项目三：位移检测

项目三：位移检测项目三：位移检测[学习目标]1、了解位移检测传感器的种类2、了解电感传感器的工作原理3、了解电涡流传感器的工作原理任务1：轴承滚柱的直径检测•[任务背景]滚柱轴承主要用于大中型电动机、机车车辆、机床主轴、发电机、燃气涡轮机、减速箱以及动输机械等。•[相关知识]电感式传感器具有结构简单、工作可靠、灵敏度高、测量精度高、输出功率大、可实现远距离传输、记录、显示和控制等优点，在工业自动控制中得到了广泛应用和推广，但不适合于快速动态测量。一、电感式传感器电感式传感器是利用位移的变化引起线圈自感或互感系数的变化，导致线圈电感量改变来实现测量的。分类:电感式传感器自感型互感型变面积型电传感器螺线管型电传感器变间隙型电传感器电感型传感器的优点与缺点•优点：1、结构简单，可靠，测量力小；•2、分辨率高，最小刻度值可达0.1um•3、零点稳定，漂移最小可达0.1um•4、测量精度高，输出线性可达正负0.1%•5、输出功率较大，即使不用放大器，一般也有（0.1~5)V/mm的输出值•缺点：传感器本身频率响应较低，所以它不能用于快速动态信号的测量，而且传感器的分辨率与测量范围有关，测量范围大，分辨率愈低1、自感式电感传感器自感式电感传感器有变间隙型、变面积型和螺管型三种。（1）变间隙型电感传感器它的结构示意图如右图所示。工作时衔铁与被测物体连接，被测物体的位移将引起空气隙的变化，导致了线圈电感量的变化。线圈的电感可用下式表示：mRNL2x线圈的电感值可近似地表示为因此，其灵敏度随气隙的增大而减小。忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为SxSlRm012SxSlNRNLm01222xSNL202因此：因为气隙的磁阻比铁心的磁阻大得多，铁心磁阻可忽略不计，所以SxRm02铁心与衔铁之间相对覆盖面积随被测量的变化面改变，导致线圈的电感量发生变化，这种形式称之为变面积型电感传感器，见图1.2。L与δ是非线性的，但与A成正比，特性曲线参见图1.3。δ123Lδ,AL=f(A)L=f(δ)图4.1.3电感传感器特性图4.1.2变面积型电感传感器1-衔铁2-铁芯3-线圈可变导磁面积型（2）、变面积型电感传感器下图为其结构原理图，衔铁随被测物移动，引起磁阻发生变化，导致电感量改变。lrx2ra12图4.1.4螺管型电感传感器1-线圈2-衔铁线圈电感量与衔铁进入线圈的长度可表示为（3）螺管型电感式传感器通过以上分析可得结论:I.变间隙型灵敏度较高,但非线性误差较大；II.变面积型灵敏度较小,但线性较好,量程较大；III.螺管型灵敏度较低,但量程大且结构简单。22222)1(4aamrllrlNL用两个相同的传感线圈共用一个衔铁,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。下图是变间隙型、变面积型及螺管型三种类型的差动结构。l234a)b)l234l34c)图4.1.5差动式电感传感器a)变间隙型b)变面积型c)螺管型1-线圈2-铁芯3-衔铁4-导杆2、差动式电感传感器两点结论：差动式变间隙电感传感器的灵敏度是单线圈式的两倍。差动式变间隙电感传感器的非线性项次数高，线性度得到明显改善。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测量电路差动式结构可以提高灵敏度，改善线性，所以交流电桥大多采用双臂工作形式。下图是交流电桥的几种常用形式。当ωL＞＞R’时，上式可近似为：可见交流电桥的输出电压与传感器线圈电感的相对变化量成正比。电阻平衡臂电桥如上图a所示，工作时，Z1=Z+△Z和Z2=Z—△Z，当ZL→∞时，电桥的输出电压为ZZUURZZZZRRZURRRUZZZU22)()(2..21211.211.2110.LLUU2.0.