項目四 位移信號的檢測與控制

1、項目四項目四 位移信號的檢測與控制位移信號的檢測與控制 在機(jī)械生產(chǎn)、電力生產(chǎn)和冶金工業(yè)生產(chǎn)中，常需要對機(jī)件的直線位移和角位移進(jìn)行檢測和控制以便保障安全生產(chǎn)、提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動生產(chǎn)率。例如電力生產(chǎn)中，發(fā)電機(jī)的軸向位移必須控制在一定范圍內(nèi)，否則會出現(xiàn)定、轉(zhuǎn)子繞組摩擦，造成絕緣損毀短路等事故，影響正常發(fā)電。而機(jī)械生產(chǎn)和冶金生產(chǎn)中的限位保護(hù)，也常以位移測量和控制為基礎(chǔ)。本項目主要對位移信號檢測方法、檢測裝置的安裝調(diào)試與檢修進(jìn)行闡述。任務(wù)一任務(wù)一 電容位移傳感器的信號檢測與控制電容位移傳感器的信號檢測與控制一、目的要求一、目的要求 1.掌握電容位移傳感器的工作原理； 2.掌握電容位移傳感器的安裝、使

2、用及維護(hù)； 3.電容位移傳感器需要達(dá)到以下要求：準(zhǔn)確度1.0級，環(huán)境溫度-2050，相對溫度5%95%，被測介質(zhì)溫度-2050，被測位移為10100m。二、相關(guān)知識二、相關(guān)知識 以電容器為敏感元件，將機(jī)械位移量轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器稱為電容式傳感器。它具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)好、適應(yīng)性強(qiáng)及價格便宜等特點(diǎn)。但電容式傳感器的泄漏電阻和非線性等缺點(diǎn)也給它的應(yīng)用帶來一定的局限。常見的電容式傳感器如圖4.1.1所示。任務(wù)一任務(wù)一 電容位移傳感器的信號檢測與控制電容位移傳感器的信號檢測與控制 二、相關(guān)知識二、相關(guān)知識 電容傳感器由絕緣介質(zhì)分開的兩個平行金屬板組成的平板電容器，設(shè)兩極板相互覆蓋的有

3、效面積為A，兩極板間的距離為d，極板間介質(zhì)的介電常數(shù)為，如果不考慮邊緣效應(yīng), 其電容量為C=A/d 式中:電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù),=0r, 其中0為真空介電常數(shù),r為極板間介質(zhì)相對介電常數(shù)； A兩平行板所覆蓋的面積； d兩平行板之間的距離。 由上式可見，、A、d三個參數(shù)都可以影響電容的大小。如果保持其中兩個參數(shù)不變，而是另一個參數(shù)改變，則電容就會發(fā)生變化。如果變的參數(shù)與被測量之間存在一定函數(shù)關(guān)系，那么被測量的變化就可以直接由電容的變化反映出來。常用的電容傳感器有變極距式電容傳感器和變面式電容傳感器兩種進(jìn)行位移測量。任務(wù)一任務(wù)一 電容位移傳感器的信號檢測與控制電容位移傳感器的信號檢測與控制 二

4、、相關(guān)知識二、相關(guān)知識1. 變極距電容傳感器 圖4.1.2為變極距式電容傳感器的原理圖。移動極板與被測物相連，當(dāng)被測物發(fā)生位移時引起移動極板的位移，使得兩極板間的距離d發(fā)生變化，從而改變電容C。設(shè)該電容的初始電容C0可由下式表達(dá)，即C0=A/d傳感器的這種變化關(guān)系呈非線性，如圖4.1.3所示。任務(wù)一任務(wù)一 電容位移傳感器的信號檢測與控制電容位移傳感器的信號檢測與控制 二、相關(guān)知識二、相關(guān)知識1. 變極距電容傳感器這種處理的結(jié)果，使得傳感器的相對非線性誤差增大，如圖4.1.4所式。 當(dāng)極板初始距離由d0減少d時，則電容量相應(yīng)增加C，即C0+C=0 A/（d0-d） 電容相對變化量C/Co為C/C

