻R起限流作用 以避免二極管導(dǎo)通時變壓器T2的次級電流過大 RL為負載電阻 us的幅值要遠大于輸入信號u2的幅值 以便有效控制四個二極管的導(dǎo)通狀態(tài) 且us和差動變壓器式傳感器激磁電壓u1由同一振蕩器供電 保證二者同頻同相 或反相 圖4 19相敏檢波電路 根據(jù)變壓器的工作原理 考慮到O M分別為變壓器T1 T2的中心抽頭 則 4 36 4 37 采用電路分析的基本方法 可求得圖4 19 b 所示電路的輸出電壓uo的表達式 4 38 當(dāng)u2與us均為負半周時 二極管VD2 VD3截止 VD1 VD4導(dǎo)通 其等效電路如圖4 19 c 所示 輸出電壓uo表達式與式 4 38 相同 說明只要位移 x 0 不論u2與us是正半周還是負半周 負載電阻RL兩端得到的電壓uo始終為正 當(dāng) x 0時 u2與us為同頻反相 不論u2與us是正半周還是負半周 負載電阻RL兩端得到的輸出電壓uo表達式總是為 4 39 圖4 20波形圖 a 被測位移變化波形圖 b 差動變壓器激磁電壓波形 c 差動變壓器輸出電壓波形 d 相敏檢波解調(diào)電壓波形 e 相敏檢波輸出電壓波形 4 差動變壓器式傳感器的應(yīng)用 可直接用于位移測量 也可以測量與位移有關(guān)的任何機械量 如振動 加速度 應(yīng)變 比重 張力和厚度等 圖4 21為差動變壓器式加速度傳感器的原理結(jié)構(gòu)示意圖 它由懸臂梁和差動變壓器構(gòu)成 測量時 將懸臂梁底座及差動變壓器的線圈骨架固定 而將銜鐵的A端與被測振動體相連 此時傳感器作為加速度測量中的慣性元件 它的位移與被測加速度成正比 使加速度測量轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰频臏y量 當(dāng)被測體帶動銜鐵以 x t 振動時 導(dǎo)致差動變壓器的輸出電壓也按相同規(guī)律變化 圖4 21差動變壓器式加速度傳感器原理圖 4 3電渦流式傳感器 4 3 1工作原理 圖4 22電渦流式傳感器原理圖 a 傳感器激勵線圈 b 被測金屬導(dǎo)體 根據(jù)法拉第定律 當(dāng)傳感器線圈通以正弦交變電流I1時 線圈周圍空間必然產(chǎn)生正弦交變磁場H1 使置于此磁場中的金屬導(dǎo)體中感應(yīng)電渦流I2 I2又產(chǎn)生新的交變磁場H2 根據(jù)愣次定律 H2的作用將反抗原磁場H1 由于磁場H2的作用 渦流要消耗一部分能量 導(dǎo)致傳感器線圈的等效阻抗發(fā)生變化 線圈阻抗的變化完全取決于被測金屬導(dǎo)體的電渦流效應(yīng) 式中 r為線圈與被測體的尺寸因子 測量方法 如果保持上式中其它參數(shù)不變 而只改變其中一個參數(shù) 傳感器線圈阻抗Z就僅僅是這個參數(shù)的單值函數(shù) 通過與傳感器配用的測量電路測出阻抗Z的變化量 即可實現(xiàn)對該參數(shù)的測量 Z F r f x 傳感器線圈受電渦流影響時的等效阻抗Z的函數(shù)關(guān)系式為 4 40 4 3 2基本特性 圖4 23電渦流式傳感器簡化模型 電渦流傳感器簡化模型中 把在被測金屬導(dǎo)體上形成的電渦流等效成一個短路環(huán) 即假設(shè)電渦流僅分布在環(huán)體之內(nèi) 模型中h 電渦流的貫穿深度 可由下式求得 4 41 式中 f為線圈激磁電流的頻率 根據(jù)簡化模型 可畫出如圖4 24所示的等效電路圖 圖中R2為電渦流短路環(huán)等效電阻 其表達式為 4 42 根據(jù)基爾霍夫第二定律 可列出如下方程 4 43 圖4 24電渦流式傳感器等效電路圖 由式 4 43 解得等效阻抗Z的表達式為 4 44 式中 Req 線圈受電渦流影響后的等效電阻 Leq 線圈受電渦流影響后的等效電感 線圈的等效品質(zhì)因數(shù)Q值為 式 4 44 和式 4 45 為電渦流傳感器基本特性表示式 可見 因渦流效應(yīng) 