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《電感式傳感器》PPT課件本課件僅供大家學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)完畢請自覺刪除謝謝本課件僅供大家學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)完畢請自覺刪除謝謝《電感式傳感器》PPT課件本課件僅供大家學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)概述第4章電感式傳感器各種電感式傳感器非接觸式位移傳感器測厚傳感器電感粗糙度儀接近式傳感器電感式傳感器示例概述第4章電感式傳感器各種電感式傳感器非接觸式位移傳感器測概述第4章電感式傳感器電感式傳感器示例概述第4章電感式傳感器電感式傳感器示例概述第4章電感式傳感器
電感式傳感器是一種機電轉(zhuǎn)換裝置,特別是在自動控制設(shè)備中廣泛應(yīng)用。電感式傳感器利用電磁感應(yīng)定律將被測非電量轉(zhuǎn)換為電感或互感的變化。概述第4章電感式傳感器電感式傳感器是一種機電轉(zhuǎn)換裝置,特概述第4章電感式傳感器感測量:位移、振動、壓力、應(yīng)變、流量、比重等。電感式傳感器電磁感應(yīng)被測非電量自感系數(shù)L互感系數(shù)M測量電路
U、I、f自感式傳感器互感式傳感器電渦流式傳感器種類:根據(jù)轉(zhuǎn)換原理,分自感式和互感式兩種;根據(jù)結(jié)構(gòu)型式,分氣隙型和螺管型。概述第4章電感式傳感器感測量:位移、振動、壓力、應(yīng)變、流量概述第4章電感式傳感器優(yōu)點:不足:存在交流零位信號,不宜于高頻動態(tài)測量。③重復(fù)性好,線性度優(yōu)良在幾十μm到數(shù)百mm的位移范圍內(nèi),輸出特性的線性度較好,且比較穩(wěn)定。①結(jié)構(gòu)簡單、可靠,測量力小銜鐵為(0.5~200)×10-4N時,磁吸力為(1~10)×10-4N。②分辨力高機械位移:0.1μm,甚至更??;角位移:0.1角秒。輸出信號強,電壓靈敏度可達數(shù)百mV/mm。概述第4章電感式傳感器優(yōu)點:不足:存在交流零位信號,不宜于電感式傳感器§4.1自感式傳感器§4.2差動式變壓器§4.3電渦流式傳感器
應(yīng)用實例第4章電感式傳感器電感式傳感器§4.1自感式傳感器第4章電感式傳感器4.1自感式傳感器
氣隙型電感傳感器
螺管型電感傳感器
電感線圈的等效電路
測量電路第4章電感式傳感器4.1自感式傳感器氣隙型電感傳感器第4章電感式傳感器4.1自感式傳感器第4章電感式傳感器實驗:氣隙變小,電感變大,電流變小4.1自感式傳感器第4章電感式傳感器實驗:氣隙變小,電感氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器線圈電感:N-線圈匝數(shù)Rm-磁路總磁阻線圈鐵芯銜鐵氣隙型電感傳感器氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器線圈電感:N-線圈氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器線圈鐵芯銜鐵氣隙型電感傳感器Rm-磁路總磁阻:氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器線圈鐵芯銜鐵氣隙型電感傳氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器Rm-磁路總磁阻:氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器Rm-磁路總磁阻:氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器線圈鐵芯銜鐵氣隙型電感傳感器線圈電感:N-線圈匝數(shù)氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器線圈鐵芯銜鐵氣隙型電感傳氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器線圈鐵芯銜鐵線圈電感:N-線圈匝數(shù)如果S保持不變,則L為lδ的單值函數(shù),構(gòu)成變氣隙式自感傳感器.若保持lδ不變,使S隨被測量(如位移)變化,則構(gòu)成變截面式自感傳感器,氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器線圈鐵芯銜鐵線圈電感:N氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器L=f(S)L=f(lδ)lδ
,SL電感傳感器特性氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器L=f(S)L=f氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器特性分析(對于變氣隙式求靈敏度和線性度的表達式)自感系數(shù):令:μ1=
μ2;S1=
S2=S。設(shè)磁路總長為,氣隙長度為
,由上式可見,當(dāng)氣隙長度
減少
時會導(dǎo)致自感系數(shù)L增加ΔL1;而當(dāng)氣隙長度
增大同樣的
時會導(dǎo)致自感系數(shù)L減小ΔL2:于是磁路總磁阻為:μr
為導(dǎo)磁體相對磁導(dǎo)率氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器特性分析(對于變氣隙式求氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器特性分析(對于變氣隙式求靈敏度和線性度的表達式)①當(dāng)氣隙lδ發(fā)生變化時,自感的變化與氣隙變化均呈非線性關(guān)系,其非線性程度隨氣隙相對變化Δlδ/lδ的增大而增加;②氣隙減少Δlδ所引起的自感變化ΔL1與氣隙增加同樣Δlδ所引起的自感變化ΔL2并不相等,即ΔL1>ΔL2,其差值隨Δlδ/lδ的增加而增大。lδL
L0lδ0ΔL1ΔL2氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器特性分析(對于變氣隙式求氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器特性分析(對于變氣隙式求靈敏度和線性度的表達式)lδL
L0lδ0ΔL1ΔL2傳感器靈敏度:線性度:由于轉(zhuǎn)換原理的非線性,以及正反方向移動時電感變化量的不對稱性,因此,為了保證精度,變間隙式傳感器只能工作在一個很小的區(qū)域,因而只能用于微小位移的測量。氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器特性分析(對于變氣隙式求差動式氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器在實際使用中,常采用兩個相同的傳感線圈共用一個銜鐵,構(gòu)成差動式自感傳感器,兩個線圈的電氣參數(shù)和幾何尺寸要求完全相同。這種結(jié)構(gòu)除了可以改善線性、提高靈敏度外,對溫度變化、電源頻率變化等的影響也可以進行補償,從而減少了外界影響造成的誤差。差動式氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器在實際差動式電感傳感器4.1自感式傳感器下圖是變氣隙型、螺管型的差動式自感傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。當(dāng)銜鐵3移動時,一個線圈的電感量增加,另一個線圈的電感量減少,形成差動形式。