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2020/1/211保持气隙lδ不变传感器线圈电感量:气隙较小,认为气隙磁场均匀,忽略磁路铁损:rllSWL/20μ0---真空磁导率,μ0=4π×10-7(H/m)W---线圈匝数;S---磁通截面积;l----磁路长度;lδ---气隙总长;μr---铁心和衔铁的相对磁导率;对同一传感器线圈:W、μ0、S、l、μr均为常数,常数K=μ0W2S线圈电感:rllKL/1电感的变化只与气隙长度有关,非线性输出灵敏度:rllLdldLK/1气隙:增大灵敏度---减小气隙---受到工艺和结构的限制。常取气隙尺寸(即测量范围)为δ=lδ/2=0.1~0.5mm。灵敏度:负号表示灵敏度随着气隙的增加而减小2、变面积型自感传感器衔铁沿水平方向移动磁通截面积S变化电感变化2020/1/212传感器线圈的电感:忽略气隙磁通边缘效应线性SKSllWLr'/20输出灵敏度:rllLdldLK/1气隙:增大灵敏度---减小气隙---受到工艺和结构的限制、边缘效应常取气隙尺寸为δ=lδ/2=0.1~0.5mm(与变气隙型相同)负号表示灵敏度随着气隙的增加而减小3、螺管型自感传感器传感器线圈的电感:2323lglWLag-比磁导传感器的输出灵敏度:aaaHlLlglWdldLK/3/222特点:①由于气隙大,磁路磁阻大,故灵敏度较前两者低。提高衔铁与套筒的直径比与长度比(结构与非线性限制)增加砸数(受到稳定性限制)②若主磁通不变以及线圈绕阻排列均匀,可得到较大的线性范围衔铁深度线圈漏磁磁阻线圈电感nrDg2ln202020/1/2134、差动式自感传感器单一式自感传感器:由于线圈电流的存在,使衔铁受到单向电磁力的作用,输出信号易受电源电压和频率波动、温度变化等干扰传感器输出的非线性限制了使用(变面积型传感器)不适于精密测量。差动式:由两个单一形式的结构对称组合,改善其性能,变气隙型差动传感器:输出灵敏度rllLddLdLddLK/1221灵敏度提高了一倍。对电源电压与频率的波动以及温度变化等外界干扰也有补偿作用,从而提高了传感器的稳定性。2020/1/2145、自感传感器的测量电路(1)测量电路组成:(2)测量电桥:传感器线圈:Z1=r1+jL1,Z2=r2+jL2Z1=Z+ΔZ,Z2=Z-ΔZ初始状态:r10=r20=r0,L10=L20=L0外接电阻:R1=R2=R输出电压:传感器测量电桥放大器相敏检波滤波器振荡器输出0000002222LLELjrLjELjrLjrEZZEU近似线性E---振荡器稳幅极性:方向—相敏检波2020/1/215若衔铁上移:Z1变大,Z2减小,U正半周:D1、D4导通,D2、D3截止,UCUD,输出负电压U负半周:D1、D4截止,D2、D3导通,UCUD,输出负电压隔直---减小直流漂移,高放大倍数,高阻抗(3)放大器:幅值放大,交流放大器,(4)相敏检波电路:判断衔铁移动方向若衔铁下移:Z1减小,Z2增大,U正半周:D1、D4导通,D2、D3截止,UCUD,输出正电压U负半周:D1、D4截止,D2、D3导通,UCUD,输出正电压初始状态:Z1=Z2,输出U0=02020/1/216理论上---当衔铁处于中间位置时,输出为零实际上---零位不平衡,输出零为电压---电气参数不对称、几何尺寸偏差(6)零残电压补偿:(5)滤波电路:滤除交流信号---直流电压危害:使提前放大器饱和;控制产生误动作;伺服电机发热---补偿Ra:使线圈电阻相等,消除基波分量Rb:对某线圈分流,改变工作点减小二三级谐波C:补偿次级线圈不对称2020/1/217二、互感式传感器(差动变压器)1、互感传感器工作原理变压器:闭合磁路初级、次级互感为常