5、0=d（1-d/d0）-1/d0 由于d/d1，在實際使用時常采用近似線性處理，即C/C0=d/d0 此時產(chǎn)生的相對非線性誤差o為任務(wù)一任務(wù)一 電容位移傳感器的信號檢測與控制電容位移傳感器的信號檢測與控制 二、相關(guān)知識二、相關(guān)知識1. 變極距電容傳感器 一般變極板間距離電容式傳感器的起始電容在 20100pF之間, 極板間距離在25200m的范圍內(nèi), 最大位移應(yīng)小于間距的1/10, 故在微位移測量中應(yīng)用最廣。 為改善這種情況，可采用差動變極距式電容傳感器，這種傳感器的結(jié)構(gòu)，如圖4.1.5所示。它有三個極板，其中兩個固定不動，只有中間極板可產(chǎn)生移動。當(dāng)中間活動極板處于平衡位置時，即d1=d2=d

6、0，則C1=C2=C0，當(dāng)被測物發(fā)生位移時，活動極板就會發(fā)生移動d,則d1=d0-d,d2=d0+d,使得兩個電容器的電容量一個增大、一個減小，采用上述相同的近似線性處理方法，可得傳感器電容總的相對變化，為 C/C0=（C1-C2）/C0=2d/d0傳感器的相對非線性誤差o為任務(wù)一任務(wù)一 電容位移傳感器的信號檢測與控制電容位移傳感器的信號檢測與控制 二、相關(guān)知識二、相關(guān)知識2.變面積式電容傳感器 圖4.1.7是角位移變面積型電容傳感器示意圖。它由兩個電極構(gòu)成，其中一個為固定極板，另一個為可動極板，兩極板均成半圓形。假定極板間的介質(zhì)不變（即電介質(zhì)常數(shù)不變），當(dāng)兩極板完全重疊時，其電容量為 C=A

7、/d 圖4.1.6是一直線位移型變面積式電容傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，當(dāng)移動極板移動x后，覆蓋面積就發(fā)生變化，電容也隨之變化其值為C=b(a-x)/d=C0-bx/d任務(wù)一任務(wù)一 電容位移傳感器的信號檢測與控制電容位移傳感器的信號檢測與控制三、器件及測量電路選擇三、器件及測量電路選擇 電容式位移傳感器的選擇應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場需要，考慮所測位儀的量程、安裝條件、環(huán)境、溫度、價格等因素綜合選取。電容傳感器常用的測量電路如圖4.1.8所示。利用電橋平衡原理，將差動電容傳感器的C1和C2分別接入電橋中，當(dāng)被測物沒有移動時，電橋平衡，輸出為0；當(dāng)被測物發(fā)生位移時，電容的值就會發(fā)生變化，電橋失去平衡，輸出信號經(jīng)過放大送入

8、主控箱或PLC中顯示。任務(wù)一任務(wù)一 電容位移傳感器的信號檢測與控制電容位移傳感器的信號檢測與控制四、安裝和調(diào)試及檢修四、安裝和調(diào)試及檢修 安裝及使用方法 拉桿式位移傳感器可以任意方向安裝如圖4.1.9所示，首先將傳感器殼體放在參照物(基準(zhǔn))的安裝支架孔里，使轉(zhuǎn)感器殼體和被測物移動的方向保持一致，根據(jù)傳感器的量程，估算大致的間隙，然后用螺母將拉桿和被測物固定起來，通上電源等傳感器穩(wěn)定下來，再慢慢的移動傳感器殼體，使傳感器的輸出零位對應(yīng)于被測物機(jī)械零位，然后將傳感器殼體夾緊(不可松動)，安裝好就可以通過計算機(jī)數(shù)據(jù)采集對被測物的位移進(jìn)行檢測或監(jiān)測或PLC進(jìn)行系統(tǒng)控制，回彈式位移傳感器和拉桿式位移傳感