圖4-4差動式自感傳感器1-線圈2-鐵芯3-銜鐵4-導(dǎo)桿(a)變氣隙型31412344(b)螺管型差動式電感傳感器4.1自感式傳感器下圖是變氣隙型、螺管型的氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器特性分析(對于變氣隙式求靈敏度和線性度的表達式)氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器特性分析(對于變氣隙式求氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器特性分析(對于變氣隙式求靈敏度和線性度的表達式)氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器特性分析(對于變氣隙式求氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器特性分析(對于變氣隙式求靈敏度和線性度的表達式)忽略高次方(高階無?。╉棧簜鞲衅鞯撵`敏度為:傳感器的線性度為:與氣隙長度呈反比,希望它小與氣隙長度呈反比,希望它大。與氣隙相對變化率呈正比氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器特性分析(對于變氣隙式求差動式氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器銜鐵R1R2L2L1傳感器的靈敏度為:傳感器的線性度為:差動式氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器銜鐵R1R2L2L差動式氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器靈敏度:線性度:單線圈氣隙型電感傳感器:靈敏度:差動式氣隙型電感傳感器:線性度:1.差動式自感傳感器的靈敏度比單線圈傳感器提高一倍.差動式氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器靈敏度:線性度:單差動式氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器靈敏度:靈敏度:線性度:單線圈氣隙型電感傳感器:差動式氣隙型電感傳感器:線性度:2.差動式自感傳感器非線性失真小.當(dāng)Δlδ/lδ=10%時(略去l/lδ·μr),單線圈δ<10%;而差動式的δ<1%。差動式氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器靈敏度:靈敏度:線差動式氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器R1R2L2L175502505075100L/mHlδ/mm10025L04321ⅠⅡ1234-ΔlδΔlδ1線圈Ⅰ自感特性;2線圈Ⅱ自感特性;3線圈Ⅰ與Ⅱ差動自感特性;4電橋電壓與位移之間的特性曲線一般差動變隙式自感傳感器Δlδ/lδ=0.1~0.2時,可使傳感器非線性誤差在3%左右。其工作行程很小,若取lδ=2mm,則行程為(0.2—0.5)mm;差動式氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器R1R2L2L17差動式氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器差動式與單線圈相比優(yōu)點:①線性度好;②靈敏度提高一倍,即銜鐵位移相同時,輸出信號大一倍;③溫度變化、電源波動、外界干擾等對傳感器精度的影響,由于能互相抵消而減??;④電磁吸力對測力變化的影響也由于能相互抵消而減小。差動式氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器差動式與單線圈相比螺管型電感傳感器4.1自感式傳感器有單線圈和差動式兩種結(jié)構(gòu)形式。單線圈螺管型傳感器結(jié)構(gòu)圖rx螺旋管鐵芯l單線圈螺管型傳感器的主要元件為一只螺管線圈和一根圓柱形鐵芯。傳感器工作時,因鐵芯在線圈中伸入長度的變化,引起螺管線圈自感值的變化。當(dāng)用恒流源激勵時,則線圈的輸出電壓與鐵芯的位移量有關(guān)。螺管型電感傳感器4.1自感式傳感器有單線圈和差動式兩種結(jié)構(gòu)螺管型電感傳感器4.1自感式傳感器rx螺旋管鐵心l單線圈螺管型傳感器結(jié)構(gòu)圖磁通密度激勵電流線圈匝長比匝數(shù)管長螺管型電感傳感器4.1自感式傳感器rx螺旋管鐵心l單線圈螺螺管型電感傳感器4.1自感式傳感器磁力線路經(jīng)每單位長度的磁勢稱為磁場強度:螺線管中的磁場強度:rxl螺管線圈內(nèi)磁場分布曲線1.00.80.60.40.20.60.20.40.81.0H()INlx/l按上式繪磁場強度分布圖如右:∴可以近似認為:處,磁場強度最大。螺管型電感傳感器4.1自感式傳感器磁力線路經(jīng)每單位長度的磁螺管型電感傳感器4.1自感式傳感器
式中:S是線圈所圍截面積;是線圈長度;是空氣的導(dǎo)磁率。N為匝數(shù)。rx螺旋管鐵芯l線圈中沒有鐵芯時,線圈電感量為:上式為線圈可能的最小電感量。
螺管型電感傳感器4.1自感式傳感器
式中:S是線圈所圍截面螺管型電感傳感器4.1自感式傳感器當(dāng)螺管中引進鐵芯且鐵芯的插入長度與線圈長度相同時:上式說明螺管型電感傳感器的電感量L的大小與鐵芯的插入長度
有關(guān)。式中:
是線圈的半徑;是鐵芯的半徑;是鐵芯的相對導(dǎo)磁率。上式為線圈可能的最大電感量。當(dāng)鐵芯的插入長度
小于線圈長度
時:螺管型電感傳感器4.1自感式傳感器當(dāng)螺管中引進鐵芯且鐵芯的螺管型電感傳感器4.1自感式傳感器如果被測的量與
成正比,由上式可見也一定與ΔL成正比。但是,由于螺管中的磁場強度分布是不均勻的,所以ΔL隨
的變化實際上是非線性的。當(dāng)鐵芯的插入長度
有增量
時,電感傳感器的電感量L也有增量:螺管型電感傳感器4.1自感式傳感器如果被測的量與成正螺管型電感傳感器4.1自感式傳感器為了提高靈敏度與線性度可采用如下差動螺管式電感傳感器結(jié)構(gòu):式中:
是線圈的半徑;是鐵芯的半徑;
是鐵芯的相對導(dǎo)磁率。螺管型電感傳感器4.1自感式傳感器為了提高靈敏度與線性度可螺管型電感傳感器4.1自感式傳感器差動螺管式電感傳感器:式中:
是線圈的半徑;是鐵芯的半徑;
是鐵芯的相對導(dǎo)磁率??梢姡红`敏度比單個螺管式傳感器高1倍。要提高靈敏度,就要使l/lc和r/rc趨于1.且選盡可能大的鐵芯。螺管型電感傳感器4.1自感式傳感器差動螺管式電感傳感器:式螺管型電感傳感器4.1自感式傳感器①結(jié)構(gòu)簡單,制造裝配容易;②由于空氣間隙大,磁路的磁阻高,因此靈敏度低,但線性范圍大;③由于磁路大部分為空氣,易受外部磁場干擾;④由于磁阻高,為了達到某一自感量,需要的線圈匝數(shù)多,因而線圈分布電容大;⑤要求線圈框架尺寸和形狀必須穩(wěn)定,否則影響其線性和穩(wěn)定性。
綜上所述,螺管式自感傳感器的特點:螺管型電感傳感器4.1自感式傳感器①結(jié)構(gòu)簡單,制造裝配容易電感線圈的等效電路4.1自感式傳感器實際傳感器中,線圈不可能是純電感,它包括線圈的銅損電阻RC
;鐵芯的渦流損耗電阻Re
;由于線圈和測量設(shè)備電纜的接入,存在線圈固有電容和電纜的分布電容,用參數(shù)C表示。等效電路ZCLRcRe電感線圈的等效電路4.1自感式傳感器實際傳感器中,線圈不可電感線圈的等效電路4.1自感式傳感器CLRcRe線圈的銅損電阻RC電感線圈的等效電路4.1自感式傳感器CLRcRe線圈的銅損電感線圈的等效電路4.1自感式傳感器CLRcRe線圈的渦流損耗電阻Re(鐵損)設(shè)渦流穿透深度小于薄片厚度的一半,電感線圈的等效電路4.1自感式傳感器CLRcRe線圈的渦流電感線圈的等效電路4.1自感式傳感器CLRcRe并聯(lián)寄生電容C主要由固有電容和電纜的分布電容組成。Z設(shè)為總等效損耗電阻,在不考慮C時,電感的串聯(lián)等效阻抗為:考慮C時,等效阻抗Zp為:電感線圈的等效電路4.1自感式傳感器CLRcRe并聯(lián)寄生電電感線圈的等效電路4.1自感式傳感器CLRcReZ記:則:∴由于并聯(lián)電容C的存在,使等效串聯(lián)損耗電阻和等效電感都增大了,等效QP較前減小:電感線圈的等效電路4.1自感式傳感器CLRcReZ記:則:電感線圈的等效電路4.1自感式傳感器CLRcReZ等效QP:電感線圈的等效電路4.1自感式傳感器CLRcReZ等效QP測量電路-交流電橋4.1自感式傳感器交流電橋差動的兩個傳感器線圈接成電橋的兩個工作臂(Z1、Z2為兩個差動傳感器線圈的復(fù)阻抗),另兩個橋臂用平衡電阻R1、R2代替。設(shè)初始時Z1=Z2=Z=RS+jωL;
