检测与转换技术第6章2.

电参数传感器第二部分第三节自感传感器第四节差动变压器第五节涡流传感器电磁感应现象当穿过闭合导电回路所包围面积的磁通量发生变化时，回路中就会产生感应电流，这种现象叫做电磁感应现象。回路中产生的感应电动势Ei等于所包围面积中磁通量Φ随时间变化的负值此负值表明闭合回路中感应电流所产生的磁场总是阻碍产生感应电流的磁通的变化，这个方程称为法拉第电磁感应定律。此方程用于一个绕有N匝的线圈，所得感应电动势表示为ddiEtddN-tddiiNENEtt伏，匝，韦伯，秒自感应当线圈中通以交变电流I时，其所产生的交变磁通量也将在本线圈中产生感应电动势，此现象称为自感现象，产生的感应电动势称为自感电动势ELLdIELL-Hdt自感系数，单位亨利（）•L=ψ/I=Nφ/I而φ=NI/∑Rm•根据磁路欧姆定律；•L=N2/∑Rm=N2/∑li/μiSi•可以看出，电感L取决于线圈匝数、磁路几何尺寸与介质磁导率互感应当两个线圈相互靠近，线圈中分别流过交变电流I1和I2的情况下，由线圈1中电流I1所引起的变化的磁场通过线圈2时会在线圈2中产生感应电动势；同样，线圈2中电流I2所引起的变化的磁场通过线圈1时会在线圈1中产生感应电动势，这种两载流线圈相互激起感应电动势的现象称为互感现象，所产生的感应电动势称为互感电动势。在线圈2和在线圈1中产生的感应电动势，在两线圈形状、大小、匝数、相对位置及周围磁介质给定的情况下可给出1212MK=LL12LL耦合系数，和线圈和线圈的自感系数122112dd,ddIIEMEMMtt为两个线圈的互感系数第三节自感传感器一、自感电动势与电感二、简单的自感传感器原理自感传感器原理图a)变气隙b)变截面1－线圈2－铁心3－衔铁先看一个实验：将一只380V交流接触器线圈与交流毫安表串联后，接到机床用控制变压器的36V交流电压源上，如图4-1所示。这时毫安表的示值约为几十毫安。用手慢慢将接触器的活动铁心（称为衔铁）往下按，我们会发现毫安表的读数逐渐减小。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。电感传感器的基本工作原理演示F220V电感传感器的基本工作原理演示气隙变小，电感变大，电流变小F•由电工知识可知，忽略线圈的直流电阻时，流过线圈的交流电流为I=U/Z≈U/Xl=U/2πfL,当铁心的气隙较大时，磁路的磁阻Rm也较大，线圈的电感量L和感抗Xl较小，所以电流I较大。当铁心闭合时，磁阻变小、电感变大，电流减小。由此可见，当一个线圈中电流I变化时，该电流所产生的磁通φ也随着变化。因而线圈本身产生感应电动势el,这种现象称为自感，产生的感应电动势el就是自感电动势。电感L取决于线圈匝数、磁路几何尺寸与介质的磁导率。电感量计算公式：﹙忽略导磁体磁阻和铁损﹚可以看出，电感量与空气隙厚度成反比，与空气隙相对截面积成正比。因此，改变空气隙厚度或改变气隙截面积都能使电感量变化。202NALN：线圈匝数；A：气隙的有效截面积；0：真空磁导率；：气隙厚度。从图可看出：L=f(δ)不是线性的，当δ=0时，理论上L=∞，但考虑到导磁体的磁阻，L不等于∞，而有一定的数值，如图中虚线所示。如上下移动衔铁使面积改变，从而改变L值时，则L=f(S)的特性曲线为一条直线。自感传感器的特性曲线•自感传感器一般有三种类型：①改变气隙厚度δ的自感传感器；②改变气隙截面积s的自感传感器；③螺管式自感传感器，自感式电感传感器常见的形式变隙式变截面式螺线管式第一种灵敏度高，对电路放大倍数要求低，缺点是非线性严重，为了保持一定的线性度，只能工作在一段很小的区域，因而只能用于微小位移的测量。第二种类型的优点是具有较好的线性，示值范围较大，自由行程也较大，由于漏感等原因，在S=0时，仍有较大的电感，所以线性区小，灵敏度较低。第三种类型灵敏度低，但示值范围大，自由行程大，且其主要优点是结构简单，制造装配容易。灵敏度低是其缺点，但可以在放大电路方面加以解决。