自感式傳感器

1、 本章學(xué)習(xí)自感式傳感器工作原理、測(cè)量電本章學(xué)習(xí)自感式傳感器工作原理、測(cè)量電 路以及它們的應(yīng)用，掌握一次儀表的相關(guān)知識(shí)。路以及它們的應(yīng)用，掌握一次儀表的相關(guān)知識(shí)。 電感式傳感器的工作基礎(chǔ)：電磁感應(yīng) 即利用線圈電感或互感的改變來實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量 分為變磁阻式、變壓器式、渦流式等 特點(diǎn)： 工作可靠、壽命長 靈敏度高，分辨力高 精度高、線性好 性能穩(wěn)定、重復(fù)性好 將一只將一只380V380V交流接觸器線圈與交流毫安交流接觸器線圈與交流毫安 表串聯(lián)后，接到機(jī)床用控制變壓器的表串聯(lián)后，接到機(jī)床用控制變壓器的36V36V交流交流 電壓源上，如下圖所示。電壓源上，如下圖所示。 這時(shí)毫安表的示值約為幾十毫安。用手

2、這時(shí)毫安表的示值約為幾十毫安。用手 慢慢將接觸器的活動(dòng)鐵心（稱為銜鐵）往下慢慢將接觸器的活動(dòng)鐵心（稱為銜鐵）往下 按，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)毫安表的讀數(shù)逐漸減小。當(dāng)按，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)毫安表的讀數(shù)逐漸減小。當(dāng) 銜鐵與固定鐵心之間的氣隙等于零時(shí)，毫安銜鐵與固定鐵心之間的氣隙等于零時(shí)，毫安 表的讀數(shù)只剩下十幾毫安。表的讀數(shù)只剩下十幾毫安。 F 220V 準(zhǔn)備工作準(zhǔn)備工作 氣隙變小，電感變大，電流變小 F F 線圈電感 : N線圈的匝數(shù)； Rm磁路總磁阻 上一頁返 回下一頁 m R N L 2 0022 2 11 1 2 ss l s l Rm 線圈中放入圓形銜鐵,電感的大小也會(huì)改變, 稱為螺管型傳感器。 上一頁返

3、回下一頁 a)氣隙型 b)截面型 c)螺管型 自感式傳感器原理圖 0022 2 11 1 2 ss l s l Rm 通常氣隙的磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻 11 1 00 2 s l s 22 2 00 2 s l s 00 2 s Rm 2 00 22 sN R N L m L與之間是非線性關(guān)系 上一頁返 回下一頁 當(dāng)銜鐵處于初始位置時(shí)， 初始電感量為: 0 00 2 0 2 sN L 當(dāng)銜鐵上移時(shí)，則 ， 代入式(1)并整理得: 0 0 0 00 2 0 1 )(2 LsN LLL 0 LLL 0 上一頁返 回下一頁 (1) 1/ 0 上式展開成如下的級(jí)數(shù)形式: 2 00 00 1 LLL

4、L 2 000 0 1 LL 2 0000 1 L L 3 0 2 000 0 1 LL 3 0 2 0000 0 1 L L 同理，當(dāng)銜鐵隨被測(cè)物體的初始位置向下移動(dòng)時(shí)，有 上一頁返 回下一頁 (2) (3) 對(duì)式（2）（3）作線性處理，即忽略高次項(xiàng)后可得: 00 L L 靈敏度為靈敏度為: 0 0 0 1/ LL k 變間隙式自感傳感器的測(cè)量范圍與靈敏度及線性度是相矛盾的，變間隙式自感傳感器的測(cè)量范圍與靈敏度及線性度是相矛盾的， 因此變隙式自感式傳感器適用于測(cè)量微小位移場(chǎng)合。為了減小因此變隙式自感式傳感器適用于測(cè)量微小位移場(chǎng)合。為了減小 非線形誤差，實(shí)際中廣泛采用差動(dòng)變隙式電感傳感器。非線