R1=R2=R;
L1=L2=L0。工作時,Z變化△Z,ZLR1R2Z2Z1測量電路-交流電橋4.1自感式傳感器交流電橋差動的兩個傳感測量電路-交流電橋4.1自感式傳感器
交流電橋ZLR1R2Z2Z1輸出幅值:輸出阻抗:測量電路-交流電橋4.1自感式傳感器交流電橋ZLR1R測量電路-交流電橋4.1自感式傳感器交流電橋ZLR1R2Z2Z1測量電路-交流電橋4.1自感式傳感器交流電橋ZLR1R2Z測量電路-交流電橋4.1自感式傳感器交流電橋ZLR1R2Z2Z1對差動變氣隙式自感傳感器:可見,電橋輸出電壓與Δlδ有關(guān),相位與銜鐵移動方向有關(guān)。由于是交流信號,還要經(jīng)過適當(dāng)電路(如相敏檢波電路)處理才能判別銜鐵位移的大小及方向。測量電路-交流電橋4.1自感式傳感器交流電橋ZLR1R2Z測量電路-變壓器電橋4.1自感式傳感器變壓器交流電橋Z1Z2IABCD~電橋兩臂Z1、Z2為傳感器線圈阻抗初始位置測量電路-變壓器電橋4.1自感式傳感器變壓器交流電橋Z1Z測量電路-變壓器電橋4.1自感式傳感器變壓器交流電橋Z1Z2IABCD~銜鐵下移銜鐵上移輸出阻抗:測量電路-變壓器電橋4.1自感式傳感器變壓器交流電橋Z1Z測量電路-變壓器電橋4.1自感式傳感器變壓器交流電橋Z1Z2IABCD~若線圈的Q值很高,損耗電阻可忽略,則由上式可知,當(dāng)銜鐵向上、向下移動相同的距離時,產(chǎn)生的輸出電壓大小相等,但極性相反。由于是交流信號,要判斷銜鐵位移的大小及方向同樣需要經(jīng)過相敏檢波電路的處理。測量電路-變壓器電橋4.1自感式傳感器變壓器交流電橋Z1Z測量電路-變壓器電橋4.1自感式傳感器變壓器電橋與電阻平衡臂電橋相比,具有元件少,輸出阻抗小,橋路開路時電路呈線性的優(yōu)點,但因為變壓器副邊不接地,易引起來自原邊的靜電感應(yīng)電壓,使高增益放大器不能工作。測量電路-變壓器電橋4.1自感式傳感器變壓器電橋與電阻平衡互感式傳感器---差動變壓器4.2差動式變壓器一、結(jié)構(gòu)原理與等效電路二、變換特征三、誤差因素分析四、測量電路
差動整流電路
相敏檢波電路五、應(yīng)用互感式傳感器---差動變壓器4.2差動式變壓器一、結(jié)構(gòu)原理互感式傳感器---差動變壓器4.2差動式變壓器
把被測的非電量變化轉(zhuǎn)換成為線圈互感量的變化的傳感器稱為互感式傳感器。次級次級骨架初級銜鐵次級次級初級這種傳感器根據(jù)變壓器的基本原理制成,并將次級線圈繞組用差動形式連接?;ジ惺絺鞲衅?--差動變壓器4.2差動式變壓器把被測的非互感式傳感器---差動變壓器4.2差動式變壓器分氣隙型和螺管型兩種。目前多采用螺管型差動變壓器。它可測量1—100mm范圍內(nèi)的機械位移。1初級線圈;2.3次級線圈;4銜鐵1243(a)氣隙型123(b)螺管型4互感式傳感器---差動變壓器4.2差動式變壓器分氣隙型和螺螺管型差動變壓器根據(jù)初、次級排列不同有二節(jié)式、三節(jié)式、四節(jié)式和五節(jié)式等形式。差動變壓器線圈各種排列形式1初級線圈;2次級線圈;3銜鐵(a)二節(jié)式(b)三節(jié)式(c)四節(jié)式(d)五節(jié)式311212112212123三節(jié)式的零點電位較小,二節(jié)式比三節(jié)式靈敏度高、線性范圍大,四節(jié)式和五節(jié)式改善了傳感器線性度。螺管型差動變壓器根據(jù)初、次級排列不同有二節(jié)式、三節(jié)式、四節(jié)式差動變壓器結(jié)構(gòu)形式差動變壓器結(jié)構(gòu)形式差動變壓器的等效電路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)時的等效電路:2123L1R22L21M1M2L22R21R1~~~普通變壓器差動變壓器磁路閉合開互感常數(shù)隨銜鐵位移而變差動變壓器的等效電路差動變壓器工作在理想情況下(忽略渦流損耗互感式傳感器---差動變壓器4.2差動式變壓器L1R22L21M1M2L22R21R1~~~初級線圈的復(fù)數(shù)電流值為:ω—激勵電壓的角頻率;
e1—激勵電壓的復(fù)數(shù)值;L1,R1初級線圈電感和電阻;互感式傳感器---差動變壓器4.2差動式變壓器L1R22L互感式傳感器---差動變壓器4.2差動式變壓器L1R22L21M1M2L22R21R1~~~在次級線圈中感應(yīng)出電壓e21和e22,其值分別為:M1,M2分別為初級與次級線圈1,2間的互感;Rm1及Rm2分別為磁通通過初級線圈及兩個次級線圈的磁阻,N1和N2為初、次級線圈匝數(shù)互感式傳感器---差動變壓器4.2差動式變壓器L1R22L互感式傳感器---差動變壓器4.2差動式變壓器L1R22L21M1M2L22R21R1~~~因此空載輸出電壓:其幅值:輸出阻抗:或:互感式傳感器---差動變壓器4.2差動式變壓器L1R22L互感式傳感器---差動變壓器4.2差動式變壓器L1R22L21M1M2L22R21R1~~~①鐵芯處于中間位置時,M1=M2=M,|e2|=02123互感式傳感器---差動變壓器4.2差動式變壓器L1R22L互感式傳感器---差動變壓器4.2差動式變壓器L1R22L21M1M2L22R21R1~~~2123②鐵芯上升時,M1=M+ΔM,M2=M-ΔM與e21同極性互感式傳感器---差動變壓器4.2差動式變壓器L1R22L互感式傳感器---差動變壓器4.2差動式變壓器L1R22L21M1M2L22R21R1~~~2123③鐵芯下降時,M1=M-ΔM,M2=M+ΔM與e22同極性互感式傳感器---差動變壓器4.2差動式變壓器L1R22L互感式傳感器---差動變壓器4.2差動式變壓器差動變壓器輸出電勢e2與銜鐵位移x的關(guān)系。其中x表示銜鐵偏離中心位置的距離。U0e21e220xe2差動變壓器輸出特性副Ⅰ副Ⅱ原線圈互感式傳感器---差動變壓器4.2差動式變壓器差動變壓器輸二、變換特征4.2差動式變壓器三節(jié)螺管式差動變壓器結(jié)構(gòu)L1R22L21M1M2L22R21R1~~~二、變換特征4.2差動式變壓器三節(jié)螺管式差動變壓器結(jié)構(gòu)L1二、變換特征4.2差動式變壓器由上圖得差動變壓器的特性公式:二、變換特征4.2差動式變壓器由上圖得差動變壓器的特性公式二、變換特征4.2差動式變壓器鐵芯位移x與輸出電壓e2之間是非線性關(guān)系。非線性誤差:。K1是傳感器的靈敏度系數(shù),受匝數(shù)比,激勵電源的頻率、電壓等因素影響。二、變換特征4.2差動式變壓器鐵芯位移x與輸出電壓e2之間二、變換特征4.2差動式變壓器1.二、變換特征4.2差動式變壓器1.二、變換特征4.2差動式變壓器2.增加初級線圈激勵電壓e1,靈敏度也會增加。但e1如果太大,則會引起變壓器發(fā)熱,使輸出信號發(fā)生漂移。二、變換特征4.2差動式變壓器2.增加初級線圈激勵電壓e二、變換特征4.2差動式變壓器3.低頻時,B為一常數(shù),f為激勵源的頻率。此時,靈敏度隨頻率增高而增加。當(dāng)頻率高過某個值時,K1為常數(shù),因此,其在高頻時靈敏度與頻率無關(guān)。二、變換特征4.2差動式變壓器3.低頻時,B為一常數(shù),f三、誤差因素分析4.2差動式變壓器激勵電源電壓幅值的波動,會使線圈激勵磁場的磁通發(fā)生變化,直接影響輸出電勢。而頻率的波動,只要適當(dāng)?shù)剡x擇頻率,滿足時,其影響不大。L1R22L21M1M2L22R21R1~~~1、激勵電壓幅值與頻率的影響三、誤差因素分析4.2差動式變壓器激勵電源電壓幅值的波動,三、誤差因素分析4.2差動式變壓器L1R22L21M1M2L22R21R1~~~2、溫度變化的影響周圍環(huán)境溫度的變化,引起線圈及導(dǎo)磁體磁導(dǎo)率的變化,從而使線圈磁場發(fā)生變化產(chǎn)生溫度漂移。