案例展示

电感式位移传感器

发布日期:2020-09-12 04:22

  电感式传感器 电感式位移传感器实例 ? 电磁感应 ? 利用线圈电感或互感的改变来实现非电量测量 被测物理量 (非电量:位移、 电磁感应 振动、压力、 流量、比重) 线圈自感系数L/ 互感系数M 电感/互感 电压或电流 (电信号) ? 分为变磁阻式、变压器式、涡流式等 ? 特点: – – – – 工作可靠、寿命长 灵敏度高,分辨力高 精度高、线性好 性能稳定、重复性好 4.1 变磁阻式传感器 4.1.1 工作原理? l1 S1 W l2 1 —线 —铁芯(定铁芯); 3 —衔铁(动铁芯) S2 ±? ? 3 变磁阻式传感器 l1 l2 2? Rm ? ? ? ?1S1 ?2 S2 ?0 S0 通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻, 即 2? l1 ? ?? ? 0 S0 ?1S1 ? ? ? 2? l2 ? ?? ? 0 S0 ?2 S2 ? ? 2? Rm ? ? 0 S0 W 2 W 2 ?0 S0 L? ? Rm 2? 分为变气隙厚度δ的传感器和变气隙面积δ的传感器。 目前使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器 4.1.2 输出特性? L与δ之间是非线性关系, 特性曲线+?L L0 L0-?L o ??-?? ?? ??+?? ? 变隙式电压传感器的L-δ特性 分析: 当衔铁处于初始位置时,初始电感量为? ?0 S0W 2 L0 ? 2? 0 当衔铁上移Δδ时,传感器气隙减小Δδ,即δ=δ0-Δδ, 则 此时输出电感为 W 2 ? 0 S0 L0 L ? L0 ? ?L ? ? 2(? 0 ? ?? ) 1 ? ?? ?0 灵敏度为? ?L 1 L0 K0 ? ? ?? ? 0 可见:变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相 矛盾,因此变隙式电感式传感器适用于测量微小位移的场合。 ?? ? 衔铁上移 – 切线 ? ? ?? ? 0 ? ? ? 0 L0+?L ? 2 ? ? ? ?? ? ??? ? ? ?? ?0 ? ? ? ? ? ? 衔铁下移 – 切线-? ?? ? 0-?? ? ? 0 ? ? ? ? ? 2 ? ? ? ?? ? ??? ? -?? ?0 ? ? ? ??+?? ? ? ? 为了减小非线性误差,实际测量中广泛采用差动变 隙式电感传感器。 1 2 L1 Ro ? 3 L2 2 ? Us Ro ? Uo 1 —铁芯; 2 —线 测量电路? 交流电桥式、 变压器式交流电桥以及谐振式等。 ? 1. 电感式传感器的等效电路? R C L Z 当Qω2LC且ω2LC1时 Z ? R ? j? L 2. 交流电桥式测量电路 Z1 Z3=R ? U Z2 Z4=R ? ? ? Z1 - R ? U0=U ? ? Z1+Z2 R ? R ? ? ? ? Uo 高Q值有ΔZ1+ΔZ2≈jω(ΔL1+ΔL2), 则电桥输出电压为? ? Uo ? ?Z ?= ?Z U ?(?L ? ?L ) ? U 1 2 2( Z1 ? Z2 ) 2Z (4-20) 3. 变压器式交流电桥? (1) 变压器电路 ? U C + ? U 2 - + ? U -2 D Z1 + ? U - A Z2 o B ? Z 2 ? 1 ? Z 2 ? Z1 U ? Uo ? U? U? Z1 ? Z 2 2 Z1 ? Z 2 2 使用元件少,输出阻抗小, 获得广泛应用 当传感器衔铁上移:如Z1=Z+ΔZ,Z2=Z-ΔZ, ? ? ? ? ? ?Z U ? ? ?L U Uo Z 2 L 2 当传感器衔铁下移:如Z1=Z-ΔZ,Z2=Z+ΔZ, 此时 ? ? ?Z U ?L U ? Uo ? ? ? Z 2 L 2 ? 由于 U 是交流电压, 输出指示无法判断位移方向,必须配合 相敏检波电路来解决。 (2) 相敏检波电路 (a) 非相敏整流电路;(b) 相敏整流电路 使用相敏整流,输出电压U0不仅能反映衔铁位移的大小和方向, 而且还消除零点残余电压的影响, 4. 谐振式测量电路? 