傳感器與檢測技術(shù)電感式傳感器

07電感式壓力變送器——電感式傳感器地測試項目描述YSG系列電感壓力變送器由機械指示壓力表與電子放大器組成,它即通過指針直接指示壓力值,便于現(xiàn)場檢查于調(diào)校,同時還將被測介質(zhì)地壓力值轉(zhuǎn)換成4～20mA地標準直流信號,便于較長距離傳送。具有直觀,穩(wěn)定性好,溫漂小等優(yōu)點,可用于各種工作生產(chǎn)過程與測量系統(tǒng)壓力或負壓地測量及信號傳送,實現(xiàn)生產(chǎn)過程地自動檢測與控制。電感式傳感器是利用線圈自感與互感地變化實現(xiàn)非電量電測地一種裝置。優(yōu)點:①結(jié)構(gòu)簡單,可靠,測量力小銜鐵為0.5～200×10-5N時,磁吸力為(1~10)×10-5N。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。③重復性好,線性度優(yōu)良在幾十μm到數(shù)百mm地位移范圍內(nèi),輸出特性地線性度較好,且比較穩(wěn)定。不足:存在交流零位信號,不宜于高頻動態(tài)測量。知識準備一,自感式傳感器自感式傳感器（也叫變磁阻式電感傳感器）是利用自感量隨氣隙變化而改變地原理制成地,可直接用來測量位移量。它主要由線圈,鐵芯,銜鐵等部分組成。自感式傳感器主要有閉磁路變隙式與開磁路螺線管式,它們又都可以分為單線圈式與差動式兩種結(jié)構(gòu)形式。2023/4/305電感量計算公式:請分析電感量L與氣隙厚度及氣隙地有效截面積A之間地關(guān)系,并討論有關(guān)線性度地問題。N:線圈匝數(shù);A:氣隙地有效截面積;0:真空磁導率;:氣隙厚度。6先看一個實驗:將一只220V交流接觸器線圈與交流毫安表串聯(lián)后,接到機床用控制變壓器地36V交流電壓源上,如下頁圖所示。開始毫安表地示值約為幾十毫安。用手慢慢將接觸器地活動鐵心（稱為銜鐵）往下按,我們會發(fā)現(xiàn)毫安表地讀數(shù)逐漸減小。當銜鐵與固定鐵心之間地氣隙等于零時,毫安表地讀數(shù)只剩下十幾毫安。7自感傳感器地基本工作原理演示

F36V交流毫安表交流電壓源交流接觸器線圈8自感傳感器地基本工作原理演示?氣隙變小,電感變大,電流變小F（一）基本自感式傳感器1.工作原理基本變間隙自感式傳感器由線圈,鐵芯與銜鐵組成,結(jié)構(gòu)如圖3.1所示。電感式傳感器又可分為變氣隙長度地傳感器與變氣隙面積地傳感器。前者常用于測量直線位移,后者常用于測量角位移。2．靈敏度變間隙式電感傳感器用于測量微小位移時是比較準確地。為了減小非線性誤差,實際測量廣泛采用差動變間隙式電感傳感器。靈敏度K為

變間隙自感式傳感器自感式傳感器實質(zhì)上是一個帶氣隙地鐵芯線圈。按磁路幾何參數(shù)變化,自感式傳感器有變氣隙式,變面積式與螺管式3種,前兩種屬于閉磁路式,螺管式屬于開磁路式,

1．變氣隙式（閉磁路式）自感傳感器

變氣隙式自感式傳感器結(jié)構(gòu)原理如圖7-4所示。圖7-4（a）所示為單邊式,它們由鐵芯,線圈,銜鐵,測桿及彈簧等組成。由式（7-2）可知,變氣隙長度式傳感器地線性度差,示值范圍窄,自由行程小,但在小位移下靈敏度很高,常用于小位移地測量。為了擴大示值范圍與減小非線性誤差,可采用差動結(jié)構(gòu),如圖7-4（b）所示對式(4-11）,(4-13）作線性處理,忽略高次項,可得靈敏度為(4-15）由此可見,變間隙式電感傳感器地測量范圍與靈敏度及線性度相矛盾,所以變隙式電感式傳感器用于測量微小位移時是比較精確地。為了減小非線性誤差,實際測量廣泛采用差動變隙式電感傳感器。對上式進行線性處理,忽略高次項得靈敏度K0為比較單線圈與差動兩種變間隙式電感傳感器地特性,可以得到如下結(jié)論:①差動式比單線圈式地靈敏度高一倍。②差動式地非線性項等于單線圈非線性項乘以（Δδ/δ0）因子,因為（Δδ/δ0）1,所以,差動式地線性度得到明顯改善。為了使輸出特性能得到有效改善,構(gòu)成差動地兩個變隙式電感傳感器在結(jié)構(gòu)尺寸,材料,電氣參數(shù)等方面均應完全一致。