當(dāng)線圈品質(zhì)因數(shù)較低時,影響更為嚴重,因此,采用恒流源激勵比恒壓源激勵有利。適當(dāng)提高線圈品質(zhì)因子并采用差動電橋可以減少溫度的影響。三、誤差因素分析4.2差動式變壓器L1R22L21M1M2三、誤差因素分析4.2差動式變壓器3、零點殘余電壓當(dāng)差動變壓器的銜鐵處于中間位置時,理想條件下其輸出電壓為零。但實際上,當(dāng)使用橋式電路時,在零點仍有一個微小的電壓值(從零點幾mV到數(shù)十mV)存在,稱為零點殘余電壓。x-x0e2e20三、誤差因素分析4.2差動式變壓器3、零點殘余電壓當(dāng)差動1基波正交分量(a)殘余電壓的波形(b)波形分析13245e20te1e20et圖中e1為差動變壓器初級的激勵電壓,e20包含基波同相成分、基波正交成分,二次及三次諧波和幅值較小的電磁干擾等。2基波同相分量3二次諧波4三次諧波5電磁干擾1基波正交分量(a)殘余電壓的波形(b)波形分析1324三、誤差因素分析4.2差動式變壓器零點殘余電壓產(chǎn)生原因
①基波分量由于差動變壓器兩個次級繞組不可能完全一致,因此它的等效電路參數(shù)(互感M、自感L及損耗電阻R)不可能相同,從而使兩個次級繞組的感應(yīng)電動勢數(shù)值不等。又因初級線圈中銅損電阻及導(dǎo)磁材料的鐵損和材質(zhì)的不均勻,線圈匝間電容的存在等因素,使激勵電流與所產(chǎn)生的磁通相位不同。三、誤差因素分析4.2差動式變壓器零點殘余電壓產(chǎn)生原因①三、誤差因素分析4.2差動式變壓器零點殘余電壓產(chǎn)生原因
①高次諧波
高次諧波分量主要由導(dǎo)磁材料磁化曲線的非線性引起。由于磁滯損耗和鐵磁飽和的影響,使得激勵電流與磁通波形不一致產(chǎn)生了非正弦(主要是三次諧波)磁通,從而在次級繞組感應(yīng)出非正弦電勢。另外,激勵電流波形失真,因其內(nèi)含高次諧波分量,這樣也將導(dǎo)致零點殘余電壓中有高次諧波成分。三、誤差因素分析4.2差動式變壓器零點殘余電壓產(chǎn)生原因①1.從設(shè)計和工藝上保證結(jié)構(gòu)對稱性
為保證線圈和磁路的對稱性,首先,要求提高加工精度,線圈選配成對,采用磁路可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。其次,應(yīng)選高磁導(dǎo)率、低矯頑力、低剩磁感應(yīng)的導(dǎo)磁材料。并應(yīng)經(jīng)過熱處理,消除殘余應(yīng)力,以提高磁性能的均勻性和穩(wěn)定性。由高次諧波產(chǎn)生的因素可知,磁路工作點應(yīng)選在磁化曲線的線性段。消除零點殘余電壓方法:1.從設(shè)計和工藝上保證結(jié)構(gòu)對稱性消除零點殘余電壓方法:采用相敏檢波電路不僅可鑒別銜鐵移動方向,而且把銜鐵在中間位置時,因高次諧波引起的零點殘余電壓消除掉。如圖,采用相敏檢波后銜鐵反行程時的特性曲線由1變到2,從而消除了零點殘余電壓。U0+x-x210相敏檢波后的輸出特性
2.選用合適的測量線路采用相敏檢波電路不僅可鑒別銜鐵移動方向,而且把銜鐵在中間位置3.采用補償線路CR(a)在差動變壓器次級繞組側(cè)串、并聯(lián)適當(dāng)數(shù)值的電阻、電容元件,當(dāng)調(diào)整這些元件時,可使零點殘存電壓減小。在次級繞組側(cè)并聯(lián)電容。由于兩個次級線圈感應(yīng)電壓相位不同,并聯(lián)電容可改變繞組的相位,并聯(lián)電阻R是為了利用R的分流作用,使流入傳感器線圈的電流發(fā)生變化,從而改變磁化曲線的工作點,減小高次諧波所產(chǎn)生的殘余電壓。3.采用補償線路CR(a)在差動變壓器次級繞組側(cè)串、并聯(lián)適當(dāng)(b)CR串聯(lián)電阻R可以調(diào)整次級線圈的電阻分量。
CR(a)(b)CR串聯(lián)電阻R可以調(diào)整次級線圈的電阻分量。CR(a)R2WR1C(c)在次級繞組側(cè)并聯(lián)電位器W用于電氣調(diào)零,改變兩個次級線圈輸出電壓的相位。電容C可防止調(diào)整電位器時使零點移動。接入補償線圈L以避免負載不是純電阻而引起較大的零點殘存電壓。LW(d)R2WR1C(c)在次級繞組側(cè)并聯(lián)電位器W用于電氣調(diào)零,改變四.測量電路4.2差動式變壓器差動變壓器的輸出電壓為交流,它與銜鐵位移成正比。用交流電壓表測量其輸出值只能反映銜鐵位移的大小,不能反映移動的方向,因此常采用差動整流電路和相敏檢波電路進行測量。四.測量電路4.2差動式變壓器差動變壓器的輸出電壓為交流,四.測量電路4.2差動式變壓器(一)差動整流電路R2R1abhgcfde++在e點為“+”,f點為“–”,則電流路徑是eacdbf.在e點為“-”,f點為“+”,則電流路徑是fbcdae.可見,無論次級線圈的輸出瞬時電壓極性如何,通過電阻R的電流總是從c到d。四.測量電路4.2差動式變壓器(一)差動整流電路R2R1a(一)差動整流電路4.2差動式變壓器R2R1abhgcfde++無論次級線圈的輸出瞬時電壓極性如何,整流電路的輸出電壓e2始終等于R1、R2兩個電阻上的電壓差。(一)差動整流電路4.2差動式變壓器R2R1abhgcfd鐵芯在零位Udc圖4-15全波差動整流電路電壓波形tttUghU2tUdctUghtU2鐵芯在零位以下R2R1abhgcfde++全波差動整流電路電壓波形鐵芯在零位以上ttUdcUghtU2鐵芯在零位Udc圖4-15全波差動整流電路電壓波形tttU鐵芯在零位以上鐵芯在零位ttUdcUghtU2Udc圖4-15全波差動整流電路電壓波形tttUghU2tUdctUghtU2鐵芯在零位以下R2R1abhgcfde++結(jié)論:鐵芯在零位以上或零位以下時,輸出電壓的極性相反,零點殘存電壓自動抵消。鐵芯在零位以上鐵芯在零位ttUdcUghtU2Udc圖4-1容易做到輸出平衡,便于阻抗匹配。圖中比較電壓U2和U1同頻,經(jīng)過移相器使U2和U1保持同相或反相,且滿足U2>>U1。2.二級管相敏檢波電路u1u2+R-RD3D2D1D4RRT1T2-+容易做到輸出平衡,便于阻抗匹配。圖中比較電壓U2和U1同頻,當(dāng)銜鐵在中間位置時,位移x(t)=0,傳感器輸出電壓U1=0,只有U2起作用。u1u2+R-RD3D2D1D4RRT1T2-+當(dāng)銜鐵在中間位置時,位移x(t)=0,傳感器輸出電壓U1=正半周時因為是從中心抽頭,所以u1=u2,故i3=i4。流經(jīng)RL的電流為
i0=i4-i3=0u1u2-R+RLRD3D2D1D4RRT1T2+-i4i3正半周時因為是從中心抽頭,所以u1=u2,故i3=i負半周時同理可知i1=i2,所以流經(jīng)RL的電流為
i0=i1-i2=0i1RLi2u1u2+R-RD3D2D1D4RRT1T2-+負半周時同理可知i1=i2,所以流經(jīng)RL的電流為i1RD2u1u2-R+RLRD3D1D4RRT1T2+-e1e2-+-+i4當(dāng)銜鐵在零位以上時,位移x(t)>0,U1與U2同頻同相。正半周時i3故i4>
i3,流經(jīng)RL的電流為
i0=i4-i3>0D2u1u2-R+RLRD3D1D4RRT1T2+-e1e2u1u2+R-RD3D2D1D4RRT1T2-+負半周時
故i1>
i2,流經(jīng)RL的電流為
i0=i1-i2>0i2i1e1-++e2-u1u2+R-RD3D2D1D4RRT1T2-+負半周時故U2正半周U1負半周故i4<
i3。流經(jīng)RL的電流為
i0=i4-i3<0當(dāng)銜鐵在零位以下時,位移x(t)<0,U1與U2同頻反相。
e1e2+-+-D2u1u2-R+RLRD3D1D4RRT1T2+-i4i3U2正半周U1負半周故i4<i3。流經(jīng)RL的電流為i0=同理:在U2負半周U1正半周時:i1<
