任務(wù)五 差動(dòng)變壓器式壓力傳感器

教學(xué)內(nèi)容任務(wù)五差動(dòng)變壓器式傳感器課時(shí)2教學(xué)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)1.了解差動(dòng)變壓器式傳感器的工作原理；2.了解差動(dòng)變壓器式傳感器的結(jié)構(gòu)及分類；3.理解差動(dòng)變壓器式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路；4.掌握差動(dòng)變壓器式傳感器的實(shí)際應(yīng)用及接線方法。能力目標(biāo)1.能利用差動(dòng)變壓器式傳感器測量壓力；2.會(huì)識(shí)別各種差動(dòng)變壓器式傳感器。素質(zhì)目標(biāo)1.培養(yǎng)全面分析和解決問題的能力；2.培養(yǎng)勤觀察、勤動(dòng)手的良好習(xí)慣。教學(xué)重點(diǎn)1.差動(dòng)變壓器式傳感器的工作原理；2.差動(dòng)變壓器式傳感器的結(jié)構(gòu)及分類；3.差動(dòng)變壓器式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路；4.差動(dòng)變壓器式傳感器的實(shí)際應(yīng)用及接線方法。教學(xué)難點(diǎn)1.差動(dòng)變壓器式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路；2.差動(dòng)變壓器式傳感器的實(shí)際應(yīng)用及接線方法。教學(xué)策略教法學(xué)法講解，分析討論，動(dòng)畫觀看，ppt展示教學(xué)手段教具準(zhǔn)備課件，多媒體，ppt，圖片，動(dòng)畫，視頻教學(xué)過程教學(xué)要點(diǎn)及教師活動(dòng)學(xué)生活動(dòng)教學(xué)引入壓電式傳感器在技術(shù)層面有局限性，比如它只能檢測動(dòng)態(tài)力，而在測量靜態(tài)力時(shí)就不能運(yùn)用壓電式傳感器來完成測量了。對(duì)于靜態(tài)力如何測量呢？在電學(xué)中我們學(xué)習(xí)過電磁感應(yīng)，到銜鐵移動(dòng)時(shí)在次級(jí)線圈B中的感應(yīng)電流也將發(fā)生改變，這就是我們將學(xué)習(xí)的另外一種壓力檢測傳感器——差動(dòng)變壓器式壓力傳感器的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。學(xué)生思考，了解傳感器在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。教學(xué)過程教學(xué)要點(diǎn)及教師活動(dòng)學(xué)生活動(dòng)一、差動(dòng)變壓器式傳感器差動(dòng)變壓器式傳感器是一種廣泛用于電子技術(shù)和非電量檢測中的變壓裝置。用于測量位移、壓力、振動(dòng)等非電量參量。它既可用于靜態(tài)測量，也可用于動(dòng)態(tài)測量。1.差動(dòng)變壓器式傳感器的結(jié)構(gòu)差動(dòng)變壓器式傳感器主要由銜鐵、初級(jí)線圈、次級(jí)線圈和線圈骨架等組成。初級(jí)線圈作為差動(dòng)變壓器激勵(lì)用，相當(dāng)于變壓器的原邊；次級(jí)線圈由兩個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸和參數(shù)相同的相同線圈反相串接而成，相當(dāng)于變壓器的副邊。2.差動(dòng)變壓器式傳感器的工作原理差動(dòng)變壓器式傳感器的工作原理類似變壓器的作用原理，即電磁感應(yīng)的互感現(xiàn)象。一、二次繞組間的耦合能隨銜鐵的移動(dòng)而變化，即繞組間的互感隨被測量帶動(dòng)銜鐵改變而變化。由于在使用時(shí)采用兩個(gè)二次繞組反向串接，以差動(dòng)方式輸出，所以把這種傳感器稱為差動(dòng)變壓器式電感傳感器，通常簡稱為差動(dòng)變壓器式傳感器。