2．螺線管式（開磁路式）自感式傳感器

螺線管式自感式傳感器常采用差動式。如圖7-5所示,差動式電感傳感器對外界影響,如溫度地變化,電源頻率地變化等基本上可以互相抵消,銜鐵承受地電磁吸力也較小,從而減小了測量誤差。從輸出特性曲線（見圖7-6）可以看出,差動式電感傳感器地線性較好,且輸出曲線較陡,靈敏度約為非差動式電感傳感器地兩倍。16線性度地問題

忽略二次項以上地高次項,成線性關(guān)系。存在高次項,非線性誤差嚴重。Δδ/δ0不能大（=0.1～0.2）,輸出特性與測量范圍之間存在矛盾∴自感式傳感器用于微小位移量是比較精確地。1）變間隙式靈敏度:δL實際輸出特性理想輸出特性172）變面積式工作特性為線性地。但實際上由于漏磁通等因素地影響,仍存在非線性誤差,不過與前一類變間隙型相比要好很多。靈敏度:SL實際輸出特性理想輸出特性183）螺管式假定線圈內(nèi)磁場強度均勻,lc<l,則有:rc:磁通作用半徑,與氣隙長度δ與磁心直徑有關(guān):靈敏度:實際輸出特性是非線性。銜鐵工作在螺線管部時,認為線圈磁場強度均勻地,線圈電感量L與銜鐵插入深度大致成正比。∴適合測取稍大一些地位移。（二）自感式傳感器地測量電路

自感式傳感器地測量電路有交流分壓式,交流電橋式與諧振式等多種,常用地差動式傳感器大多采用交流電橋式。1．變壓器交流電橋

2．帶相敏整流地交流電橋

只要活動鐵芯向一方向移動,無論在交流電源地正半周還是負半周,電橋輸出電壓Uo均為正值。動鐵芯向相反方向移動。當活動鐵芯向線圈地另一個方向移動時,用上述分析方法同樣可以證明,無論在地正半周還是負半周,電橋輸出電壓均為負值采用帶相敏整流地交流電橋,其輸出電壓既能反映位移量地大小,又能反映位移地方向,所以應用較為廣泛。圖7-11所示為相敏整流交流電橋輸出特性曲線。3.諧振式測量電路諧振式測量電路有諧振式調(diào)幅電路如圖7-12所示,諧振式調(diào)頻電路如圖7-13所示在調(diào)幅電路,傳感器電感L與電容C,變壓器原邊串聯(lián)在一起,接入交流電源,變壓器副邊將有電壓Uo輸出,輸出電壓地頻率與電源頻率相同,而幅值隨著電感L而變化,圖7-12（b）所示為輸出電壓Uo與電感L地關(guān)系曲線在調(diào)幅電路,傳感器電感L與電容C,變壓器原邊串聯(lián)在一起,接入交流電源,變壓器副邊將有電壓Uo輸出,輸出電壓地頻率與電源頻率相同,而幅值隨著電感L而變化,圖7-12（b）所示為輸出電壓Uo與電感L地關(guān)系曲線,二,差動變壓器式傳感器把被測地非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感變化地傳感器稱為互感式傳感器。因這種傳感器是根據(jù)變壓器地基本原理制成地,并且其二次繞組都用差動形式連接,所以又叫差動變壓器傳感器,簡稱差動變壓器。它地結(jié)構(gòu)形式較多,有變隙式,變面積式與螺線管式等,但其工作原理基本一樣。在非電量測量,應用最多地是螺線管式地差動變壓器.（一）差動變壓器工作原理差分變壓器輸出電壓動畫它主要由繞組,活動銜鐵,測桿與導磁外殼等組成。繞組包括一,二次繞組與骨架等部分。當活動銜鐵處于初始平衡位置時,必然會使兩二次繞組磁回路地磁阻相等,磁通相同,互感系數(shù)M1=M2。根據(jù)電磁感應原理,將有,由于兩二次繞組反向串聯(lián),因而=0副Ⅰ0e2e2e21e22x副Ⅱ原線圈差動變壓器輸出電勢e2與銜鐵位移x地關(guān)系。其x表示銜鐵偏離心位置地距離。當銜鐵位于心位置時,差動變壓器地輸出電壓并不等于零,通常把差動變壓器在零位移時地輸出電壓稱為零點殘余電壓零點殘余電動勢產(chǎn)生地原因是傳感器地兩次級繞組地電氣參數(shù)與幾何尺寸不對稱,以及磁性材料地非線性等問題引起地,使得傳感器在零點附近地輸出特性不靈敏,為測量帶來誤差。為了減小零點殘余電動勢,可采用以下方法。（1）盡可能保證傳感器尺寸,線圈電氣參數(shù)與磁路對稱。（2）選用合適地測量電路。（3）采用補償線路減小零點殘余電動勢。31一些典型地補償電路圖4-37補償電路a）電阻補償b）電阻補償c）阻容補償變間隙式差動變壓器傳感器由差動變壓器地特性可知,差動變壓器地輸出與初級線圈對兩個次級線圈地互感之差有關(guān)。結(jié)構(gòu)形式不同,互感地計算方法就有所不同。P型差動變壓器地輸出特性為

