自感式传感器

3.1自感式传感器本章学习自感式传感器工作原理、测量电路以及它们的应用，掌握一次仪表的相关知识。电感式传感器的工作基础：电磁感应即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、振动、压力、流量、比重）线圈自感系数L/互感系数M电压或电流（电信号）电磁感应测量电路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，如下图所示。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。3.1.1工作原理先看一个实验：电感传感器的基本工作原理演示F220V准备工作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线圈电感:N——线圈的匝数；Rm——磁路总磁阻上一页返回下一页mRNL2002221112sslslRm线圈中放入圆形衔铁,电感的大小也会改变,称为螺管型传感器。上一页返回下一页a)气隙型b)截面型c)螺管型自感式传感器原理图3.1.2变气隙式自感传感器002221112sslslRm通常气隙的磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻111002sls222002sls002sRm20022sNRNLmL与δ之间是非线性关系上一页返回下一页当衔铁处于初始位置时，初始电感量为:000202sNL当衔铁上移Δδ时，则，代入式(1)并整理得:00000201)(2LsNLLL0LLL0上一页返回下一页(1)1/0上式展开成如下的级数形式:200001LLLL200001LL200001LL30200001LL302000001LL同理，当衔铁随被测物体的初始位置向下移动时，有上一页返回下一页(2)(3)对式（2）（3）作线性处理，即忽略高次项后可得:00LL灵敏度为:0001/LLk变间隙式自感传感器的测量范围与灵敏度及线性度是相矛盾的，因此变隙式自感式传感器适用于测量微小位移场合。为了减小非线形误差，实际中广泛采用差动变隙式电感传感器。上一页返回下一页差动变隙式电感传感器1-铁芯；2-线圈；3-衔铁；4020002112LLLL当衔铁向上移动时，两个线圈的电感变化量ΔL1、ΔL2上一页返回下一页对上式进行线性处理，即忽略高次项得002LL灵敏度k0为0002/LLk（1）差动变间隙式自感传感器的灵敏度是单线圈式传感器的两倍。（2）单线圈是忽略以上高次项，差动式是忽略以上高次项，因此差动式自感式传感器线性度得到明显改善。2030上一页返回下一页3.1.3变面积式自感传感器传感器气隙长度保持不变，令磁通截面积随被测非电量而变，设铁芯材料和衔铁材料的磁导率相同，则此变面积自感传感器自感L为sKsllNslslNLrr/02002灵敏度：KsLk0变面积式自感传感器在忽略气隙磁通边缘效应的条件下，输入与输出呈线性关系；因此可望得到较大的线性范围。但是与变气隙式自感传感器相比，其灵敏度降低。上一页返回下一页3.1.4螺线管式自感传感器1-螺线管线圈Ⅰ；2-螺线管线圈Ⅱ；3-骨架；4-活动铁芯llrrlNrLLLccr22022010011L10，L20——分别为线圈Ⅰ、Ⅱ的初始电感值；上一页返回下一页(4)当铁芯移动（如右移）后，使右边电感值增加，左边电感值减小lxlrrlWrLccr2202111lxlrrlWrLccr2202211根据以上两式，可以求得每只线圈的灵敏度为222021211lrNdxdLdxdLkkcr两只线圈的灵敏度大小相等，符号相反，具有差动特征。式(4)和式(5)可简化为222020100llrNLLLccr222021lrNkkcr上一页返回下一页(5)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1-差动线圈2-铁心3-衔铁4-测杆5-工件从曲线图可以看出，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。从结构图可以看出，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。差动式电感传感器的特性3.1.5自感式传感器测量电路1.调幅电路2.调频电路3.调相电路4.