数一个次级互感传感器:开磁路初级、次级互感随衔铁移动变化两个次级(差动)U、I---初级线圈激励电压、电流,频率ωL1,R1---初级线圈电感、电阻;L21,R21,L22,R22---两个次级线圈电感、电阻;M1,M2---初级线圈与次级线圈1、2的互感;当衔铁处在中间位置时:M1=M2,输出为零当衔铁偏离中间位置时:M1M2,输出与M1-M2成比,与衔铁位移成正比传感器开路输出:IMMjEEU)(21222100012WWUUW1、W2:初级、次级线圈匝数δ0:初始气隙Δδ:衔铁位移2020/1/2182、互感传感器结构变气隙型:a,b,c变面积型:d,e螺管型:f2020/1/2193、互感传感器测量电路(1)测量电路组成:(2)辨向解调电路:传感器辨向解调放大器滤波器振荡器输出差动相敏检波电路:差动整流电路:2020/1/2110三、电感传感器的应用1、电感式位移传感器测量范围:零点几~几百毫米线性度:0.5%,0.1%,0.05%,0.02%分辨力:0.1m~0.01m,1nm(1)电感式位移传感器:测端10:宝石球头(玛瑙)测杆8:上下轴向移动导轨7:滚动式---多排钢珠,过盈,摩擦小,误差小,精度高,寿命长滑动式---间隙(测杆-导套),易磨损,精度低,寿命低,大行程片簧式---无间隙,无摩擦,精度高,测力变化大,行程小,体积大磁芯3:螺管型线圈4:差动弹簧5:蝶簧,产生测力密封圈9:防尘,防水,防污2020/1/2111(2)横向电感式位移传感器:测杆1:杠杆片簧铰链14:支点,转轴磁芯6:螺管型线圈5:差动弹簧11:产生测量力2020/1/2112(3)电感式测厚仪:(4)差动变压器式位移传感器:辊轮1/3:测量,感受厚度变化测微螺杆4:传递位移杠杆7:传递位移,放大刻度盘5:初始距离(大数)测头1:测杆5:导轨:片簧4弹簧9:产生测力磁芯7:线圈8:2020/1/2113压力----弹性敏感元件(膜盒、膜片、波纹管)---位移---电感2、电感式压力传感器接头1:前端膜盒2:弹性元件,感受压力变化磁芯6:线圈5:电路板4:无需放大,解调,滤波测量范围:(-4~+6)*104Pa2020/1/2114力----弹性敏感元件(膜盒、膜片、波纹管)---变形---位移---电感3、电感式力传感器加速度----质量块2(磁芯、衔铁)---位移---电感4、电感式加速度传感器1-线圈:2-磁芯:3-弹性体:3-片簧:导轨,弹性元件,弹簧刚度大,衔铁质量小---测量加速度弹簧刚度小,衔铁质量大---测量振幅2020/1/2115四、电涡流传感器1、电涡流传感器工作原理发起:20世纪70年代工作原理:电涡流效应特点:结构简单,灵敏度高,频响宽,不受油污等介质的影响应用:测量---距离、位移、振动、厚度、温度、转速、硬度等参数变化:被测导体---几何形状、电导率、磁导率线圈---几何参数、电流大小和频率、其他---线圈与导体距离保持其他参数不变,只改变一个参数---测量,非线性:修正交变电流传感器线圈被测导体交变磁场H1电涡流交变磁场H2电感、阻抗、品质因数等变化2020/1/21162、电涡流传感器结构(1)反射式电涡流传感器:结构:1-传感器线圈:扁平,粘接铜、银、合金2-框架:固定线圈,要求损耗小、电性能好、热胀系数小高频陶瓷、聚酰亚胺、环氧玻璃纤维、聚四氟乙烯3-衬套;4-支座;5-电缆;6-插头:线圈外径:外径大:分布曲线平直---线性范围大,分布曲线平坦---灵敏度低,外径小:分布曲线弯曲---线性范围小,分布曲线陡峭---灵敏度高,线性范围:一般为线圈外径的1/3~1/5线圈内径和厚度:影响较小,近距离时灵敏度略有变化线圈轴向磁感应强度分布提高灵敏度::增加磁芯:减少匝数,提高Q值,扩大测量范围2020/1/