5、形誤差，實(shí)際中廣泛采用差動(dòng)變隙式電感傳感器。 上一頁返 回下一頁 差動(dòng)變隙式電感傳感器差動(dòng)變隙式電感傳感器 1-鐵芯； 2-線圈； 3-銜鐵； 4 0 2 00 021 12 LLLL 當(dāng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí)，兩個(gè)線圈的電感變化量L1、L2 上一頁返 回下一頁 對(duì)上式進(jìn)行線性處理，即忽略高次項(xiàng)得 00 2 L L 靈敏度k0為 0 0 0 2/ LL k （1）差動(dòng)變間隙式自感傳感器的靈敏度是單線圈式傳感器的兩倍。 （2）單線圈是忽略 以上高次項(xiàng)，差動(dòng)式是忽略 以上高次項(xiàng)， 因此差動(dòng)式自感式傳感器線性度得到明顯改善。 2 0 3 0 上一頁返 回下一頁 l傳感器氣隙長度保持不變，令磁通截面積隨被測(cè)非

6、電傳感器氣隙長度保持不變，令磁通截面積隨被測(cè)非電 量而變，設(shè)鐵芯材料和銜鐵材料的磁導(dǎo)率相同，則此量而變，設(shè)鐵芯材料和銜鐵材料的磁導(dǎo)率相同，則此 變面積自感傳感器自感變面積自感傳感器自感L L為為 sKs ll N s l s l N L r r / 0 2 00 2 K s L k 0 變面積式自感傳感器在忽略氣隙磁通邊緣效應(yīng)的條件下變面積式自感傳感器在忽略氣隙磁通邊緣效應(yīng)的條件下 ，輸入與輸出呈線性關(guān)系；因此可望得到較大的線性范，輸入與輸出呈線性關(guān)系；因此可望得到較大的線性范 圍。但是與變氣隙式自感傳感器相比，其靈敏度降低。圍。但是與變氣隙式自感傳感器相比，其靈敏度降低。 上一頁返 回下一頁

7、 1-螺線管線圈； 2-螺線管線圈； 3-骨架； 4-活動(dòng)鐵芯 l l r r l Nr LLL cc r 2 2 0 2 20100 11 L10，L20分別為線圈、的初始電感值； 上一頁返 回下一頁 (4) 當(dāng)鐵芯移動(dòng)（如右移）后，使右邊電感值增加，左邊電感值減小 l xl r r l Wr L cc r 2 2 0 2 1 11 l xl r r l Wr L cc r 2 2 0 2 2 11 根據(jù)以上兩式，可以求得每只線圈的靈敏度為 2 22 021 21 1 l rN dx dL dx dL kk cr 兩只線圈的靈敏度大小相等，符號(hào)相反，具有差動(dòng)特征。 式(4)和式(5)可簡化為

8、 2 2 2 0 20100 l lrN LLL ccr 2 2 2 0 21 l rN kk cr 上一頁返 回下一頁 (5) 請(qǐng)分析：靈敏度、請(qǐng)分析：靈敏度、 線性度線性度有何變化有何變化 曲線曲線1、2為為L1、L2 的特性，的特性， 3為差動(dòng)特性為差動(dòng)特性 1-1-差動(dòng)線圈差動(dòng)線圈 2-2-鐵心鐵心 3-3-銜鐵銜鐵 4-4-測(cè)桿測(cè)桿 5-5-工件工件 從曲線圖可以看出，差動(dòng)式電感傳感器的線從曲線圖可以看出，差動(dòng)式電感傳感器的線 性較好，且輸出曲線較陡，靈敏度約為非差動(dòng)式性較好，且輸出曲線較陡，靈敏度約為非差動(dòng)式 電感傳感器的兩倍。電感傳感器的兩倍。 從結(jié)構(gòu)圖可以看出，差動(dòng)式電感傳感器

