电感式传感器课件

2019/5/16,1,章节导入： 电感式传感器：利用线圈自感或互感量系数的变化来实现非电量电测的一种装置。可以进行如力、压力、压差、加速度、振动、工件尺寸均可测量。 本章要点： 1、自感式传感器的结构、工作原理。 2、差动变压器的结构、工作原理、测量电路重点掌握 差动螺线管式电感传感器。 3、掌握差动相敏检波电路以及一次仪表的相关知识。 4、电感式传感器的应用。,第三章 电感式传感器,2019/5/16,2,传感器工作原理：,N：线圈匝数； A ：气隙的有效截面积； 0 ：真空磁导率； ：气隙厚度。,电感量计算公式 ：,固定任意两个量就可以进行某一个量的 测量：变隙式、变面积式、螺线管式,第一节 自感式传感器,2019/5/16,3,自感式电感传感器常见的形式,a)变隙式 b)变截面式 c)单线圈螺线管式,2019/5/16,4,先看一个实验：,将一只380V交流接触器线圈与交流毫安表串联后，接到机床用控制变压器的36V交流电压源上，如图所示。这时毫安表的示值约为几十毫安。用手慢慢将接触器的活动铁心（称为衔铁）往下按，我们会发现毫安表的读数逐渐减小。当衔铁与固定铁心之间的气隙等于零时，毫安表的读数只剩下十几毫安。,一、变隙式传感器,2019/5/16,5,电感传感器的基本工作原理演示,F,220V,36V,2019/5/16,6,电感传感器的基本工作原理演示,气隙变小，电感变大，电流变小,2019/5/16,9,二、变面积式电感传感器的基本工作原理,线性区较小，灵敏度较低，使用少。,三、单线圈螺线管式电感传感器 单线圈螺线管式电感传感器，当衔铁工作在螺线管的中部时，可以认为线圈内磁场强度是均匀的，此时线圈电感量L与衔铁插入深度l大致成正比。 特点与应用范围：结构简单，制作容易，但灵敏度稍低，适用于测量稍大一点的位移。,2019/5/16,10,四、差动电感传感器的特性 1、结构如图,1-差动线圈 2-铁心 3-衔铁 4-测杆 5-工件,差动电感传感器的结构要求是两个导磁体的几何尺寸完全相同，材料性能完全相同；两个线圈的电气参数（电感、匝数、直流电阻、分布电容）和几何尺寸完全相同。,2019/5/16,11,四、差动电感传感器的特性 2、特性,在变隙式差动电感传感器中，当衔铁随被测量移动而偏离中间位置时，两个线圈的电感量一个增加，一个减小，形成差动形式。抵消温度、噪声干扰，从而减小测量误差。 从灵敏度公式看出灵敏度为非差动2倍。,2019/5/16,12,曲线1、2为L1、L2 的特性，3为差动特性,如图单线圈电感传感器与差动式电感传感器的特性比较，差动式电感传感器的线性范围较大。,结论：差动形式测量误差小、线性范围宽、灵敏度大。,2019/5/16,13,五、测量转换电路,1、桥式测量转换电路,相邻两工作臂Z1、Z2是差动电感传感器的两个线圈阻抗。另两臂为激励变压器的二次绕组。输入电压约为10V左右，频率约为数千赫，输出电压取自A、B两点。阻抗为高品质因数,2019/5/16,14,2019/5/16,15,当衔铁处于中间位置时桥路平衡：,输出电压：Uo=0。,当衔铁下移时： 下线圈感抗增加，而上线圈感抗减小时。输出电压 绝对值增大，其相位与激励源同相。 输出电压：,衔铁上移时：输出电压的相位与激励源反相。 输出电压：,2019/5/16,16,2、相敏检波电路： 在桥路的输出端接上普通仪表，显示不出相位和衔铁的位移方向如果输出电压在送到指示仪前经过一个能判别相位的检波电路，则不但可以反映位移的大小（的幅值），还可以反映位移的方向（的相位）。这种检波电路称为相敏检波电路。 相敏检波电路的输出电压为直流，其极性由输入电压的相位决定。当衔铁向下位移时，检流计的仪表指针正向偏转。当衔铁向上位移时，仪表指针反向偏转。采用相敏检波电路，得到的输出信号既能反映位移大小，也能反映位移方向。,2019/5/16,17,相敏检波输出特性曲线,a）非相敏检波 b）相敏检波 1理想特性曲线 2实际特性曲线,2019/5/16,18,第二节 差动变压器式传感器,电源中用到的“单相变压器”有一个一次线圈（又称为初级线圈），有若干个二次线圈（又称次级线圈）。当一次线圈加上交流激磁电压Ui后，将在二次线圈中产生感应电压UO。,一、差动变压器式传感器的结构与工作原理,一次线圈,衔铁,测杆,二次线圈,2019/5/16,19,差动变压器式传感器的结构与工作原理,差动变压器式传感器是把被测位移量转换为一次线圈与二次线圈间的互感量M的变化的装置。