9、器安裝基本相似。任務(wù)一任務(wù)一 電容位移傳感器的信號檢測與控制電容位移傳感器的信號檢測與控制四、安裝和調(diào)試及檢修四、安裝和調(diào)試及檢修 2傳感器的調(diào)試 位移傳感器安裝好后，先進(jìn)行初始值的調(diào)節(jié)，將拉桿調(diào)到被測物的初始值，再將電路中的電橋調(diào)節(jié)平衡，使輸出為0即可，這樣當(dāng)被測物發(fā)生位移時輸出信號就會發(fā)生變化。五、評分標(biāo)準(zhǔn)五、評分標(biāo)準(zhǔn)練習(xí)與思考練習(xí)與思考1，什么叫電容傳感器。2.簡述電容傳感器的工作原理。3.用電容式傳感器能否測量角位移？若能，需采用什么樣的結(jié)構(gòu)形式？4.為什么變面積式電容傳感器測量位移范圍較大？5.為了提高傳感器的靈敏度可采用什么措施？任務(wù)二任務(wù)二 差動電感測微儀差動電感測微儀一、目的要

10、求一、目的要求 1.掌握差動電感測微儀的工作原理； 2.掌握差動電感測微儀的安裝、使用及維護(hù)； 3.差動電感測微儀需要達(dá)到以下要求：準(zhǔn)確度：1.0級；環(huán)境溫度：-2050；相對溫度：5%95%；被測介質(zhì)溫度：-1040。 電感式位移傳感器是一種屬于金屬感應(yīng)的線性器件，接通電源后，在開關(guān)的感應(yīng)面將產(chǎn)生一個交變磁場，當(dāng)金屬物體接近此感應(yīng)面時，金屬中則產(chǎn)生渦流而吸取了振蕩器的能量，使振蕩器輸出幅度線性衰減，然后根據(jù)衰減量的變化來完成無接觸檢測物體的目的。 電感式位移傳感器具有無滑動觸點(diǎn)，工作時不受灰塵等非金屬因素的影響，并且低功耗，長壽命，可使用在各種惡劣條件下。位移傳感器主要應(yīng)用在自動化裝備生產(chǎn)線

11、對模擬量的智能控制。LVDT（Linear Variable Differential Transformer）是線性可變差動變壓器縮寫，屬于直線位移傳感器。LVDT工作過程中，鐵心的運(yùn)動不能超出線圈的線性范圍，否則將產(chǎn)生非線性值，因此所有的LVDT均有一個線性范圍。二、相關(guān)知識二、相關(guān)知識任務(wù)二任務(wù)二 差動電感測微儀差動電感測微儀 LVDT線性位移傳感器的特點(diǎn)：（1）無摩擦測量，原理直觀、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、使用壽命長；（2）靈敏度高、線性范圍寬、重復(fù)性好；（3）無限分辨率，應(yīng)用廣，適合于不同的應(yīng)用；（4）結(jié)構(gòu)對稱、零位可恢復(fù)。二、相關(guān)知識二、相關(guān)知識 電感式傳感器主要用于位移測量和可以轉(zhuǎn)換

12、成位移變化的機(jī)械量（如力、張力、壓力、壓差、加速度、振動、應(yīng)變、流量、厚度、液位、比重、轉(zhuǎn)矩等）的測量。常用電感式傳感器有變間隙型、變面積型和螺管型。常見的差動電感傳感器如圖4.2.1所示。任務(wù)二任務(wù)二 差動電感測微儀差動電感測微儀 差動電感測位儀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與差動變壓器相同。差動變壓器的工作原理類似變壓器的作用原理。差動變壓器主要包括有銜鐵、一次繞組和二次繞組等。一、二次繞組間的耦合能隨銜鐵的移動而變化，即繞組間的互感隨被測位移改變而變化。線圈內(nèi)部有一個可自由移動的桿狀銜鐵。當(dāng)銜鐵處于中間位置時，兩個次級線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢相等，這樣輸出電壓為0；當(dāng)銜鐵在線圈內(nèi)部移動并偏離中心位置時，兩個線圈

