第4章 电感传感器模板

2008-10-311、掌握自感式传感器的结构、工作原理、测量电路以及应用；2、掌握差动变压器的结构、工作原理、测量电路及应用；3、掌握一次仪表的相关知识。第三章电感式传感器2008-10-32退出第一节自感式传感器先看一个实验：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。因此，可以利用自感量随气隙而改变的原理来制作测量位移的自感式传感器。(31)2LUUUIZXfL由电工知识可知，流过线圈的交流电流为2008-10-33退出自感式电感传感器常见的形式变隙式变截面式螺线管式202NAL变隙式和变截面式电感量计算公式：N：线圈匝数；A：气隙的有效截面积；0：真空磁导率；：气隙厚度。单线圈螺线管式电感传感器，当衔铁工作在螺线管的中部时，可以认为线圈内磁场强度是均匀的，此时线圈电感量L与衔铁插入深度l大致成正比。2008-10-34退出请分析电感量L与气隙厚度及气隙的有效截面积A之间的关系，并讨论有关线性度的问题。对于变隙式电感传感器，电感L与气隙厚度δ成反比，输入输出是非线性关系。δ小，灵敏度就高。为了保证一定的线性度，变隙式电感传感器只能用于微小位移的测量。线圈电感量与截面积是一种线性关系。但由于漏感等原因，在A=0时，仍有较大电感，所以其线性区较小，而且灵敏度较低。电感传感器的输出特性如图a）变隙式电感传感器的-L特性曲线b）变面积式电感传感器的A-L特性曲线1－实际输出特性2－理想输出特性2008-10-35退出四、差动电感传感器1-差动线圈2-铁心3-衔铁4-测杆5-工件在实际使用中，常采用两个相同的传感器线圈共用一个衔铁，构成差动式电感传感器，这样可以提高传感器的灵敏度，减小测量误差。结构示意图如图2-18所示。差动式电感传感器的结构要求两个导磁体的几何尺寸的材料完全相同，两个线圈的电气参数和几何尺寸完全相同。差动式电感传感器对外界影响，如温度的变化、电源频率的变化等基本上可以互相抵消，衔铁承受的电磁吸力也较小，从而减小了测量误差。2008-10-36退出差动式电感传感器的特性从曲线图可以看出，差动式电感传感器的线性较好，且输出曲线较陡，灵敏度约为非差动式电感传感器的两倍。曲线1、2为L1、L2的特性，3为差动特性请分析：灵敏度、线性度有何变化2008-10-37退出总结通过以上三种形式的电感式传感器的分析，可以得出以下几点结论：1）变间隙型灵敏度较高，但非线性误差较大，且制作装配比较困难；2）变面积型灵敏度较前者小，但线性较好，量程较大，使用比较广泛；3）螺管型灵敏度较低，但量程大且结构简单易于制作和批量生产，是使用最广泛的一种电感式传感器。4）差动式结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对温度变化、电源频率变化等影响，也可以进行补偿，从而减少了外界影响造成的误差。返回2008-10-38退出1．差动电感的变压器电桥转换电路差动电感的变压器电桥转换电路如图。相邻两工作臂Z1、Z2是差动电感传感器的两个线圈阻抗。另两臂为激励变压器的二次绕组。。当衔铁处于中间位置时：它的平衡臂为变压器的二次侧绕组，当负载阻抗无穷大时输出电压为桥路平衡，输出电压=0。五、测量转换电路由于是双臂工作形式，当衔铁下移时，Z1=Z-ΔZ，Z2=Z+ΔZ，则有....22220111Z/(Z)(Z)/(Z)22UUUUZZZ=+-=-+..0Δ2UZUZ=同理，当衔铁上移时，则有..0Δ2UZUZ=-2008-10-39退出2．相敏检波电路普通的全波整流：只能得到单一方向的直流电，不能反映输入信号的相位。UiZ1Z2AD1D2D3D4VZ3Z4ECFDBU0相敏检波电路：如果输出电压在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，还可以反映位移的方向，这种检波电路称为相敏检波电路。相敏检波电路的输出电压为直流，其极性由输入电压的相位决定。采用相敏检波电路，得到的输出信号既能反映位移大小，也能反映位移方向。2008-10-310退出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2008-10-311退出第二节差动变压器式传感器＋差动变压器式传感器是把被测位移量转换为一次线圈与二次线圈间的互感量M的变化的装置。