i2。流經(jīng)RL的電流為i0=i1-i2<0.表示i0的方向也與規(guī)定的正方向相反。D2u1u2-R+RLRD3D1D4RRT1T2+-+-+-e1e2i2i1同理:在U2負半周U1正半周時:i1<i2。流經(jīng)RL的電流結(jié)論:1.銜鐵在中間位置時,無論參考電壓是正半周還是負半周,在負載RL上的輸出電壓始終為0。2.銜鐵在零位以上移動時,無論參考電壓是正半周還是負半周,在負載RL上得到的輸出電壓始終為正。3.銜鐵在零位以下移動時,無論參考電壓是正半周還是負半周,在負載RL上得到的輸出電壓始終為負。由此可見,該電路能判別鐵芯移動的方向。結(jié)論:二級管相敏檢波在U1、U2同相位時的波形tU10U2t0ti10ti20ti40ti00ti30二級管相敏檢波在U1、U2同相位時的波形tU10U2t0ti相敏檢波前后的輸出特性曲線x0UL(a)經(jīng)過相敏檢波電路后,正位移輸出正電壓,負位移輸出負電壓。差動變壓器的輸出經(jīng)過相敏檢波以后,特性曲線由圖(a)變成(b),殘存電壓自動消失。x0UL(b)相敏檢波前后的輸出特性曲線x0UL(a)經(jīng)過相敏檢波電路后,測量振動、厚度、應(yīng)變、壓力、加速度等各種物理量。加速度傳感器用于測定振動物體的頻率和振幅時,其激磁頻率必須是振動頻率的十倍以上才能得到精確的測量結(jié)果??蓽y量的振幅為(0.1~5)mm,振動頻率為(0~150)Hz。穩(wěn)壓電源振蕩器檢波器濾波器(b)(a)~220V加速度a方向a輸出差動變壓器彈性支承彈性支承五.應(yīng)用4.2差動式變壓器測量振動、厚度、應(yīng)變、壓力、加速度等各種物理量。穩(wěn)壓電源振蕩五.應(yīng)用4.2差動式變壓器五.應(yīng)用4.2差動式變壓器五.應(yīng)用4.2差動式變壓器微壓力變送器將差動變壓器和彈性敏感元件(膜片、膜盒和彈簧管等)相結(jié)合,可以組成各種形式的壓力傳感器。~220V1接頭2膜盒3底座4線路板5差動變壓器6銜鐵7罩殼V振蕩器穩(wěn)壓電源差動變壓器相敏檢波電路1234567這種變送器可分檔測量(–5×105~6×105)N/m2壓力,輸出信號電壓為(0~50)mV,精度為1.5級。
五.應(yīng)用4.2差動式變壓器微壓力變送器~220V1接頭2五.應(yīng)用4.2差動式變壓器液位測量沉筒式液位計將水位變化轉(zhuǎn)換成位移變化,再轉(zhuǎn)換為電感的變化,差動變壓器的輸出反映液位高低。五.應(yīng)用4.2差動式變壓器液位測量4.3電渦流式傳感器
結(jié)構(gòu)和工作原理
測量電路
應(yīng)用第4章電感式傳感器4.3電渦流式傳感器結(jié)構(gòu)和工作原理第4章電感式傳感器結(jié)構(gòu)和基本原理4.3電渦流式傳感器根據(jù)電磁感應(yīng)定律,交變磁通在包圍它的任何閉合導(dǎo)電回路中都將產(chǎn)生感應(yīng)電流。當(dāng)導(dǎo)體置于交變磁場或在磁場中運動時,導(dǎo)體上引起感生電流ie,此電流在導(dǎo)體內(nèi)閉合,稱為渦流。結(jié)構(gòu)和基本原理4.3電渦流式傳感器根據(jù)電磁感應(yīng)定律,交變磁結(jié)構(gòu)和基本原理4.3電渦流式傳感器演示實驗結(jié)構(gòu)和基本原理4.3電渦流式傳感器演示實驗結(jié)構(gòu)和基本原理4.3電渦流式傳感器渦流的大小與導(dǎo)體電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ以及產(chǎn)生交變磁場的線圈與被測體之間距離x(磁通量φ),線圈激勵電流的頻率f有關(guān)。若固定某些參數(shù),就可根據(jù)渦流的變化測量另一個參數(shù)。結(jié)構(gòu)和基本原理4.3電渦流式傳感器渦流的大小與導(dǎo)體電阻率ρ結(jié)構(gòu)和基本原理4.3電渦流式傳感器電渦流式傳感器最大的特點是可以對一些參數(shù)進行非接觸的連續(xù)測量。另外,電渦流式傳感器動態(tài)響應(yīng)好,靈敏度高,應(yīng)用范圍比較廣。結(jié)構(gòu)和基本原理4.3電渦流式傳感器電渦流式傳感器最大的特點結(jié)構(gòu)和基本原理4.3電渦流式傳感器結(jié)構(gòu)和基本原理4.3電渦流式傳感器電渦流傳感器的等效電路把被測導(dǎo)體上形成的電渦流等效成一個短路環(huán)中的電流,短路環(huán)可以認為是一匝短路線圈,其電阻為R2、電感為L2。這樣線圈與被測導(dǎo)體便可等效為兩個相互耦合的線圈。線圈與導(dǎo)體間存在一個互感M,它隨線圈與導(dǎo)體間距x的減小而增大。電渦流傳感器等效電路MR1L2L1R2結(jié)構(gòu)和基本原理4.3電渦流式傳感器電渦流傳感器的等效電路把被測導(dǎo)體上形成的電渦流等效成一個短路根據(jù)克希霍夫定律,可列出下面的方程:MR1L2L1R2根據(jù)克希霍夫定律,可列出下面的方程:MR1L2L1R2傳感器線圈的等效阻抗為:線圈的電感為:MR1L2L1R2傳感器線圈的等效阻抗為:線圈的電感為:MR1L2L1R2當(dāng)被測導(dǎo)體的某些參數(shù)發(fā)生變化時,可引起渦流式傳感器線圈的阻抗Z、電感L和品質(zhì)因數(shù)Q變化,測量Z、L或Q就可求出被測量參數(shù)的變化。MR1L2L1R2線圈等效Q值:Q0-----無渦流影響下線圈的Q值,Z2-----金屬導(dǎo)體中電渦流部分阻抗,當(dāng)被測導(dǎo)體的某些參數(shù)發(fā)生變化時,可引起渦流式傳感器線圈的阻抗電渦流傳感器的種類電渦流在金屬導(dǎo)體內(nèi)的滲透深度為:說明電渦流在金屬導(dǎo)體內(nèi)的滲透深度與傳感器線圈的激勵信號頻率有關(guān)。故電渦流式傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩類。目前高頻反射式電渦流傳感器應(yīng)用較廣泛。導(dǎo)體電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ線圈激勵電流的頻率f電渦流傳感器的種類電渦流在金屬導(dǎo)體內(nèi)的滲透深度為:說明電渦流結(jié)構(gòu)和基本原理4.3電渦流式傳感器結(jié)構(gòu)和基本原理4.3電渦流式傳感器結(jié)構(gòu)和基本原理4.3電渦流式傳感器金屬扁平線圈渦流區(qū)r/ros1hrosj因為金屬存在趨膚效應(yīng),電渦流只存在于金屬導(dǎo)體的表面薄層內(nèi),存在一個渦流區(qū).當(dāng)線圈與被測體距離改變時,電渦流密度發(fā)生變化強度也要變化。結(jié)構(gòu)和基本原理4.3電渦流式傳感器金屬扁平線圈渦流區(qū)r/r結(jié)構(gòu)和基本原理4.3電渦流式傳感器金屬導(dǎo)體表面的電渦流強度I2
與距離X是非線性關(guān)系,隨x/r上升而下降。I2只有在x/r<<1才能有較好線性和靈敏度。X/rosI2/I11.01234結(jié)構(gòu)和基本原理4.3電渦流式傳感器金屬導(dǎo)體表面的電渦流強結(jié)構(gòu)和基本原理4.3電渦流式傳感器高頻(>lMHz)激勵電流產(chǎn)生的高頻磁場作用于金屬板的表面,由于集膚效應(yīng),在金屬板表面將形成渦電流。與此同時,該渦流產(chǎn)生的交變磁場又反作用于線圈,引起線圈自感L或阻抗ZL的變化。線圈自感L或阻抗ZL的變化與距離該金屬板的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ、激勵電流i及角頻率ω等有關(guān),若只改變距離δ而保持其它參數(shù)不變,則可將位移的變化轉(zhuǎn)換為線圈自感的變化,通過測量電路轉(zhuǎn)換為電壓輸出。高頻反射式渦流傳感器多用于位移測量。結(jié)構(gòu)和基本原理4.3電渦流式傳感器高頻(>lMHz)激勵電結(jié)構(gòu)和基本原理4.3電渦流式傳感器高頻反射式電渦流傳感器由安置在框架上的扁平圓形線圈構(gòu)成。此線圈可粘貼于框架上,或在框架上開一槽,將導(dǎo)線繞在槽內(nèi)。