輸出電壓Uo與銜鐵位移Dd成比例。式負號表明Dd向上為正時,輸出電壓與電源電壓反相;Dd向下為負時,兩者同相。P型差動變壓器地靈敏度表達式為圖3.11變間隙式（二）差動變壓器測量電路

差動變壓器輸出地是交流電壓,若用交流電壓表測量,只能反映銜鐵位移地大小,而不能反映移動方向。另外,其測量值將包含零點殘余電壓。為了達到能辨別移動方向及消除零點殘余電動勢目地,實際測量時,常常采用差動整流電路與相敏檢波電路。1．差動整流電路2．差動相敏檢波電路差動相敏檢波電路地種類很多,但基本原理大致相同。下面以二極管環(huán)形（全波）差動相敏檢波電路為例說明其工作原理。等效電路工作原理項目實施一,電感壓力傳感器工作原理電感壓力傳感器常見地有氣隙式與差動變壓器式兩種結(jié)構(gòu)形式二,實訓內(nèi)容

1.實訓原理差動變壓器由一只初級線圈與兩只次級線圈及一個鐵芯組成（鐵芯在可移動桿地一端）,根據(jù)內(nèi)外層排列不同,有二段式與三段式,本實訓采用三段式結(jié)構(gòu)2.實訓器件與單元差動變壓器實訓模塊,測微頭,雙線示波器,差動變壓器,音頻信號源（音頻振蕩器）,直流電源,萬用表。3.實訓步驟（1）將差動變壓器裝在差動變壓器實訓模塊上。（2）在模塊上按照圖7-24所示接線,音頻振蕩器信號需要從主控箱地LV端子輸出,調(diào)節(jié)音頻振蕩器地頻率,輸出頻率為5～10kHz（可用主控箱地數(shù)顯表地頻率擋fi輸入來監(jiān)測,實訓可調(diào)節(jié)頻率使波形不失真）（3）旋動測微頭,使示波器第二通道顯示地波形峰-峰值Vp-p為最小。這時可以左右位移,假設其一個方向為正位移,則另一個方向位移為負。從Vp-p最小開始旋動測微頭,每隔0.5mm從示波器上讀出輸出電壓Vp-p值填入表7-1項目拓展（一）自感式傳感器地應用1．自感式測厚儀2．位移測量

位移測量軸向式電感測微器地外形航空插頭紅寶石測頭46其它電感測微頭47軸向式電感測微器地內(nèi)部結(jié)構(gòu)1—引線電纜2—固定磁筒3—銜鐵4—線圈5—測力彈簧6—防轉(zhuǎn)銷7—鋼球?qū)к墸ㄖ本€軸承）8—測桿9—密封套10—測端11—被測工件12—基準面電感式滾柱直徑分選裝置圖3-14滾柱直徑分選裝置1—氣缸2—活塞3—推桿4—被測滾柱5—落料管6—電感測微器7—鎢鋼測頭8—限位擋板9—電磁翻板10—容器（料斗）電感式滾柱直徑分選裝置測微儀圓柱滾子電感傳感器在仿形機床地應用1—標準靠模樣板2—測端（靠模輪）3—電感測微器4—銑刀龍門框架5—立柱6—伺服電動機7—銑刀8—毛坯仿形銑床外形仿形