13、產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢不等，有電壓輸出，其電壓大小取決于位移量的大小。為了提高傳感器的靈敏度，改善傳感器的線性度、增大傳感器的線性范圍，使用時采用兩個二次繞組反向串接，以差動方式輸出，所以把這種傳感器稱為差動變壓器式電感傳感器，通常簡稱差動變壓器。輸出的電壓是兩個次級線圈的電壓之差，這個輸出的電壓值與鐵心的位移量成線性關(guān)系。如圖4.2.2所示。二、相關(guān)知識二、相關(guān)知識任務(wù)二任務(wù)二 差動電感測微儀差動電感測微儀 差動變壓器工作在理想情況下(忽略渦流損耗，磁滯損耗和分布電容等影響)，它的等效電路如圖4.2.3所示。圖中U1為一次繞組激勵電壓；M1、M2分別為一次繞組與兩個二次繞組間的互感；L1、R1分別

14、為一次繞組的電感和有效電阻；L21、L22分別為兩個二次繞組的電感；R21, R22分別為兩個二次繞組的有效電阻。 對于差動變壓器，當(dāng)銜鐵處于中間位置時，兩個二次繞組互感相同，因而由一次側(cè)激勵引起的感應(yīng)電動勢相同。由于兩個二次繞組反向串接，所以差動輸出電動勢為零。 當(dāng)銜鐵移向二次繞組L21一邊，這時互感M1大，M2小，因而二次繞組L21內(nèi)感應(yīng)電動勢大于二次繞組L22內(nèi)感應(yīng)電動勢，這時差動輸出電動勢不為零。在傳感器的量程內(nèi)，銜鐵移動越大，差動輸出電動勢就越大。二、相關(guān)知識二、相關(guān)知識圖4.2.3 差動變壓器的等效電路任務(wù)二任務(wù)二 差動電感測微儀差動電感測微儀 1.變間隙型二、相關(guān)知識二、相關(guān)知識

15、 圖4.2.4（a）所示的傳感器即為變間隙型的差動變壓器結(jié)構(gòu)，可用于測量線位移。它的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，一般用于測量幾微米至幾百微米的機(jī)械位移；缺點(diǎn)是示值范圍小，非線性嚴(yán)重。由于這些缺點(diǎn)，近年來這種類型差動變壓器的使用逐漸減小。 2.變面積型 圖4.2.4給出了兩種變面積型的差動變壓器的結(jié)構(gòu)形式，可用于測量角位移。圖4.2.4(b)為E型微動同步器，圖4.2.4 (c)為四極微動同步器，另外還有八極、十六極等。微動同步器是旋轉(zhuǎn)變壓器式傳感器，如圖4.2.4 (c)的結(jié)構(gòu)是由四個極的定子和有兩個極的特殊形狀的轉(zhuǎn)子所組成。在定子四個極上的四只匝數(shù)相同的線圈串接成初級繞組，而另四只匝數(shù)相同的線圈串接成次

16、級繞組。當(dāng)對初級繞組激勵時，由于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，引起在次級繞組感生電動勢，四對初、次級線圈就構(gòu)成了四個變壓器。按照一定的接法，就可得到與轉(zhuǎn)角成正比的輸出電壓。任務(wù)二任務(wù)二 差動電感測微儀差動電感測微儀二、相關(guān)知識二、相關(guān)知識 2.變面積型任務(wù)二任務(wù)二 差動電感測微儀差動電感測微儀 3.螺管型二、相關(guān)知識二、相關(guān)知識 螺管型差動式變壓器與前兩種差動變壓器相比，雖然靈敏度較低，但其示值范圍大，自由行程可以自由安排，制造裝配也較方便，因而獲得了廣泛的應(yīng)用。螺管型差動變壓器按繞組排列方式分有二節(jié)式、三節(jié)式、四節(jié)式和五節(jié)式。二節(jié)式的靈敏度較高，線性范圍較大，三節(jié)式的零點(diǎn)誤差較小，四節(jié)式和五節(jié)式可以改善傳感器