当一次线圈接入激励电源之后，二次线圈就将产生感应电动势，当两者间的互感量变化时，感应电动势也相应变化。由于两个二次线圈采用差动接法，故称为差动变压器。目前应用最广泛的结构型式是螺线管式差动变压器。,差动变压器的结构原理如图。在线框上绕有一组输入线圈（称一次线圈）；在同一线框的上端和下端再绕制两组完全对称的线圈（称二次线圈），它们反向串联，组成差动输出形式。图中标有黑点的一端称为同名端，通俗说法是指线圈的“头”。,2019/5/16,20,二、差动变压器式传感器的差动连接方法,结构特点： 两个二次线圈反向串联，组成差动输出形式。二次线圈线圈N21、N22 的有关端点正确地连接起来,2019/5/16,21,差动变压器式传感器的差动连接方法,差动变压器的结构形式较多,应用最多的是螺线管式差动变压器 结构： 中间初级，两边次级铁芯在骨架中间可上下移动 这种传感器根据变压器的基本原理制成，并将次级线圈绕组用差动形式连接它可测量 1100mm范围内机械 位移。,2019/5/16,22,三、灵敏度与线性度,1、灵敏度 差动变压器的灵敏度一般可达0.55V/mm，行程越小，灵敏度越高。 为了提高灵敏度，励磁电压在10V左右为宜。电源频率以110kHz为好。 2、线性范围 差动变压器线性范围约为线圈骨架长度的1/10左右。能达到100mm以上。,2019/5/16,23,四、测量转换电路,差动变压器的输出电压是交流分量，它与衔铁位移成正比，其输出电压如用交流电压表来测量时，无法判别衔铁移动的方向。 解决办法： （1）采用差动相敏检波电路 （2）采用差动整流电路,2019/5/16,24,2019/5/16,25,2、Rp的作用： Rp用来微调电路平衡的。,分析测量转换电路,1、差动整流电路： 差动变压器的二次电压、分别经VD1VD4、VD5VD8两个普通桥式电路整流，变成直流电压Ua o和Ubo。由于Ua o与Ubo是反向串联的，该电路是以两个桥路整流后的直流电压之差作为输出的，所以称为差动整流电路。Uc3=Ua b=Ua o-Ubo 铁芯T在中间位置：Uo = 0,T上移： Uo 0 T下移： Uo 0,2019/5/16,26,b图是当衔铁上移时的各点输出波形。当差动变压器采用差动整流测量电路时，应恰当设置一次线圈和二次线圈的匝数比，使、在衔铁最大位移时，仍然能大于二极管死区电压（0.5V）的10倍以上，才能克服二极管的正向非线性的影响，减小测量误差。,3、低通滤波电路： 3、4、3、4组成低通滤波电路，其时间常数必须大于i周期的十倍以上。,4、差动减法放大器： A及R 21、R22、Rf、R23组成差动减法放大器，用于克服a、b两点的对地共模电压。,2019/5/16,27,第三节 电感式传感器的应用,自感式电感传感器和差动变压器式传感器主要用于位移测量，凡是能转换成位移变化量的参数，如力、压力、压差、加速度、振动、工件尺寸均可测量。,2019/5/16,28,一、位移测量,轴向式 电感测微器的内部结构： 1引线电缆 2固定磁筒 3衔铁 4线圈 5测力弹簧 6防转销 7钢球导轨（直线轴承） 8测杆 9密封套 10测端 11被测工件 12基准面,2019/5/16,29,轴向式电感 测微器的外形,航空插头,红宝石测头,测量过程 测量时红宝石（或钨钢）测端接触被测 被测物尺寸的微小变化使衔铁在差动线圈中产生位移，造成差动线圈电感量的变化 此电感变化通过电缆接到交流电桥，电桥的输出电压反映了被测体尺寸的变化 测微仪器的最小量程为3m。,其它感辨头,2019/5/16,30,模拟式及数字式电感测微仪,该仪表各档量程为3、 10、 30、 100um 相应指示表的分度值为0.1、0.5、1.5 um,分辨力达0.1um， 精度为0.1%左右。,2019/5/16,31,二、电感式滚柱直径分选装置,1气缸 2活塞 3推杆 4被测滚柱 5落料管 6电感测微器 7钨钢测头 8限位挡板 9电磁翻板 10容器（料斗）,2019/5/16,32,测量过程,振动料斗送来的滚珠按顺序进入落料管5.,滚珠的直径决定了衔铁的位移量。电感传感器的输出信号经相敏检波后送到计算机，计算出直径的变差量。,电感测微计的测杆在电磁铁控制下，先提高，汽缸推杆3将滚珠推入测杆正下方，电磁铁释放，钨钢测头7向下压住滚珠。