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。差动变压器结构示意图及外形图1－一次线圈2－二次线圈3－衔铁4－测杆在线框上绕有一组输入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，它们反向串联，组成差动输出形式。图中标有黑点的一端称为同名端，通俗说法是指线圈的“头”。一、工作原理2008-10-312退出差动变压器式传感器的等效电路结构特点：两个二次线圈反向串联，组成差动输出形式。差动变压器原理图当位移x很小时：Uo=k|x|（无法判别位移方向）2008-10-313退出二、主要性能1．灵敏度2．线性范围线性范围约为线圈骨架长度的1/10左右，只有中间部分线性较好。为了获得高的灵敏度，尽量提高励磁电压，电源频率以400Hz到10kHz为佳。灵敏度一般可达0.5~5V/mm，行程越小，灵敏度越高。2008-10-314退出三、测量转换电路差分变压器对测量转换电路的要求为：①判别衔铁位移方向及大小；②消除零点残余电压。常用测量转换电路有差分相敏检波电路和差分整流电路。1、相敏检波电路相敏检波电路要求比较电压和差动变压器次级输出电压频率相同，相位相同或相反，通常在电路中接入移相电路。另外由于比较电压在检波电路中是起开关作用的，因此其幅值应尽可能大，一般应为信号电压的3-5倍。2008-10-315退出2、差动整流电路差动整流电路是常用的电路形式，它对两次级线圈的感生电动势分别整流，然后再把两个整流后的电流或电压串成通路合成输出。电路是以两个桥路整流后的直流电压之差作为输出的，所以称为差动整流电路。它不但可以反映位移的大小（电压的幅值），还可以反映位移的方向。2008-10-316退出一、位移测量电感测微仪及其测量电路框图a)轴向式测试头b)电感测微仪的原理框图1-引线2-线圈3-衔铁4-测力弹簧5-导杆6-密封罩7-测头返回第三节电感式传感器的应用2008-10-317退出二、电感式滚柱直径分选装置滚柱直径分选装置1—气缸2—活塞3—推杆4—被测滚柱5—落料管6—电感测微器7—钨钢测头8—限位挡板9—电磁翻板10—容器（料斗）2008-10-318退出电感式滚柱直径分选装置（外形）滑道分选仓位轴承滚子外形（参考中原量仪股份有限公司资料）2008-10-319退出三、电感传感器在仿形机床中的应用1—标准靠模样板2—测端（靠模轮）3—电感测微器4—铣刀龙门框架5—立柱6—伺服电动机7—铣刀8—毛坯2008-10-320退出仿形铣床外形仿形机床采用闭环工作方式仿形头主轴2008-10-321退出四、电感式不圆度计原理该圆度计采用旁向式电感测微头2008-10-322退出电感式不圆度测试系统旁向式电感测微头不圆度测量打印2008-10-323退出五、压力测量1—压力输入接头2—波纹膜盒3—电缆4—印制线路板5—差动线圈6—衔铁7—电源变压器8—罩壳9—指示灯10—密封隔板11—安装底座2008-10-324退出压力测量用的膜盒膜盒由两片波纹膜片焊接而成。所谓波纹膜片是一种压有同心波纹的圆形薄膜。当膜片四周固定，两侧面存在压差时，膜片将弯向压力低的一侧，因此能够将压力变换为直线位移。某一压力变送器的测量电路2008-10-325退出六、一次仪表与4~20mA二线制输出方式上图所示的压力变送器已经将传感器与信号处理电路组合在一个壳体中，这在工业中被称为一次仪表。一次仪表的输出信号可以是电压，也可以是电流。由于电流信号不易受干扰，且便于远距离传输（可以不考虑线路压降），所以在一次仪表中多采用电流输出型。新的国家标准规定电流输出为4~20mA；电压输出为1~5V。不让信号占有0~4mA这一范围的原因，一方面是有利于判断线路故障（开路）或仪表故障；另一方面，这类一次仪表内部均采用微电流集成电路，总的耗电还不到4mA，因此还能利用0~4mA这一部分“本底”电流为一次仪表的内部电路提供工作电流，使一次仪表成为两线制仪表。4~20mA二线制输出方式2008-10-326退出4~20mA二线制仪表接线方法4~20mA4~20mA二线制数显表外形2008-10-327退出本章学习自感式传感器和差动变压器的结构、工作原理、测量电路以及他们的应用，掌握一次仪表的相关知识。本章小结