下圖為CZF1型渦流傳感器的結(jié)構(gòu)原理,它是將導(dǎo)線繞在聚四氟乙烯框架窄槽內(nèi)。1234561線圈2框架3襯套4支架5電纜6插頭結(jié)構(gòu)和基本原理4.3電渦流式傳感器高頻反射式電渦流傳感器由結(jié)構(gòu)和基本原理4.3電渦流式傳感器高頻反射式電渦流傳感器iedM~ΦeΦi電渦流傳感器原理圖高頻激勵信號使線圈產(chǎn)生一個高頻交變磁場φi,當(dāng)被測導(dǎo)體靠近時,在磁場作用范圍的導(dǎo)體表層產(chǎn)生電渦流ie,而電渦流又將產(chǎn)生一交變磁場φe阻礙外磁場的變化。在被測導(dǎo)體內(nèi)存在著電渦流損耗(當(dāng)頻率較高時,忽略磁損耗)。能量損耗使傳感器的Q值和等效阻抗Z降低,因此當(dāng)被測體與傳感器間的距離d改變時,傳感器的Q值和等效阻抗Z、電感L均發(fā)生變化,于是把位移量轉(zhuǎn)換成電量。這便是電渦流傳感器的基本原理。結(jié)構(gòu)和基本原理4.3電渦流式傳感器高頻反射式電渦流傳感器i低頻透射式電渦流傳感器發(fā)射線圈L1和接收線圈L2分置于被測金屬板的上下方。低頻透射式電渦流傳感器發(fā)射線圈L1和接收線圈L2分置于被測金低頻透射式電渦流傳感器由于低頻磁場集膚效應(yīng)小,滲透深,當(dāng)?shù)皖l(音頻范圍)電壓u1加到線圈L1的兩端后,所產(chǎn)生磁力線的一部分透過金屬板,使線圈L2產(chǎn)生感應(yīng)電動勢u2。導(dǎo)體電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ線圈激勵電流的頻率f由于渦流消耗部分磁場能量,使感應(yīng)電動勢u2減少,當(dāng)金屬板越厚時,損耗的能量越大,輸出電動勢u2越小。低頻透射式電渦流傳感器由于低頻磁場集膚效應(yīng)小,滲透深,當(dāng)?shù)皖l低頻透射式電渦流傳感器因此,u2的大小與金屬板的厚度及材料的性質(zhì)有關(guān).試驗表明u2隨材料厚度h的增加按負指數(shù)規(guī)律減少,因此,若金屬板材料的性質(zhì)一定,則利用u2的變化即可測厚度。δ——被測金屬板的厚度;h——貫穿深度。
低頻透射式電渦流傳感器因此,u2的大小與金屬板的厚度及材料的低頻透射式電渦流傳感器δ——被測金屬板的厚度;h——貫穿深度。
測量厚度時,激勵頻率應(yīng)選得較低。頻率太高,貫穿深度小于被測厚度,不利于進行厚度測量,通常選激勵頻率為1kHz左右。δ和h大小盡可能接近低頻透射式電渦流傳感器δ——被測金屬板的厚度;測量厚度時,激低頻透射式電渦流傳感器δ——被測金屬板的厚度;h——貫穿深度。
測薄金屬板時,頻率一般應(yīng)略高些,測厚金屬板時,頻率應(yīng)低些。在測量電阻率ρ較小的材料時,應(yīng)選較低的頻率(如500Hz),測量ρ較大的材料時,應(yīng)選用較高的頻率(如2kHz),從而保證在測量不同材料時能得到較好的線性和靈敏度。低頻透射式電渦流傳感器δ——被測金屬板的厚度;測薄金屬板時,MR1L2L1R2電渦流傳感器轉(zhuǎn)換電路的作用就是將Z、L或Q轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化。阻抗Z的轉(zhuǎn)換電路一般用電橋,電感L的轉(zhuǎn)換電路一般用諧振電路,又可以分為調(diào)幅法和調(diào)頻法兩種。測量電路4.3電渦流式傳感器MR1L2L1R2電渦流傳感器轉(zhuǎn)換電路的作用就是將Z、L或Q1.交流電橋?qū)鞲衅骶€圈的阻抗變化轉(zhuǎn)化為電壓或電流的變化。圖中L1
、L2是兩個差動傳感器線圈,它們與電容C1
、C2的并聯(lián)阻抗Z1
、Z2作為電橋的兩個橋臂.U0交流電橋測量電路L1振蕩器R1R2C2~C1L2檢波放大測量電路4.3電渦流式傳感器1.交流電橋?qū)鞲衅骶€圈的阻抗變化轉(zhuǎn)化為電壓或電流的變化2.調(diào)幅式電路調(diào)幅式測量電路原理框圖晶體振蕩器LC輸出放大檢波濾波R渦流傳感器線圈與電容并聯(lián)組成LC并聯(lián)諧振回路,由恒流源石英晶體振蕩器供電。沒有被測物體時,并聯(lián)諧振回路的諧振頻率等于激勵振蕩器的頻率f0,此時LC并聯(lián)回路呈現(xiàn)阻抗最大。諧振回路上輸出電壓U0為:U0=I0·Z
測量電路4.3電渦流式傳感器2.調(diào)幅式電路調(diào)幅式測量電路原理框圖晶體振蕩器LC輸出3.調(diào)頻式電路測量電路4.3電渦流式傳感器L為電渦流線圈3.調(diào)頻式電路測量電路4.3電渦流式傳感器L為電渦流應(yīng)用4.3電渦流式傳感器電渦流傳感器的應(yīng)用
電渦流傳感器目前主要應(yīng)用于測位移、振動、轉(zhuǎn)速、測厚度、電渦流探傷。特點:做非接觸式測量。應(yīng)用(1)測厚:低頻透射式渦流厚度傳感器高頻反射式渦流厚度傳感器(2)測轉(zhuǎn)速(3)測振動(4)電渦流探傷應(yīng)用4.3電渦流式傳感器電渦流傳感器的應(yīng)用電渦流傳感器應(yīng)用4.3電渦流式傳感器電渦流傳感器應(yīng)用4.3電渦流式傳感器電渦流傳感器應(yīng)用4.3電渦流式傳感器
低頻透射式渦流厚度傳感器應(yīng)用4.3電渦流式傳感器低頻透射式渦流厚度傳感器應(yīng)用4.3電渦流式傳感器
高頻反射式渦流厚度傳感器應(yīng)用4.3電渦流式傳感器高頻反射式渦流厚度傳感器應(yīng)用4.3電渦流式傳感器
渦流轉(zhuǎn)速測量
渦流振動測量應(yīng)用4.3電渦流式傳感器渦流轉(zhuǎn)速測量渦流振動測量應(yīng)用4.3電渦流式傳感器應(yīng)用4.3電渦流式傳感器應(yīng)用第4章電感式傳感器加速度傳感器1懸臂梁;2差動變壓器;3銜鐵12a3應(yīng)用第4章電感式傳感器加速度傳感器12a3應(yīng)用第4章電感式傳感器位移測量振幅測量轉(zhuǎn)速測量應(yīng)用第4章電感式傳感器位移測量振幅測量轉(zhuǎn)速測量應(yīng)用第4章電感式傳感器應(yīng)用第4章電感式傳感器應(yīng)用第4章電感式傳感器電感測微儀探頭測量電橋交流放大相敏檢波指示器振蕩器應(yīng)用第4章電感式傳感器電感測微儀探頭測量交流相敏指示器振蕩應(yīng)用第4章電感式傳感器變氣隙式電感測微儀應(yīng)用第4章電感式傳感器變氣隙式電感測微儀應(yīng)用第4章電感式傳感器F電感壓力傳感器——變氣隙式結(jié)構(gòu)應(yīng)用第4章電感式傳感器F電感壓力傳感器——變氣隙式結(jié)構(gòu)應(yīng)用第4章電感式傳感器微壓傳感器1接頭;2膜盒;3底座;4線路板;5差動變壓器;6銜鐵;7罩殼1234567應(yīng)用第4章電感式傳感器微壓傳感器1234567應(yīng)用第4章電感式傳感器變氣隙式差動壓力傳感器應(yīng)用第4章電感式傳感器變氣隙式差動壓力傳感器應(yīng)用第4章電感式傳感器電感式油壓傳感器——液壓傳動的各種機械裝置應(yīng)用第4章電感式傳感器電感式油壓傳感器——液壓傳動的各應(yīng)用第4章電感式傳感器電感式接近傳感器應(yīng)用第4章電感式傳感器電感式接近傳感器應(yīng)用第4章電感式傳感器生產(chǎn)中測量產(chǎn)品的長度每個脈沖對應(yīng)的長度:被測物總長度:應(yīng)用第4章電感式傳感器生產(chǎn)中測量產(chǎn)品的長度每個脈沖對應(yīng)的長應(yīng)用第4章電感式傳感器生產(chǎn)線工件的計數(shù)機械手的限位應(yīng)用第4章電感式傳感器生產(chǎn)線工件的計數(shù)機械手的限位應(yīng)用第4章電感式傳感器應(yīng)用第4章電感式傳感器應(yīng)用第4章電感式傳感器應(yīng)用第4章電感式傳感器應(yīng)用第4章電感式傳感器中原量儀股份有限公司無錫市通達滾子有限公司應(yīng)用第4章電感式傳感器中原量儀股份有限公司無錫市通達滾子有應(yīng)用第4章電感式傳感器該圓度計采用旁向式電感測微頭圓度計應(yīng)用第4章電感式傳感器該圓度計采用旁向式電感測微頭圓度計應(yīng)用第4章電感式傳感器應(yīng)用第4章電感式傳感器應(yīng)用第4章電感式傳感器粗糙度儀外形金剛石測頭應(yīng)用第4章電感式傳感器粗糙度儀外形金剛石測頭