差動(dòng)變壓器式傳感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），它的等效電路圖中U1為一次繞組激勵(lì)電壓；M1、M2分別為一次繞組與兩個(gè)二次繞組間的互感：L1、R1分別為一次繞組的電感和有效電阻；L21、L22分別為兩個(gè)二次繞組的電感；R21、R22分別為兩個(gè)二次繞組的有效電阻。對(duì)于差動(dòng)變壓器式傳感器，當(dāng)銜鐵處于中間位置時(shí)，兩個(gè)二次繞組繞向相同，因而由一次側(cè)激勵(lì)引起的感應(yīng)電動(dòng)勢相同。由于兩個(gè)二次繞組反向串接，所以差動(dòng)輸出電動(dòng)勢為零。當(dāng)銜鐵移向二次繞組L21一邊，這時(shí)互感M1大，M2小，因而二次繞組L21內(nèi)感應(yīng)電動(dòng)勢大于二次繞組L22內(nèi)感應(yīng)電動(dòng)勢，這時(shí)差動(dòng)輸出電動(dòng)勢不為零。在傳感器的量程內(nèi)，銜鐵移動(dòng)越大，差動(dòng)輸出電動(dòng)勢就越大。同樣道理，當(dāng)銜鐵向二次繞組L22一邊移動(dòng)差動(dòng)輸出電動(dòng)勢仍不為零，但由于移動(dòng)方向改變，所以輸出電動(dòng)勢反相。因此通過差動(dòng)變壓器輸出電動(dòng)勢的大小和相位可以知道銜鐵位移量的大小和方向。二、差動(dòng)變壓器式傳感器的分類差動(dòng)變壓器式傳感器依據(jù)結(jié)構(gòu)原理不同可分為：變隙式差動(dòng)變壓器式傳感器、變面積式差動(dòng)變壓器式傳感器、螺線管式差動(dòng)變壓器式傳感器三種。1.變隙式差動(dòng)變壓器式傳感器變隙式差動(dòng)變壓器式傳感器，a、b兩種結(jié)構(gòu)的變隙式差動(dòng)變壓器，圖中C為銜鐵，當(dāng)圖a中銜鐵上下移動(dòng)或者圖b中銜鐵左右移動(dòng)時(shí)，改變了銜鐵與鐵芯間隙大小，即導(dǎo)致互感發(fā)生變化，這會(huì)導(dǎo)致次級(jí)線圈有信號(hào)輸出，從而檢測被測量。這種傳感器靈敏度高，測量范圍較窄，一般用于測量幾微米到幾百微米的機(jī)械位移。2.螺線管式差動(dòng)變壓器式傳感器螺線管式差動(dòng)變壓器式傳感器，當(dāng)螺線管中的銜鐵隨著被測量移動(dòng)時(shí)，線圈中的互感會(huì)發(fā)生變化，使次級(jí)線圈有信號(hào)輸出達(dá)到檢測。這種傳感器常用于位移在1毫米至上百毫米的測量。3.變面積式差動(dòng)變壓器式傳感器變面積式差動(dòng)變壓器式傳感器，e、f是兩種測量轉(zhuǎn)角的變面積式差動(dòng)變壓器，當(dāng)銜鐵隨著被測量發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，線圈中的互感會(huì)發(fā)生變化，從而次級(jí)線圈有信號(hào)輸出達(dá)到檢測，通常可測到幾秒的微小位移。在三種差動(dòng)變壓器式傳感器中，應(yīng)用最多的是螺線式差動(dòng)變壓器，它可以測量范圍內(nèi)的機(jī)械位移，并具有測量精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。三、差動(dòng)變壓器式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路差動(dòng)變壓器式傳感器輸出的電壓是交流量，如用交流電壓表指示，則輸出值只能反應(yīng)鐵芯位移的大小，而不能反應(yīng)移動(dòng)的極性；同時(shí)，交流電壓輸出存在一定的零點(diǎn)殘余電壓，使活動(dòng)銜鐵位于中間位置時(shí)，輸出也不為零。因此，差動(dòng)變壓器式傳感器的后接電路應(yīng)采用既能反應(yīng)鐵芯位移極性，又能補(bǔ)償零點(diǎn)殘余電壓的差動(dòng)直流輸出電路，即差動(dòng)整流電路。