（1）电阻平衡臂电桥由于Z1=Z-△Z，Z2=Z+△Z，故：同理，当衔铁上移时，则有：变压器式电桥如前图b，当负载阻抗无穷大时输出电压为：2112..221...20.222ZZZZUUZZZUUIZUZZUU2.0.ZZUU2.0.（2）变压器式电桥可见，输出电压反映了传感器线圈阻抗的变化，还需辩向。该电桥如前图c所示。它以差动电感传感器的两个线圈作电桥工作臂，而紧耦合的两个电感作为固定臂组成电桥电路。采用这种测量电路可以消除与电感臂并联的分布电容对输出信号的影响，使电桥平衡稳定，另外简化了接地和屏蔽的问题。（3）紧耦合电感臂电桥电感式接近开关（金属）2、互感变压器式差动变压器1.工作原理:互感现象EwEoutWW1W2Esx-x2.差动变压器式传感器构成该类型的传感器主要包括有衔铁、一次绕组和二次绕组等。一、二次绕组间的耦合能随衔铁的移动而变化，即绕组间的互感随被测位移改变而变化。由于在使用时采用两个二次绕组反向串接，以差动方式输出，所以把这种传感器称为差动变压器式电感传感器，通常简称差动变压器。3.等效电路L21．．E2．～～L22E22E21U1．～R22R21R1M1M2等效电路如上图所示，输出采用差动结构，随着被测物的变化而改变。（3）当衔铁向二次绕组L22一边移动时输出也不为零，但由于移动方向改变，所以输出电动势反相。因此通过差动变压器输出电动势的大小和相位可以知道衔铁位移量的大小和方向。（1）当衔铁处于中间位置时，两个二次绕组互感相同，所以差动输出电动势为零。（2）当衔铁移向二次绕组一边时，输出不为零，在量程内移越大，输出就越大。4、常用测量电路差动整流电路结构简单，一般不需要调整相位，不考虑零点残余电动势的影响，适于远距离传输。（1）差动相敏检波电路相敏检波电路要求比较电压与差动变压器二次侧输出电压的频率相同，相位相同或相反。另外还要求比较电压的幅值尽可能大，一般情况下，其幅值应为信号电压的3~5倍。（2）差动整流电路～图4.2.5差动相敏检波电路移相器差动变压器式传感器的应用例：板厚的测量~例：张力测量课堂学与练气隙式电感传感器如图所示，衔铁截面积为S=4×4mm2，气隙总长度δ=0.8mm，衔铁最大位移变化量为正负0.08mm，激励线圈匝数N=2500匝，导线直径d=0.06mm，电阻率为1.75×10-6欧.米，当激励电源频率f=40MHZ时，忽略漏磁通及铁损，试计算线圈的电感量、电感的最大变化量、当线圈外截面积为11×11mm2时其直流电阻值,线圈的品质因素δ123图4.1.1变间隙型电感传感器1-线圈2-铁芯3-衔铁任务2：振动和偏心检测•[任务背景]在高速旋转机械和往复式运动机械的状态分析，以及振动研究分析测量中，对非接触的高精度振动、位移信号需要连续准确地采集转子振动状态的多种参数。•[相关知识]电涡流传感器具有可靠性高、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、搞干扰能力强、有受油污等介质的影响，可广泛用于电力、石油、化工等对动态和静态量进行非接触式测量。电涡流式传感器电涡流式传感器的基本原理涡流式传感器是利用金属导体在交流磁场中的电涡流效应。若一金属板置于一只线圈的附近，它们之间相互的间距为δ，当线圈输入一交变电流i时，便产生交变磁通量Φ，金属板在此交变磁场中会产生感应电流i1，i1在金属体内是闭合的，所以称之为电涡流或涡流。涡流的大小与金属板的电阻率ρ、磁导率μ、厚度h、金属板与线圈的距离δ、激励电流角频率ω等参数有关。若固定某些参数，就可根据涡流的变化测量另一个参数。演示实验电涡流传感器的等效电路把被测导体上形成的电涡流等效成一个短路环中的电流，短路环可以认为是一匝短路线圈，其电阻为R1、电感为L1。