本章要點:
變磁阻式傳感器(自感式)工作原理、測量電路(轉(zhuǎn)換電路);差動變壓器式傳感器(互感式)工作原理、等效電路及測量電路;
零點殘余電壓的影響和補償;電渦流傳感器的工作原理及應(yīng)用.傳感器原理及應(yīng)用第4章
電感式傳感器本章要點:變磁阻式傳感器(自感式)工作原理、測傳感器原理
本章要點:
差動變壓器做位移測量可得到比例于機械位移的交流電壓;關(guān)于磁場、磁通、磁性體;差動變壓器的應(yīng)用例—差壓傳感器、位移傳感器、流量傳感器;電渦流傳感器:傳感器原理及應(yīng)用第4章
電感式傳感器本章要點:差動變壓器做位移測量可得到比例于機械位移的交傳《電感式傳感器》PPT課件本課件僅供大家學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)完畢請自覺刪除謝謝本課件僅供大家學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)完畢請自覺刪除謝謝《電感式傳感器》PPT課件本課件僅供大家學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)概述第4章電感式傳感器各種電感式傳感器非接觸式位移傳感器測厚傳感器電感粗糙度儀接近式傳感器電感式傳感器示例概述第4章電感式傳感器各種電感式傳感器非接觸式位移傳感器測概述第4章電感式傳感器電感式傳感器示例概述第4章電感式傳感器電感式傳感器示例概述第4章電感式傳感器
電感式傳感器是一種機電轉(zhuǎn)換裝置,特別是在自動控制設(shè)備中廣泛應(yīng)用。電感式傳感器利用電磁感應(yīng)定律將被測非電量轉(zhuǎn)換為電感或互感的變化。概述第4章電感式傳感器電感式傳感器是一種機電轉(zhuǎn)換裝置,特概述第4章電感式傳感器感測量:位移、振動、壓力、應(yīng)變、流量、比重等。電感式傳感器電磁感應(yīng)被測非電量自感系數(shù)L互感系數(shù)M測量電路
U、I、f自感式傳感器互感式傳感器電渦流式傳感器種類:根據(jù)轉(zhuǎn)換原理,分自感式和互感式兩種;根據(jù)結(jié)構(gòu)型式,分氣隙型和螺管型。概述第4章電感式傳感器感測量:位移、振動、壓力、應(yīng)變、流量概述第4章電感式傳感器優(yōu)點:不足:存在交流零位信號,不宜于高頻動態(tài)測量。③重復(fù)性好,線性度優(yōu)良在幾十μm到數(shù)百mm的位移范圍內(nèi),輸出特性的線性度較好,且比較穩(wěn)定。①結(jié)構(gòu)簡單、可靠,測量力小銜鐵為(0.5~200)×10-4N時,磁吸力為(1~10)×10-4N。②分辨力高機械位移:0.1μm,甚至更小;角位移:0.1角秒。輸出信號強,電壓靈敏度可達數(shù)百mV/mm。概述第4章電感式傳感器優(yōu)點:不足:存在交流零位信號,不宜于電感式傳感器§4.1自感式傳感器§4.2差動式變壓器§4.3電渦流式傳感器
應(yīng)用實例第4章電感式傳感器電感式傳感器§4.1自感式傳感器第4章電感式傳感器4.1自感式傳感器
氣隙型電感傳感器
螺管型電感傳感器
電感線圈的等效電路
測量電路第4章電感式傳感器4.1自感式傳感器氣隙型電感傳感器第4章電感式傳感器4.1自感式傳感器第4章電感式傳感器實驗:氣隙變小,電感變大,電流變小4.1自感式傳感器第4章電感式傳感器實驗:氣隙變小,電感氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器線圈電感:N-線圈匝數(shù)Rm-磁路總磁阻線圈鐵芯銜鐵氣隙型電感傳感器氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器線圈電感:N-線圈氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器線圈鐵芯銜鐵氣隙型電感傳感器Rm-磁路總磁阻:氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器線圈鐵芯銜鐵氣隙型電感傳氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器Rm-磁路總磁阻:氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器Rm-磁路總磁阻:氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器線圈鐵芯銜鐵氣隙型電感傳感器線圈電感:N-線圈匝數(shù)氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器線圈鐵芯銜鐵氣隙型電感傳氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器線圈鐵芯銜鐵線圈電感:N-線圈匝數(shù)如果S保持不變,則L為lδ的單值函數(shù),構(gòu)成變氣隙式自感傳感器.若保持lδ不變,使S隨被測量(如位移)變化,則構(gòu)成變截面式自感傳感器,氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器線圈鐵芯銜鐵線圈電感:N氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器L=f(S)L=f(lδ)lδ
,SL電感傳感器特性氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器L=f(S)L=f氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器特性分析(對于變氣隙式求靈敏度和線性度的表達式)自感系數(shù):令:μ1=
μ2;S1=
S2=S。設(shè)磁路總長為,氣隙長度為
,由上式可見,當(dāng)氣隙長度
減少
時會導(dǎo)致自感系數(shù)L增加ΔL1;而當(dāng)氣隙長度
增大同樣的
時會導(dǎo)致自感系數(shù)L減小ΔL2:于是磁路總磁阻為:μr
為導(dǎo)磁體相對磁導(dǎo)率氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器特性分析(對于變氣隙式求氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器特性分析(對于變氣隙式求靈敏度和線性度的表達式)①當(dāng)氣隙lδ發(fā)生變化時,自感的變化與氣隙變化均呈非線性關(guān)系,其非線性程度隨氣隙相對變化Δlδ/lδ的增大而增加;②氣隙減少Δlδ所引起的自感變化ΔL1與氣隙增加同樣Δlδ所引起的自感變化ΔL2并不相等,即ΔL1>ΔL2,其差值隨Δlδ/lδ的增加而增大。lδL
L0lδ0ΔL1ΔL2氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器特性分析(對于變氣隙式求氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器特性分析(對于變氣隙式求靈敏度和線性度的表達式)lδL