9、對(duì)外界 影響，如溫度的變化、電源頻率的變化等基本上可 以互相抵消，銜鐵承受的電磁吸力也較小，從而減 小了測(cè)量誤差。 1. 1. 調(diào)幅電路調(diào)幅電路 2. 2. 調(diào)頻電路調(diào)頻電路 3. 3. 調(diào)相電路調(diào)相電路 4. 4. 自感傳感器的靈敏度自感傳感器的靈敏度 上一頁返 回下一頁 u0 (1) (1) 變壓器電路變壓器電路 輸出空載電壓 21 21 1 21 0 22ZZ ZZuu Z ZZ u u 初始平衡狀態(tài)，Z1=Z2=Z, u0=0 銜鐵偏離中間零點(diǎn)時(shí) 0 021 uZZZ， ，、ZZZZZZ 21 )/()2/( 0 ZZuu 使用元件少，輸出阻抗小, 獲得廣泛應(yīng)用 z2 z1 u/2 u

10、/2 上一頁返 回下一頁 傳感器銜鐵移動(dòng)方向相反時(shí) ，、ZZZZZZ 21 空載輸出電壓 )/()2/( 0 ZZuu 兩種情況的輸出電壓大小相等，方向相反，即相位差 180，為了判別銜鐵位移方向，就是判別信號(hào)的相位， 要在后續(xù)電路中配置相敏檢波器來解決 上一頁返 回下一頁 2相敏整流電路：既反映輸入的大，相敏整流電路：既反映輸入的大， 又能辨向又能辨向 什么是相敏整流電路 根據(jù)載波的頻率和相位，控制開關(guān)陣列 工作， 將交流的信號(hào)變成直流， 或者將 直流信號(hào)調(diào)制成交流，便于放大。 也可 以對(duì)信號(hào)設(shè)定相位門檻，去掉不要的干 擾信號(hào)。 當(dāng)銜鐵偏離中間位置而使Z1=Z+Z增加，則Z2=Z-Z減少。

11、這時(shí)當(dāng)電源u上端為正，下端為負(fù)時(shí)， 電阻R1上的壓降大于R2上的壓降； 當(dāng)u上端為負(fù)，下端為正時(shí)，R2上壓降則大于R1上的壓降， 電壓表V輸出上端為正，下端為負(fù)。 上一頁返 回下一頁 非相敏整流和相敏整流電路輸出電壓比較 (a) 非相敏整流電路；（b） 相敏整流電路 使用相敏整流，輸出電壓U0不僅能反映銜鐵位移的大小和方向， 而且還消除零點(diǎn)殘余電壓的影響， 上一頁返 回下一頁 上一頁返 回下一頁 傳感器自感變化將引起輸出電壓頻率的變化 G C L f 靈敏度很高，但線性差，適用于線性要求不高的場(chǎng)合 )/()2/(4/)( 2/3 LLfLCLCf L f 0 LCf2/1 1. 1. 自感式位

12、移傳感器自感式位移傳感器 2. 2. 自感式壓力傳感器自感式壓力傳感器 上一頁返 回下一頁 1 傳感器引線 2 鐵心套筒 3 磁芯 4 電 感 線 圈 5 彈 簧 6 防轉(zhuǎn)件 7 滾 珠 導(dǎo) 軌 8 測(cè) 桿 9 密封件 10瑪瑙測(cè)端 上一頁返 回下一頁 軸向式電感軸向式電感 測(cè)微器的外形測(cè)微器的外形 航空插頭航空插頭 測(cè)頭測(cè)頭 變隙式自感壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖變隙差動(dòng)式電感壓力傳感器 上一頁返 回 當(dāng)被測(cè)壓力進(jìn)入C形彈簧管時(shí)，C形彈簧管產(chǎn)生變形，其自由 端發(fā)生位移，帶動(dòng)與自由端連接成一體的銜鐵運(yùn)動(dòng)，使線圈1和 線圈2中的電感發(fā)生大小相等、符號(hào)相反的變化。即一個(gè)電感 量增大，另一個(gè)電感量減小。電感的這