分为:谐振式调幅电路和谐振式调频电路。 C ? Uo L ? U T ? Uo O L0 L (a) (b) 调幅电路: 特点:此电路灵敏度很高, 但线性差,适用于线性度要求不高的场合。 调频电路:传感器电感L的变化引起输出电压频率的 变化。 把传感器电感L和电容C接入一个振荡回路中, 其 振荡频率 f ? 1/(2? LC ) 。当L变化时,振荡频率随之 变化,根据f的大小即可测出被测量的值。 f C L G f o L 5.调相式转换电路形式 传感器电感L变化会引起输出电压相位变化. ? ? ?2 tg (?L / R) ?1 2(?L / R) Δ L Δ? ? 1 ? (?L / R) 2 L 6.自感传感器的灵敏度 传感器结构灵敏度 转换电路灵敏度 k t ? (Δ L / L) / Δ x k c ? u 0 /(Δ L / L) 总灵敏度 k z ? kt k c ? u0 /Δ x 气隙型、变压器电桥 传感器 1 (?L) u k z? ? ? 0 R 2 ? (?L) 2 2 2 第一项决定于传感器的类型 第二项决定于转换电路的形式 第三项决定于供电电压的大小 传感器灵敏度的单位为 mV/(μm· V) 电源电压为1V,衔铁偏移1μm时,输出电压为若干毫伏 变磁阻式传感器的应用? 线圈 U~ 铁芯 A 衔铁 ? 膜盒 P 变隙电感式压力传感器结构图 线 C形弹簧管 输出 调机械 零点螺钉 线 P 衔铁 ~ 差动变压器式传感器 ●把被测的非电量变化转换为线圈互感变化 ● 根据变压器的基本原理制成的,次级绕组用差动形式 连接。 ?? ●差动变压器结构形式:变隙式、变面积式和螺线管式等。 ●在非电量测量中, 应用最多的是螺线管式差动变压器, 它可以测量1~100mm机械位移,并具有测量精度高、灵敏度 高、 结构简单、性能可靠等优点。 (a)、(b) 变隙式差动变压器; (c)、(d) 螺线管式差动变压器; (e)、(f) 变面积式差动变压器 变隙式差动变压器? 1. 工作原理 A ? Ii W1a W2a ?1 e2a ? U1 ?1 ? Uo ?2 ? Ui ?a ?b W1b C W2b e2b ?2 B (a) ? U2 (b) 2. 输出特性 在忽略铁损(即涡流与磁滞损耗忽略不计)、漏感以及变压器次级开路(或负 载阻抗足够大)的条件下,等效电路如下。 图中r1a与L1a , r1b与L1b , r2a与L2a , r2b与L2b, 分别为W1a , W1b , W2a, W2b绕阻的直流电阻与电感。 r1a + L1a Ma r2a ? E2b L2a Mb r2b + ? Uo - RL ? Ui L1b ? E2 a L2b - r1b 当r1aωL1a,r1bωL1b时,不考虑铁芯与衔铁中的磁阻影响, 变隙式差动变压器输出电压Uo的表达式,即? ? ? ? ? b ? ? a W2 U ? Uo i ? b ? ? a W1 . 分析:当衔铁处于初始平衡位置时,因δa=δb=δ0, 则Uo=0。但是 . 如果被测体带动衔铁移动,例如向上移动Δδ(假设向上移动为正) 时,则有δa=δ0-Δδ, δb=δ0+Δδ,代入上式可得 ? W2 Ui ? Uo ? ? ? ?? W1 ? 0 ? ? Uo W2 Ui K? ? ?? W1 ? 0 ? Uo e2a e2a - e2 b 1 2 ? Uo -? ? O 1 —理想特性;2 —实际特性 e2b +? ? 变隙式差动变压器输出特性 ? ? Uo W2 U i K ? ? ?? W1 ? 0 结论: (1)供电电源首先要稳定,电源幅值的适当提高可以提高灵敏度K值; (2)增加W2/W1的比值和减少δ0都能使灵敏度K值提高; (3)以上分析的结果是在忽略铁损和线圈中的分布电容条件下得到的; (4)以上结果是在假定工艺上严格对称前提下得到的,而实际上很难 做到这一点; (5)上述推导是在变压器副边开路的情况下得到的。 