L0lδ0ΔL1ΔL2傳感器靈敏度:線性度:由于轉(zhuǎn)換原理的非線性,以及正反方向移動時電感變化量的不對稱性,因此,為了保證精度,變間隙式傳感器只能工作在一個很小的區(qū)域,因而只能用于微小位移的測量。氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器特性分析(對于變氣隙式求差動式氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器在實際使用中,常采用兩個相同的傳感線圈共用一個銜鐵,構(gòu)成差動式自感傳感器,兩個線圈的電氣參數(shù)和幾何尺寸要求完全相同。這種結(jié)構(gòu)除了可以改善線性、提高靈敏度外,對溫度變化、電源頻率變化等的影響也可以進行補償,從而減少了外界影響造成的誤差。差動式氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器在實際差動式電感傳感器4.1自感式傳感器下圖是變氣隙型、螺管型的差動式自感傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。當(dāng)銜鐵3移動時,一個線圈的電感量增加,另一個線圈的電感量減少,形成差動形式。圖4-4差動式自感傳感器1-線圈2-鐵芯3-銜鐵4-導(dǎo)桿(a)變氣隙型31412344(b)螺管型差動式電感傳感器4.1自感式傳感器下圖是變氣隙型、螺管型的氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器特性分析(對于變氣隙式求靈敏度和線性度的表達式)氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器特性分析(對于變氣隙式求氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器特性分析(對于變氣隙式求靈敏度和線性度的表達式)氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器特性分析(對于變氣隙式求氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器特性分析(對于變氣隙式求靈敏度和線性度的表達式)忽略高次方(高階無?。╉棧簜鞲衅鞯撵`敏度為:傳感器的線性度為:與氣隙長度呈反比,希望它小與氣隙長度呈反比,希望它大。與氣隙相對變化率呈正比氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器特性分析(對于變氣隙式求差動式氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器銜鐵R1R2L2L1傳感器的靈敏度為:傳感器的線性度為:差動式氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器銜鐵R1R2L2L差動式氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器靈敏度:線性度:單線圈氣隙型電感傳感器:靈敏度:差動式氣隙型電感傳感器:線性度:1.差動式自感傳感器的靈敏度比單線圈傳感器提高一倍.差動式氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器靈敏度:線性度:單差動式氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器靈敏度:靈敏度:線性度:單線圈氣隙型電感傳感器:差動式氣隙型電感傳感器:線性度:2.差動式自感傳感器非線性失真小.當(dāng)Δlδ/lδ=10%時(略去l/lδ·μr),單線圈δ<10%;而差動式的δ<1%。差動式氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器靈敏度:靈敏度:線差動式氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器R1R2L2L175502505075100L/mHlδ/mm10025L04321ⅠⅡ1234-ΔlδΔlδ1線圈Ⅰ自感特性;2線圈Ⅱ自感特性;3線圈Ⅰ與Ⅱ差動自感特性;4電橋電壓與位移之間的特性曲線一般差動變隙式自感傳感器Δlδ/lδ=0.1~0.2時,可使傳感器非線性誤差在3%左右。其工作行程很小,若取lδ=2mm,則行程為(0.2—0.5)mm;差動式氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器R1R2L2L17差動式氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器差動式與單線圈相比優(yōu)點:①線性度好;②靈敏度提高一倍,即銜鐵位移相同時,輸出信號大一倍;③溫度變化、電源波動、外界干擾等對傳感器精度的影響,由于能互相抵消而減小;④電磁吸力對測力變化的影響也由于能相互抵消而減小。差動式氣隙型電感傳感器4.1自感式傳感器差動式與單線圈相比螺管型電感傳感器4.1自感式傳感器有單線圈和差動式兩種結(jié)構(gòu)形式。單線圈螺管型傳感器結(jié)構(gòu)圖rx螺旋管鐵芯l單線圈螺管型傳感器的主要元件為一只螺管線圈和一根圓柱形鐵芯。傳感器工作時,因鐵芯在線圈中伸入長度的變化,引起螺管線圈自感值的變化。當(dāng)用恒流源激勵時,則線圈的輸出電壓與鐵芯的位移量有關(guān)。螺管型電感傳感器4.1自感式傳感器有單線圈和差動式兩種結(jié)構(gòu)螺管型電感傳感器4.1自感式傳感器rx螺旋管鐵心l單線圈螺管型傳感器結(jié)構(gòu)圖磁通密度激勵電流線圈匝長比匝數(shù)管長螺管型電感傳感器4.1自感式傳感器rx螺旋管鐵心l單線圈螺螺管型電感傳感器4.1自感式傳感器磁力線路經(jīng)每單位長度的磁勢稱為磁場強度:螺線管中的磁場強度:rxl螺管線圈內(nèi)磁場分布曲線1.00.80.60.40.20.60.20.40.81.0H()INlx/l按上式繪磁場強度分布圖如右:∴可以近似認為:處,磁場強度最大。螺管型電感傳感器4.1自感式傳感器磁力線路經(jīng)每單位長度的磁螺管型電感傳感器4.1自感式傳感器
式中:S是線圈所圍截面積;是線圈長度;是空氣的導(dǎo)磁率。N為匝數(shù)。rx螺旋管鐵芯l線圈中沒有鐵芯時,線圈電感量為:上式為線圈可能的最小電感量。
螺管型電感傳感器4.1自感式傳感器
式中:S是線圈所圍截面螺管型電感傳感器4.1自感式傳感器當(dāng)螺管中引進鐵芯且鐵芯的插入長度與線圈長度相同時:上式說明螺管型電感傳感器的電感量L的大小與鐵芯的插入長度
有關(guān)。式中:
是線圈的半徑;是鐵芯的半徑;是鐵芯的相對導(dǎo)磁率。上式為線圈可能的最大電感量。當(dāng)鐵芯的插入長度
小于線圈長度
時:螺管型電感傳感器4.1自感式傳感器當(dāng)螺管中引進鐵芯且鐵芯的螺管型電感傳感器4.1自感式傳感器如果被測的量與
成正比,由上式可見也一定與ΔL成正比。但是,由于螺管中的磁場強度分布是不均勻的,所以ΔL隨
的變化實際上是非線性的。當(dāng)鐵芯的插入長度
有增量
時,電感傳感器的電感量L也有增量:螺管型電感傳感器4.1自感式傳感器如果被測的量與成正螺管型電感傳感器4.1自感式傳感器為了提高靈敏度與線性度可采用如下差動螺管式電感傳感器結(jié)構(gòu):式中:
是線圈的半徑;是鐵芯的半徑;
是鐵芯的相對導(dǎo)磁率。螺管型電感傳感器4.1自感式傳感器為了提高靈敏度與線性度可螺管型電感傳感器4.1自感式傳感器差動螺管式電感傳感器:式中:
是線圈的半徑;是鐵芯的半徑;
是鐵芯的相對導(dǎo)磁率??梢姡红`敏度比單個螺管式傳感器高1倍。要提高靈敏度,就要使l/lc和r/rc趨于1.且選盡可能大的鐵芯。螺管型電感傳感器4.1自感式傳感器差動螺管式電感傳感器:式螺管型電感傳感器4.1自感式傳感器①結(jié)構(gòu)簡單,制造裝配容易;②由于空氣間隙大,磁路的磁阻高,因此靈敏度低,但線性范圍大;③由于磁路大部分為空氣,易受外部磁場干擾;④由于磁阻高,為了達到某一自感量,需要的線圈匝數(shù)多,因而線圈分布電容大;⑤要求線圈框架尺寸和形狀必須穩(wěn)定,否則影響其線性和穩(wěn)定性。
綜上所述,螺管式自感傳感器的特點:螺管型電感傳感器4.1自感式傳感器①結(jié)構(gòu)簡單,制造裝配容易電感線圈的等效電路4.1自感式傳感器實際傳感器中,線圈不可能是純電感,它包括線圈的銅損電阻RC
;鐵芯的渦流損耗電阻Re
;由于線圈和測量設(shè)備電纜的接入,存在線圈固有電容和電纜的分布電容,用參數(shù)C表示。等效電路ZCLRcRe電感線圈的等效電路4.1自感式傳感器實際傳感器中,線圈
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