自感传感器的灵敏度上一页返回下一页3.1.6调幅电路u0(1)变压器电路输出空载电压2121121022ZZZZuuZZZuu初始平衡状态，Z1=Z2=Z,u0=0衔铁偏离中间零点时0021uZZZ，，、ZZZZZZΔΔ21)/(Δ)2/(0ZZuu使用元件少，输出阻抗小,获得广泛应用z2z1u/2u/2上一页返回下一页传感器衔铁移动方向相反时，、ZZZZZZΔΔ21空载输出电压)/(Δ)2/(0ZZuu两种情况的输出电压大小相等，方向相反，即相位差180，为了判别衔铁位移方向，就是判别信号的相位，要在后续电路中配置相敏检波器来解决上一页返回下一页2\相敏整流电路：既反映输入的大，又能辨向什么是相敏整流电路•根据载波的频率和相位，控制开关阵列工作，将交流的信号变成直流，或者将直流信号调制成交流，便于放大。也可以对信号设定相位门槛，去掉不要的干扰信号。(2)相敏检波电路当衔铁偏离中间位置而使Z1=Z+ΔZ增加，则Z2=Z-ΔZ减少。这时当电源u上端为正，下端为负时，电阻R1上的压降大于R2上的压降；当u上端为负，下端为正时，R2上压降则大于R1上的压降，电压表V输出上端为正，下端为负。上一页返回下一页非相敏整流和相敏整流电路输出电压比较(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，上一页返回下一页上一页返回下一页3.1.7调频电路传感器自感变化将引起输出电压频率的变化GCLf灵敏度很高，但线性差，适用于线性要求不高的场合)/(Δ)2/(4/Δ)(Δ2/3LLfLCLCfLf0LCf2/13.1.8自感式传感器应用举例1.自感式位移传感器2.自感式压力传感器上一页返回下一页1.自感式位移传感器1传感器引线2铁心套筒3磁芯4电感线圈5弹簧6防转件7滚珠导轨8测杆9密封件10玛瑙测端上一页返回下一页轴向式电感测微器的外形航空插头测头其他电感测微头模拟式及数字式电感测微仪2.自感式压力传感器变隙式自感压力传感器结构图变隙差动式电感压力传感器上一页返回当被测压力进入C形弹簧管时，C形弹簧管产生变形，其自由端发生位移，带动与自由端连接成一体的衔铁运动，使线圈1和线圈2中的电感发生大小相等、符号相反的变化。即一个电感量增大，另一个电感量减小。电感的这种变化通过电桥电路转换成电压输出。由于输出电压与被测压力之间成比例关系，所以只要用检测仪表测量出输出电压，即可得知被测压力的大小。3.电感式滚柱直径分选装置图3-14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）电感式滚柱直径分选以前用人工测量和分选轴承用滚柱的直径是一项十分费时且容易出错的工作。由机械排序装置送来的滚柱按顺序进入电感测微仪。电感测微仪的测杆在电磁铁的控制下，先是提升到一定的高度，让滚柱进入其正下方，然后电磁铁释放，衔铁向下压住滚柱，滚柱的直径决定了衔铁位移的大小。电感传感器的输出信号送到计算机，计算出直径的偏差值。完成测量的滚柱被机械装置推出电感测微仪，这时相应的翻板打开滚柱落入与其直径偏差相对应的容器中。从图可以看到，批量生产的滚柱直径偏差的概率符合随机误差的正态分布。以测量和分选步骤均是在计算机控制下进行的。电感式滚柱直径分选装置测微仪圆柱滚子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）电感式滚柱直径分选装置外形落料振动台滑道11个分选仓位（参考无锡市通达滚子有限公司资料）废料仓4.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—毛坯仿形铣床外形仿形机床采用闭环工作方式仿形头主轴仿形车床原理5、电感式不圆度计原理该圆度计采用旁向式电感测微头电感式不圆度测试系统旁向式电感测微头电感式不圆度测量系统外形（参考洛阳汇智测控技术有限公司资料）旋转盘测量头不圆度测量打印电感式轮廓仪旁向式电感测微头某一压力变送器的测量电路6.一次仪表与4~20mA二线制输出方式图示的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。4~20mA二线制输出方式新的国家标准规定电流输出为4~20mA；电压输出为1~5V(旧国标为0~10mA或0~2V)。4mA对应于零输入，20mA对应于满度输入。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二线制输出方式所谓二线制仪表是指仪表与外界的联系只需两根导线。多数情况下，其中一根（红色）为+24V电源线，另一根（黑色）既作为电源负极引线，又作为信号传输线。在信号传输线的末端通过一只标准负载电阻（也称取样电阻）接地（也就是电源负极），将电流信号转变成电压信号。4~20mA二线制仪表接线方法4~20mA4~20mA二线制数显表外形及计算在上一张图中，若取样电阻RL=500.0，则对应于4~20mA的输出电流，输出电压Uo为2~10V。休息一下