三、自感传感器结构举例由于上述三种电感传感器使用时，线圈中通有交流励磁电流，因而衔铁始终承受电磁吸力，会引起振动及附加误差，而且非线性误差较大；另外，外界干扰如电源电压、频率变化、温度变化都使输出产生误差，所以实际工作中常采用了变气隙差动传感器。•如上图，当被测压力P变化时，弹簧管1的自由端产生位移，带动与自由端刚性连接的自感传感器的衔铁2发生移动，使传感器的线圈5和6中的电感值一个增加另一个减小。传感器输出信号的大小决定于衔铁移动的方向。整个铁心装在一个圆形的金属盒内，用接头螺纹与被测物相联接。BYM型压力传感器1－弹簧管2－衔铁3、4－铁心5、6－线圈7－调节螺钉轴向式电感测微器的内部结构1—引线电缆2—固定磁筒3—衔铁4—线圈5—测力弹簧6—防转销7—钢球导轨（直线轴承）8—测杆9—密封套10—测端11—被测工件12—基准面•测杆8可在钢球导轨7上作轴向移动，测杆上端固定着衔铁3。当测杆移动时，带动衔铁3在电感线圈中移动，线圈4放在圆筒形磁心2中，线圈配置成差动形式，当衔铁3由中间位置向上移动时，上线圈的电感量增加，下线圈的电感量减少，两个线圈用导线1引出，以便接入测量电路。测量力由弹簧产生。防转销6用来限制测杆8的转动。密封套9用来防止尘土进入测量头内。滚动导轨上消除了径向间隙,使测量精度提高,并且灵敏度和寿命能达到较高指标.差动电感传感器的特点请分析：灵敏度、线性度有何变化曲线1、2为L1、L2的特性，3为差动特性在变隙式差动电感传感器中，当衔铁随被测量移动而偏离中间位置时，两个线圈的电感量一个增加，一个减小，形成差动形式。1-差动线圈2-铁心3-衔铁4-测杆5-工件四、测量转换电路测量转换电路的作用是将电感量的变化转换成电压或电流的变化，以便用仪表指示出来。但若仅采用电桥电路和普通的检波电路，则只能判别位移的大小，却无法判别输出的相位和位移的方向。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，则不但可以反映位移的大小（的幅值），还可以反映位移的方向（的相位）。这种检波电路称为相敏检波电路。带有相敏整流的电桥电路•一种带相敏整流的电桥电路.电桥由差动电感传感器Z1和Z2以及平衡电阻R1、R2(R1=R2)组成,VD1～VD4构成了相敏整流器,桥的一个对角线接有交流电源U,另一个对角线接有电压表V,当差动衔铁处于中间位置时,Z1=Z2=Z,输出电压U0为零。相敏检波输出特性曲线a）非相敏检波b）相敏检波1—理想特性曲线2—实际特性曲线•当衔铁偏离中间位置而使Z1=Z+△Z增加,则Z2=Z-△Z减少。这时当电源上端为正，下端为负时，输出直流电压UR2＞UR1•当电源下端为正，上端为负时，UR1＞UR2，则电压表V有输出：下端为正，上端为负，即检流计指针反向偏转。•同理，当衔铁偏离中间位置而使Z2=Z+△Z增加,则Z1=Z-△Z减少。则前者UR1＞UR2，后者UR2＞UR1，则电压表V也有输出：上端为正，下端为负，即检流计指针正向偏转。•比较上述两种情况,可知输出电压幅值相等,极性相反。说明输出信号既能反映位移大小，也能反映位移方向。实测得到的相敏检波电路的特性曲线通过调零电路，可使输出曲线平移到原点。标定位移时的实验数据及曲线•自感式电感器特点：•灵敏度较好，目前可测0.1μm的直线位移，输出信号比较大、信噪比较好；•测量范围较小，适用于测量较小位移；•存在非线性；•消耗功率较大，尤其是单极式电感传感器，这是由于它有较大的电磁吸力的缘故；•工艺要求不高，加工容易。（二）自感传感器实际测量电路举例JGH型电感测厚仪的传感器是一只差动式自感传感器，因此测量电路是一不平衡电桥电路。JGH型电感测厚仪测量电路模拟式及数字式电感测微仪二、电感式滚柱直径分选装置测微仪圆柱滚子仿形铣床外形仿形机床采用闭环工作方式仿形头主轴电感式不圆度测试系统旁向式电感测微头电感式轮廓仪旁向式电感测微头粗糙度仪外形金刚石测头第四节差动变压器差动变压器是互感传感器，是把被测位移转换为传感器线圈的互感的变化量。