2117被测导体:---传感器的一部分---参数影响被测导体直径的影响电涡流密度径向分布电导率:电导率越高,灵敏度越高磁导率:磁导率越高,灵敏度越低,剩磁影响测量结果---消磁均匀性:镀层,杂质,厚度不均,干扰信号形状:平面----曲面---曲率半径D3.5d:不影响测量结果;D=d:下降为70%电涡流分布---厚度:高频激励---表面薄层,径向:有限范围---涡流区,涡流密度不等:D=d时:涡流密度最大D=1.8d:下降为5%D0.4d:无电涡流(一般D1.8d)厚度:t0.2mm不影响(铜铝:t0.07mm)2020/1/2118激励频率:激励频率高:贯穿深度小,曲线陡峭,线性范围小,灵敏度高,---测薄板;激励频率低:贯穿深度大,曲线平坦,线性范围大,灵敏度低---测厚板。(2)透射式电涡流传感器:原理:低频激励---贯穿深度大,适于测量金属厚度h贯穿深度:材料特性:不同材料---电阻率不同---激励频率不同温度变化---影响电阻率变化---影响测量结果---使导体温度恒定ft/结构:发射线圈L1---激励电压U1;接收线圈L2---感应电压U2金属板---厚度越大,涡流损耗越大,感应电压越小,ρ:导体材料电阻率f:激励频率2020/1/21193、电涡流传感器的应用(1)电涡流测距传感器:1-涡流板:被测导体2-传感器:固定线圈3-浮子;传递液位测量金属导体绝对距离,大量程:几百毫米,分辨率0.1%小量程:十几微米,分辨力几十纳米(2)电涡流厚度测距传感器:应用:测量金属厚度,测量金属导体镀层厚度)(21xxDt特点:非接触,范围宽,反应快,适于在线检测透射式:发射线圈---接收线圈反射式:两个高频反射式电涡流传感器,对称布局,板厚度变化---距离变化2020/1/2120(3)电涡流温度传感器:在较小的温度范围内,金属导体的电阻率与温度的关系结构:1-补偿线圈:补偿环境温度2-管架:基体,支撑固定3-测温线圈:感受电阻率变化4-隔热衬垫:隔热,5-温度敏感元件:电阻温度系数大(磁性材料)特点:不受介质影响(涂料、油、水);可实现非接触测问:辐射测温(热辐射)反应快:热惯性小(1ms))](1[00tt保持传感器的机、电、磁各参数不变,输出只受电阻率影响---温度测量t、t0:温度;α:电阻温度系数(4)电涡流硬度传感器:导体表面硬度---磁导率---电涡流强度用于:测量液体、气体、水汽等温度2020/1/2121五、感应同步器1、感应同步器工作原理特点:脉冲输出---数字量,计数器抗干扰---稳定,可靠无摩擦---绕组间隙,寿命长工艺好---平面绕组,易于接长安装简单,维护方便平面绕组:定尺绕组---固定,连续绕组,节距:W2=2(a2+b2)滑尺绕组--移动,断续绕组,节距:W1=2(a1+b1)相差:W2/4---90º正弦绕组,余弦绕组应用:测量位移、激励:滑尺绕组,正弦电压感应:定尺绕组,电磁耦合,感应电势,频率---与激励电压相同;幅值---激励频率,耦合长度,间隙,两个绕组的相对位置,周期2020/1/21222、感应同步器结构形式直线型:旋转型标准长度:定尺250mm,滑尺100mm,测量长度150mm3、感应同步器的接长接长:误差增大,输出电势减弱2020/1/2123六、压磁式传感器压磁效应:外力---铁磁材料---磁弹性能---磁化强度矢量改变---磁导率变化特点:输出功率大;抗干扰能力强,可用于恶劣工作环境;工作可靠:长期运行精度低:低于1%FS频响差:1~2kHz用于:测力,称重,扭矩2020/1/2124作业1、请推导螺管型差动电感传感器的电感及灵敏度公式。
本文标题:电感式传感器 2
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