線圈的品質(zhì)因素Q下降 4 45 4 3 4電渦流傳感器測量電路 主要有調(diào)頻式 調(diào)幅式電路兩種 1 調(diào)頻式電路 圖4 28調(diào)頻式測量電路 a 測量電路框圖 b 振蕩電路 傳感器線圈接入LC振蕩回路 當(dāng)傳感器與被測導(dǎo)體距離x改變時 在渦流影響下 傳感器的電感變化 將導(dǎo)致振蕩頻率的變化 該變化的頻率是距離x的函數(shù) 即f L x 該頻率可由數(shù)字頻率計直接測量 或者通過f V變換 用數(shù)字電壓表測量對應(yīng)的電壓 振蕩器的頻率為 為了避免輸出電纜的分布電容的影響 通常將L C裝在傳感器內(nèi) 此時電纜分布電容并聯(lián)在大電容C2 C3上 因而對振蕩頻率f的影響將大大減小 2 調(diào)幅式電路由傳感器線圈L 電容器C和石英晶體組成的石英晶體振蕩電路如圖4 29所示 石英晶體振蕩器起恒流源的作用 給諧振回路提供一個頻率 f0 穩(wěn)定的激勵電流io LC回路輸出電壓 4 48 式中 Z為LC回路的阻抗 圖4 29調(diào)幅式測量電路示意圖 當(dāng)金屬導(dǎo)體遠離或去掉時 LC并聯(lián)諧振回路諧振頻率即為石英振蕩頻率fo 回路呈現(xiàn)的阻抗最大 諧振回路上的輸出電壓也最大 當(dāng)金屬導(dǎo)體靠近傳感器線圈時 線圈的等效電感L發(fā)生變化 導(dǎo)致回路失諧 從而使輸出電壓降低 L的數(shù)值隨距離x的變化而變化 因此 輸出電壓也隨x而變化 輸出電壓經(jīng)放大 檢波后 由指示儀表直接顯示出x的大小 除此之外 交流電橋也是常用的測量電路 圖4 30透射式渦流厚度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖 2 高頻反射式渦流厚度傳感器 圖4 31高頻反射式渦流測厚儀測試系統(tǒng)圖 為了克服帶材不夠平整或運行過程中上下波動的影響 在帶材的上 下兩側(cè)對稱地設(shè)置了兩個特性完全相同的渦流傳感器S1和S2 S1和S2與被測帶材表面之間的距離分別為x1和x2 若帶材厚度不變 則被測帶材上 下表面之間的距離總有x1 x2 常數(shù)的關(guān)系存在 兩傳感器的輸出電壓之和為2Uo 數(shù)值不變 如果被測帶材厚度改變量為 則兩傳感器與帶材之間的距離也改變一個 兩傳感器輸出電壓此時為2Uo U U經(jīng)放大器放大后 通過指示儀表即可指示出帶材的厚度變化值 帶材厚度給定值與偏差指示值的代數(shù)和就是被測帶材的厚度 3 電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器 圖4 32所示為電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器工作原理圖 在軟磁材料制成的輸入軸上加工一鍵槽 在距輸入表面d0處設(shè)置電渦流傳感器 輸入軸與被測旋轉(zhuǎn)軸相連 圖4 32電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器工作原理圖 當(dāng)被測旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時 電渦流傳感器與輸出軸的距離變?yōu)閐0 d 由于電渦流效應(yīng) 使傳感器線圈阻抗隨 d的變化而變化 這種變化將導(dǎo)致振蕩諧振回路的品質(zhì)因數(shù)發(fā)生變化 它們將直接影響振蕩器的電壓幅值和振蕩頻率 因此 隨著輸入軸的旋轉(zhuǎn) 從振蕩器輸出的信號中包含有與轉(zhuǎn)速成正比的脈沖頻率信號 該信號由檢波器檢出電壓幅值的變化量 然后經(jīng)整形電路輸出頻率為fn的脈沖信號 該信號經(jīng)電路處理便可得到被測轉(zhuǎn)速 特點 可實現(xiàn)非接觸式測量 抗污染能力很強 最高測量轉(zhuǎn)速可達60萬r min