13、種變化通過電橋電路轉(zhuǎn) 換成電壓輸出。由于輸出電壓與被測(cè)壓力之間成比例關(guān)系，所 以只要用檢測(cè)儀表測(cè)量出輸出電壓，即可得知被測(cè)壓力的大小。 圖3-14 滾柱直徑分選裝置 1氣缸 2活塞 3推桿 4被測(cè)滾柱 5 落料管 6電感測(cè)微器 7鎢鋼測(cè)頭 8限位 擋板 9電磁翻板 10容器（料斗） 電感式滾柱直徑分選電感式滾柱直徑分選 以前用人工測(cè)量和分選軸承用滾柱的直徑是一 項(xiàng)十分費(fèi)時(shí)且容易出錯(cuò)的工作。 由機(jī)械排序裝置送來的滾柱按順序進(jìn)入電感測(cè) 微儀。電感測(cè)微儀的測(cè)桿在電磁鐵的控制下，先是 提升到一定的高度，讓滾柱進(jìn)入其正下方，然后電 磁鐵釋放，銜鐵向下壓住滾柱，滾柱的直徑?jīng)Q定了 銜鐵位移的大小。電感傳感器

14、的輸出信號(hào)送到計(jì)算 機(jī)，計(jì)算出直徑的偏差值。完成測(cè)量的滾柱被機(jī)械 裝置推出電感測(cè)微儀，這時(shí)相應(yīng)的翻板打開滾柱落 入與其直徑偏差相對(duì)應(yīng)的容器中。從圖可以看到， 批量生產(chǎn)的滾柱直徑偏差的概率符合隨機(jī)誤差的正 態(tài)分布。以測(cè)量和分選步驟均是在計(jì)算機(jī)控制下進(jìn) 行的。 測(cè)微儀 圓柱滾子圓柱滾子 滑道滑道 分選倉位分選倉位 軸承滾子外形軸承滾子外形 （參考中原量儀股份有限公司資料）（參考中原量儀股份有限公司資料） 落料振動(dòng)臺(tái) 滑道滑道 11個(gè)分選倉位個(gè)分選倉位 （參考無錫市通達(dá)滾（參考無錫市通達(dá)滾 子有限公司資料）子有限公司資料） 廢料倉廢料倉 1標(biāo)準(zhǔn)靠模樣板 2測(cè)端（靠模輪） 3電感測(cè)微器 4銑刀龍門框架

15、 5立柱 6伺服電動(dòng)機(jī) 7銑刀 8毛坯 仿形機(jī)床采用 閉環(huán)工作方式 仿形頭仿形頭 主主 軸軸 該圓度計(jì)采用旁向式電感測(cè)微頭 旁向式電感測(cè)微頭 旋轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)盤 測(cè)量頭 旁向式 電感 測(cè)微頭 圖示的變送器已經(jīng)將傳感器與信號(hào)處理電 路組合在一個(gè)殼體中，這在工業(yè)中被稱為一 次儀表。一次儀表的輸出信號(hào)可以是電壓， 也可以是電流。由于電流信號(hào)不易受干擾， 且便于遠(yuǎn)距離傳輸（可以不考慮線路壓降）， 所以在一次儀表中多采用電流輸出型。 新的國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定電流輸出為新的國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定電流輸出為420mA420mA；電壓輸出；電壓輸出 為為15V(15V(舊國標(biāo)為舊國標(biāo)為010mA010mA或或02V)02V)。4mA4mA對(duì)應(yīng)于零輸對(duì)應(yīng)于零輸 入，入，20mA20mA對(duì)應(yīng)于滿度輸入。不讓信號(hào)占有對(duì)應(yīng)于滿度輸入。不讓信號(hào)占有04mA04mA這這 一范圍的原因，一方面是一范圍的原因，一方面是有利于判斷線路故障（開有利于判斷線路故障（開 路）或儀表故障路）或儀表故障；另一方面；另一方面，這類一次儀表內(nèi)部均，這類一次儀表內(nèi)部均 采用微電流集成電路，總的耗電還不到采用微電流集成電路，總的耗電還不到4mA4mA，因此，因此 還能利用還能利用04mA04mA這一部分這一部分“本底本底”電流為一次儀表電流為一次儀表 的內(nèi)部電路的內(nèi)部電路提供工作電流提供