,2019/5/16,33,电感式滚柱直径测微仪,测微仪,圆柱滚子,2019/5/16,34,电感式滚柱直径分选装置,滑道,分选仓位,落料振动台,控制键盘,测微仪,2019/5/16,35,电感式滚柱直径分选装置（机械结构放大）,汽缸,控制键盘,直径测微装置,长度测微装置,滑道,2019/5/16,36,机械及气动元件,电感测微器,汽缸,气水分离器 （供气三联件）,储气罐,导气管,气压表 （0.4MPa左右）,2019/5/16,37,三、电感传感器在仿形机床中的应用,1标准靠模样板 2测端（靠模轮） 3电感测微器 4铣刀龙门框架 5立柱 6伺服电动机 7铣刀 8毛坯,2019/5/16,38,测量过程 电感测微器的硬 质合金端与标准凸轮 外表轮廓接触。 当衔铁不在差动 电感线圈的中间位置 时，测微器有输出。 输出电压经伺服 放大器放大后，驱动 伺服电动机正转或反 转，带动龙门框架上 移或下移。,仿形头,主轴,仿形铣床外形,2019/5/16,39,四、电感式不圆度计,测量过程： 该圆度计采用旁向式电感测微头，采用钨钢或红宝石，固定测头，工件围绕测头旋转并与测头接触，通过杠杆将位移传递给电感测头的衔铁，从而使差动电感有相应的输出。,2019/5/16,40,旋转盘,杠杆,旁向式钨钢或红宝石电感测微头,电感式不圆度测试系统,2019/5/16,41,不圆度测量打印,2019/5/16,42,五、压力测量,1压力输入接头 2波纹膜盒 3电缆 4印制线路板 5差动线圈 6衔铁 7电源变压器 8罩壳 9指示灯 10密封隔板 11安装底座 a、外形图 b、结构图,差动变压器压力变送器的结构与外形图,2019/5/16,43,差动变压器压力变送器的电路图,2019/5/16,44,测量过程,膜盒由两片波纹膜片焊接而成。所谓波纹膜片是一种压有同心波纹的圆形薄膜。当膜片四周固定，两侧面存在压差时，膜片将弯向压力低的一侧，因此能够将压力变换为直线位移。适用于各种生产流程中液体、水蒸气及气体压力。 被测气体未导入，膜盒2无位移，活动衔铁在差动线圈的中间位置，因而输出电压为零。 被测压力从输入口1到膜盒2，自由端产生一个正比于被测压力的位移，测杆使衔铁向上移动，在差动变压器二次线圈产生感应电动势发生变化有电压输出，此电压经过安装在印制电路板4上的电子线路处理后，送到二次仪表加以显示。,2019/5/16,45,测量过程,220V交流电通过降压、整流、滤波、稳压后，由多谐振荡器及功率驱动电路转变为6V、2KHz的稳频、稳幅交流电压，作为差动变压器的激励源 差动变压器的二次侧输出电压通过半波差动整流电路整流、滤波后，作为变送器的输出信号，接入二次仪表显示。 电路中的RP1是调零电位器，RP2是调满度电位器。输出信号可进一步进行电压/电流的变换，经变送器送出。,2019/5/16,46,六、压力变送器 一次仪表与420mA二线制输出方式,模拟压力变送器,数字压力变送器,2019/5/16,47,六、一次仪表与420mA二线制输出方式,2019/5/16,48,一次仪表与420mA二线制输出方式,1、一次仪表： 前述的压力变送器已经将传感器与信号处理电路组合在一个壳体中，并安装在检测现场，在工业中经常被称为一次仪表。 2、一次仪表的输出： 输出信号可以是电压，也可以是电流。由于电流信号不易受干扰，且便于远距离传输（可以不考虑线路压降），所以在一次仪表中多采用电流输出型。 旧标准：010mA或02V。 新的标准规定电流输出为420mA；电压输出为15V。4mA对应于零输入，20mA对应于满度输入。,2019/5/16,49,3、本底电流： 不让信号占有04mA这一范围的原因以及“本底”电流： 一方面是有利于判断线路故障（开路）或仪表故障；另一方面，这类一次仪表内部均采用微电流集成电路，总的耗电还不到4mA（称为“本底”电流），因此还能利用04mA这一部分“本底”电流为一次仪表的内部电路提供工作电流，使一次仪表成为两线制仪表。 4、二线制仪表 是指仪表与外界的联系只需两根导线。多数情况下，其中一根（红色）为+24V电源线，另一根（黑色）既作为电源负极引线，又作为信号传输线。,2019/5/16,50,4、二线制仪表 是指仪表与外界的联系只需两根导线。多数情况下，其中一根（红色）为+24V电源线，另一根（黑色）既作为电源负极引线，又作为信号传输线。,二线制仪表的输出外形,2019/5/16,51,5、电流与电压的转换：