差动变压器式传感器的工作原理当一次线圈接入激励电源之后，二次线圈就将产生感应电动势，当两者间的互感量变化时，感应电动势也相应变化。由于两个二次线圈采用差动接法，故称为差动变压器。目前应用最广泛的结构型式是螺线管式差动变压器。差动变压器式传感器的工作原理差动变压器的结构原理如图所示。在线框上绕有一组输入线圈（称一次线圈）；在同一线框的上端和下端再绕制两组完全对称的线圈（称二次线圈），它们反向串联，组成差动输出形式。理想差动变压器的原理如图。图中标有黑点的一端称为同名端，通俗说法是指线圈的“头”。结构特点：两个二次线圈反向串联，组成差动输出形式。请将二次线圈N21、N22的有关端点正确地连接起来，并指出哪两个为输出端点。•当一次线圈加以适当的频率的电压激励时，根据变压器的作用原理，在两个二次线圈中就会产生感应电动势。当铁心向右移动时,在右边二次线圈内所穿过的磁通比左边二次线圈多些,所以互感也大些,感应电动势El增加;另一个线圈的感应电动E2,随铁心向右偏离中心位置而逐渐减小并减小到接近空心状态时的电动势E0，如果输出接成反向串联,则此传感器的输出电压U2=U21-U22。差动变压器a)结构图b)原理图因为两个二次线圈做得一样，因此，当铁心在中央位置时U2=0，当铁心移动时，U2就随铁心位移X成线性增加，其特性形成V形特性，以适当方法测量U2，就可以得到与X成比例的线性读数。差动变压器特性a)二次线圈输出特性b)差动变压器输出特性二、基本特性（一）等效电路差动变压器的等效电路a)空载时的等效电路b)空载时电动势源等效电路•二次侧开路，一次绕组的电流为i1=u1/R1+jωL1•其在二次绕组中产生磁通•φ21=ω1I1/RM1和φ22=ω1I1/RM2•二次线圈中感应出电动势E1和E2，其值分别为：•E1=-jωM1i1;E2=jωM2i1•一次绕组与两个二次绕组之间的互感为M1=ω2φ21/i1=ω1ω2/RM1•M2=ω2φ22/i1=ω1ω2/RM2•空载输出电压为•U2=E1-E2=-jω(M1-M2)U1/R1+jωL1•输出阻抗为Z=(R21+R22)+jω(L21+L22)一般差动变压器灵敏度大于50mv/mm/v,可采用下列方法提高差动变压器的灵敏度：（二）灵敏度（1）提高线圈的Q值，为此需增大差动变压器的尺寸，一般长度为直径的1.2～2.0倍较恰当。（2）选择较高的励磁频率。（3）增大铁心直径，使其接近于线圈框架内径，铁心采用磁导率高、铁损小、涡流损失小的材料。（4）减少涡流损耗，为此线圈框架采用非导电的且膨胀系数小的材料。（5）在不使一次线圈过热的情况下，尽量提高励磁电压。（三）频率特性差动变压器的励磁频率一般从10～50kHz为适当。频率低，灵敏度低，误差增加，频率太高，铁损和耦合电容影响增加。（5～400KHZ为宜）励磁频率与输出电压有很大关系，频率增加引起与二次绕组相联系的磁通量变化率增加，它将使差动变压器的输出电压增加。另外，增加频率使一次线圈的电抗增加，这使输出电压又有减小的趋势。•（四）线性范围•理想的差动变压器输出电压应与衔铁位移成线性关系。实际上，由于衔铁的直径、长度、材质和线圈骨架的形状、大小的不同等均对线性有直接的影响。差动变压器线性范围约为线圈骨架长度的1／10左右。由于差动变压器中间部分磁场是均匀的且较强，所以只有中间部分线性较好。（五）温度特性差动变压器由于机械结构的膨胀、收缩、测量电路的温度特性等的影响，会造成测量精度下降。如果要把机械部分的温度影响限制在1μm的范围内，则需把差动变压器在使用环境中放置24H后方可进行测量。差动变压器一般使用温度为80℃，特别制造的高温型可以用到150℃。零点残余电压产生的原因有以下几个方面：（1）由于两个二次线圈结构上的不对称，引起两个二次电压的幅值平衡点与相位平衡点两者不重合。（2）由铁心材料B－H曲线的弯曲部分导致输出电压中含高次谐波。（3）励磁电压波形中有高次谐波。（六）零