这样线圈与被测导体便可等效为两个相互耦合的线圈。线圈与导体间存在一个互感M，它随线圈与导体间距x的减小而增大。电涡流传感器等效电路MRL1LR11U1II根据希尔霍夫定律，可列出下面的方程：....UIMjILjIR1101111...ILjIRIMj111LjRIMjI..121212212121221212111221111LLRMLjRLRMRULRLjRMLjRULjRMjMjLjRUI....传感器线圈的等效阻抗为：121212212121221LLRMLjRLRMRIUZ..线圈的等效电阻和电感为：1212122RLRMRReq1212122LLRMLLeq当被测导体的某些参数发生变化时，可引起涡流式传感器线圈的阻抗Z、电感L和品质因数Q变化，测量Z、L或Q就可求出被测量参数的变化。电涡流传感器的种类电涡流在金属导体内的渗透深度为:fhr5030说明电涡流在金属导体内的渗透深度与传感器线圈的激励信号频率有关。故电涡流式传感器可分为高频反射式和低频透射式两类。目前高频反射式电涡流传感器应用较广泛。•高频(lMHz)激励电流产生的高频磁场作用于金属板的表面，由于集肤效应，在金属板表面将形成涡电流。与此同时，该涡流产生的交变磁场又反作用于线圈，引起线圈自感L或阻抗ZL的变化。线圈自感L或阻抗ZL的变化与距离该金属板的电阻率ρ、磁导率μ、激励电流i及角频率ω等有关，若只改变距离δ而保持其它参数不变，则可将位移的变化转换为线圈自感的变化，通过测量电路转换为电压输出。•高频反射式涡流传感器多用于位移测量。1.高频反射式电涡流传感器由安置在框架上的扁平圆形线圈构成。此线圈可粘贴于框架上，或在框架上开一槽，将导线绕在槽内。下图为CZF1型涡流传感器的结构原理，它是将导线绕在聚四氟乙烯框架窄槽内。1234561线圈2框架3衬套4支架5电缆6插头iedM～ΦeΦｉ电涡流传感器原理图高频激励信号使线圈产生一个高频交变磁场φi，当被测导体靠近时，在磁场作用范围的导体表层产生电涡流ie，而电涡流又将产生一交变磁场φe阻碍外磁场的变化。在被测导体内存在着电涡流损耗（当频率较高时，忽略磁损耗）。能量损耗使传感器的Q值和等效阻抗Z降低，因此当被测体与传感器间的距离d改变时，传感器的Q值和等效阻抗Z、电感L均发生变化，于是把位移量转换成电量。这便是电涡流传感器的基本原理。2.低频透射式电涡流传感器发射线圈L1和接收线圈L2分置于被测金属板的上下方。由于低频磁场集肤效应小，渗透深，当低频(音频范围)电压u1加到线圈L1的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板,使线圈L2产生感应电动势u2。但由于涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势u2减少，当金属板越厚时，损耗的能量越大，输出电动势u2越小。因此，u2的大小与金属板的厚度及材料的性质有关.试验表明u2随材料厚度h的增加按负指数规律减少,因此，若金属板材料的性质一定，则利用u2的变化即可测厚度。线圈L2的感应电压与被测厚度的增大按负幂指数的规律减小，即heu2式中δ——被测金属板的厚度；h——贯穿深度。fh测量厚度时，激励频率应选得较低。频率太高，贯穿深度小于被测厚度，不利于进行厚度测量，通常选激励频率为1kHz左右。测薄金属板时，频率一般应略高些，测厚金属板时，频率应低些。在测量电阻率ρ较小的材料时，应选较低的频率（如500Hz），测量ρ较大的材料时，应选用较高的频率（如2kHz），从而保证在测量不同材料时能得到较好的线性和灵敏度。电涡流式转速传感器电涡流式转速传感器工作原理图电涡流式厚度传感器高频反射式涡流测厚原理图