當(dāng)沒有信號(hào)輸入時(shí)，鐵芯處于中間位置，調(diào)節(jié)電阻R，使零點(diǎn)殘余電壓減??；當(dāng)有信號(hào)輸入時(shí)，鐵芯移上或移下，其輸出電壓經(jīng)交流放大、相敏檢波、濾波后得到直流輸出。由表頭指示輸入位移量的大小和方向。差動(dòng)變壓器式傳感器兩個(gè)二次線圈電壓分別整流后，以它們的差值作為輸出，這樣，二次線圈電壓的相位和零點(diǎn)殘余電壓都不必考慮。其中圖a、b所示電路用于連接高阻抗負(fù)載，輸出電壓；圖c、d所示電路用于連接低阻抗負(fù)載的場合，輸出電流。圖中可調(diào)電阻R0用于調(diào)整零點(diǎn)殘余電壓（輸出電壓零點(diǎn)）。由于整流部分在差動(dòng)變壓器輸出端一側(cè)，所以只需兩根直流輸送線即可，而且可以遠(yuǎn)距離輸送，因而得到廣泛應(yīng)用。一般差動(dòng)整流輸出的信號(hào)還必須通過低通濾波器，從而把調(diào)制的高頻信號(hào)衰減掉，只讓銜鐵運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的有效信號(hào)通過。四、差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用差動(dòng)變壓器式傳感器的優(yōu)點(diǎn)是：測量精度高，可達(dá)0.1μm；線性范圍大，可到±100mm；穩(wěn)定性好，使用方便。它在現(xiàn)實(shí)生活中有著廣泛應(yīng)用。它的種類有很多，包括壓力傳感器、位移傳感器、加速度傳感器等，因而被廣泛應(yīng)用于直線位移，或可能轉(zhuǎn)換為位移變化的壓力、重量等參數(shù)的測量。1.壓力測量差動(dòng)變壓器式傳感器與彈性敏感元件（膜片、膜盒和彈簧管等）相結(jié)合，可以組成開環(huán)壓力傳感器和閉環(huán)力平衡式壓力計(jì)，其中1-接頭；2-膜盒；3-底座；4-線路板；5-差動(dòng)變壓器線圈；6-銜鐵；7-罩殼；8-插頭；9-通孔。膜盒由兩片波紋膜片焊接而成，當(dāng)膜片四周固定，兩側(cè)面存在壓差時(shí)，膜片將彎向壓力低的一側(cè)，因此能夠?qū)毫ψ儞Q為直線位移。這種傳感器一般測量范圍在0-60MPa，輸出信號(hào)為0-10mA或0-30mV。2.位移測量差動(dòng)變壓器式位移傳感器是在電磁感應(yīng)原理下測量出位移，當(dāng)初級(jí)線圈被供給一定頻率的交變電壓時(shí)，次級(jí)線圈就產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢，隨著鐵芯的位置不同，次級(jí)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢也不同，由電動(dòng)勢的不同推出的位移量的大小。差動(dòng)變壓器式位移傳感器（LVDT）可廣泛應(yīng)用于航天航空、機(jī)械、建筑、紡織、鐵路、煤炭、冶金、塑料、化工以及科研院校等國民經(jīng)濟(jì)各行各業(yè)，用來測量伸長、振動(dòng)、物體厚度、膨脹等的高技術(shù)產(chǎn)品。3.加速度測量差動(dòng)變壓器式加速度傳感器，主要依據(jù)的原理是牛頓第一定律即質(zhì)量塊的位移與被測物體的加速度正比，將加速度的測量轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰频臏y量。它由懸臂梁1和差動(dòng)變壓器2構(gòu)成。測量時(shí)將懸臂梁的底座及差動(dòng)變壓器的線圈骨架固定,而將差動(dòng)變壓器中的銜鐵3的A端與被測振動(dòng)體相連。當(dāng)被測體帶動(dòng)銜鐵以△x(t)振動(dòng)時(shí)，導(dǎo)致差動(dòng)變壓器輸出電壓也按相同的規(guī)律變化。因此,可從差動(dòng)變壓器的輸出電壓得知被測物體的振動(dòng)參數(shù)。為滿足測量精度的要求,此系統(tǒng)的固有頻率不可能很