17、的線性。 圖4.2.4 (d)給出了三節(jié)式螺管型差動變壓器的基本結(jié)構(gòu)。在眾多的結(jié)構(gòu)形式中，由于三節(jié)式螺管型差動變壓器有輸出與位移基本上成正比等優(yōu)點(diǎn)，所以使用最多。它的靈敏度隨激勵頻率的增加而增加(一般工作在400Hz10kHz之間較好)。不管繞組排列方式如何，其主要結(jié)構(gòu)都是由三大部分組成:線圈繞組(包括初級繞組和次級繞組)、可移動銜鐵和導(dǎo)磁外殼。對這種差動傳感器的結(jié)構(gòu)要求是:兩個導(dǎo)磁體的幾何尺寸完全相同，材料性能完全相同，兩個線圈的電氣參數(shù)(如電感、匝數(shù)、銅電阻等)和幾何尺寸也要完全相同。任務(wù)二任務(wù)二 差動電感測微儀差動電感測微儀 3.螺管型二、相關(guān)知識二、相關(guān)知識 經(jīng)差動處理后，傳感器具有下

18、列優(yōu)點(diǎn):靈敏度提高一倍。即銜鐵位移相同時，輸出信號大一倍。線性得到明顯改善。對溫度變化、電源波動、外界干擾等對傳感器精度的影響，由于可互相抵消而減小。電磁吸力對測力變化的影響也由于能相互抵消而減小。三、器件及測量電路選擇三、器件及測量電路選擇 常見的差動電桿傳感器的測量電路有以下兩種。 差動相敏檢波電路 圖4.2.5所示差動相敏檢波電路的一種形式。相敏檢波電路要求比較電壓與差動變壓器二次側(cè)輸出電壓的頻率相同，相位相同或相反。另外還要求比較電壓的復(fù)制盡可能大，一般情況下，其幅值應(yīng)為信號電壓的3-5倍。圖4.2.5 差動相敏檢波電路任務(wù)二任務(wù)二 差動電感測微儀差動電感測微儀三、器件及測量電路選擇三

19、、器件及測量電路選擇2差動整流電路圖 差動整流電路結(jié)構(gòu)簡單，一般不需要調(diào)整相位，不考慮零點(diǎn)殘余電動勢的影響，適于遠(yuǎn)距離傳輸。圖4.2.6是差動整流的兩種典型電路。圖a是簡單方案的電壓輸出型。為了克服上述電路中二極管的非線性影響以及二極管正向飽和壓降和反向漏電流的不利影響，可以采用圖b所示電路。任務(wù)二任務(wù)二 差動電感測微儀差動電感測微儀四、安裝和調(diào)試及檢修四、安裝和調(diào)試及檢修1安裝時需注意的問題 （）LVDT的安裝與方向無關(guān)。最好不與強(qiáng)電磁場接近和不在對金屬有強(qiáng)烈腐蝕作用的環(huán)境下使用。 （）被測點(diǎn)的運(yùn)動軌跡最好是與LVDT測桿的軸線平行，否則須注意使與測頭相接觸的平面是個高光潔度的平面，并且該平面與測桿垂直，以避免由于測桿與不平的平面接觸點(diǎn)位置的變化，引入測量誤差。 （）傳感器的插座在機(jī)箱的后面板上，把LVDT插頭上帶有定位的標(biāo)志，正好與插座上定位部分相對，插入儀器面板的相應(yīng)插口內(nèi)，然后擰緊其上的螺母。插入時兩者一定要對準(zhǔn)，方可插入，千萬別在還沒對準(zhǔn)時就用力插，那樣很容易損壞插頭座。拔插頭時請先松開螺母，直接朝外拔。任務(wù)二任務(wù)二 差動電感測微儀差動電感測微儀四、安裝和調(diào)試及檢修四、安裝和調(diào)試及檢修1安裝時需注意的問題 （）安裝時把LVDT的殼體固定在被測點(diǎn)的參照物上，使測桿夾固或頂在被測點(diǎn)上。安裝LVDT時，可移動殼體的位置，使被測物的預(yù)計變位范圍