4.2.2 螺线 —导磁外壳; 3 —骨架; 4 —匝数为 1 的初级绕组; W 5 —匝数为 2a 的次级绕组; W 6 —匝数为 2b 的次级绕阻 W 4 3 6 线管式差动变压器结构 r1 + I1 L1a ? U r2a + ? E2 a r2b + L2a - + ? Uo - RL ? E2 b L2b - - 差动变压器等效电路 W2b W1 W2a 0 uo ?x u 2b u 2a 理论特性 曲线 o ? ΔUo u 2 =u 2a -u 2b 实际特性曲线 ?x 差动变压器输出电压的特性曲线 当活动衔铁向上移动时,由于磁阻的影响,W2a中磁通 将大于W2b,使M1M2,因而E2a增加,而E2b减小。反之, E2b增加,E2a减小。因为Uo=E2a-E2b,所以当E2a、E2b 随着 衔铁位移x变化时, Uo也必将随x而变化。 2.零点残余电压 ? 当衔铁位于中心位置时,差动变压器输出电压并不等 于零,我们把差动变压器在零位移动时的输出电压称 为零点残余电压,记作ΔUo. ? 它的存在使传感器的输出特性不经过零点,造成实际 特性与理论特性不完全一致。 ? 零点残余电压产生原因:主要是由传感器的两次级绕 组的电气参数和几何尺寸不对称,以及磁性材料的非 线性等引起的。 零点残余电压的波形主要由基波和高次谐波组成。 基波产生的主要原因是: 传感器的两次级绕组的电气参数、几何尺寸不对称, 导致它们产生的感应电势幅值不等、相位不同,因此不论怎样调整衔铁位置, 两线圈中感应电势都不能完全抵消。 高次谐波(主要是三次谐波)产生原因:是磁性材料磁化曲线的非线性(磁 饱和、磁滞)。 零点残余电压一般在几十毫伏以下,在实际使用时,应设法减小Ux,否则将 会影响传感器的测量结果。 减小零点残余电压方法: 1. 尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数及磁路的对称。 2. 选用合适的测量电路,如采用相敏整流电路。 3. 采用补偿线路减小零点残余电动势。 3. 基本特性? 当初级开路时? ? U I1 ? r1 ? j?L1 . 式中:U——初级线圈激励电压; ? . ω——激励电压U的角频率; ? I1——初级线——初级线圈直流电阻和电感。 根据电磁感应定律, 次级绕组中感应电势的表达式分别为 ? E2 a ? ? j?M 1 I1 ? E2b ? ? j?M 2 I1 ? j? ( M1 ? M 2 )U ? ? ? Uo ? E2 a ? E2b ? ? r1 ? j?L1 输出电压的有效值为 ? ( M1 ? M 2 )U Uo ? 2 2 r1 ? (?L1 ) ① 活动衔铁处于中间位置时 M1=M2=M 故 Uo=0 ② 活动衔铁向上移动时? M1 =M+ΔM, M2 =M-ΔM 故 Uo ? . 与E2a同极性。网赚, 2??MU r ? (? L1 ) 2 1 2 ③ 活动衔铁向下移动时 M1 =M-ΔM, M2 =M+ΔM 故 Uo ? ? . 与E2b同极性。 2??MU r12 ? (?L1 )2 4. 差动变压器式传感器测量电路? 问题: (1)差动变压器的输出是交流电压(用交流电压表测量,只能 反映衔铁位移的大小,不能反映移动的方向); ( 2)测量值中将包含零点残余电压。 常常采用差动整流电路或相敏检波电路。 ? (1) 差动整流电路 把差动变压器的两个次级输出电压分别整流, 然后将整流的电压或电流的差值作为输出。 整流电路的输出电压为 ? ? ? U2 ? U24 ? U68 . . . 当衔铁在零位时,因为U24=U68,所以U2=0;当衔铁在零位 . . . 以上时,因为U24 U68 ,则U2 0;而当衔铁在零位以下时, . . . . 则有U24 U68,则U2 0。U2的正负表示衔铁位移的方向。 ?? 5. 差动变压器式传感器的应用? 可直接用于位移测量,也可以测量与位移有关的任何机械量,如振动、 加速度、应变、张力等。 (1) 加速度传感器 B 1 2 1 —悬臂梁; 2 —差动变压器 1 A ? x(t ) (2)力和力矩的测量 1-线-弹性元件 优点:承受轴向力时应力分布均匀; 当长径比较小时,受横向偏心的分力的影响较小。 (3)微小位移的测量 1-测端 2-防尘罩 3-轴套 4-圆片簧 5-测杆 6-磁筒 7-磁芯 8-线-导线) 压力测量 传感器与弹性敏感元件(膜片、膜盒和弹簧管等)相结合, 可以组成开环压力传感器和闭环力平衡式压力计 微压力传感器 1-接头;2-膜盒; 3-底座;4-线-差动变压器线-通孔