Transcript ppt
任务四：直线或转动位移的测量 4.1电感式位移传感器 电感式位移传感器：是将被测物理 量的位移转化为自感L，互感M的变 化，并通过测量电感量的变化确定 位移量。 电感式位移传感器的主要类型： 电感式位移传感器的主要类型有： 自感式、互感式、涡流式和压磁式 等 电感式位移传感器的特点： 输出功率大、灵敏度高、稳定性好 电感式传感器的工作基础：电磁感应 即利用线圈电感或互感的改变来实现非电 量测量 被测物理量 （非电量：位移、 电磁感应 振动、压力、 流量、比重） 线圈自感系数L/ 互感系数M 测量电路 电压或电流 （电信号） 4.1.1自感式电感位移传感器 1. 工作原理与结构 自感式传感器是把被测量变化转换成自感L的变化，通过一定 的转换电路转换成电压或电流输出。 自感式位移传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和 衔铁由导磁材料制成。 1. 工作原理与结构 线圈 L1 铁芯 A1 W L2 A2 衔铁 在缠绕在铁心上的线圈中通以交变电流i，产生磁通Φm,形成 磁通回路。 1. 工作原理与结构 磁通与电流之间的关系 N m Li N 线圈的匝数; L 自感( H ) 根据磁路欧姆定律 Ni m Rm 2 N 则L Rm Rm 磁阻( H 1 ) 1. 工作原理与结构 磁阻Rm在本例中包括三部分，铁芯、衔铁和气隙中 的磁阻。 l 2 Rm S 0 S0 l 铁心与衔铁中的导磁长度（m); 铁心与衔铁的磁导率（H / m)， S 铁心与衔铁中的导磁面积（m 2 ); 气隙厚度（m) 0 真空磁导率（H / m); S 0 气隙的导磁横截面积（m 2 ) 1. 工作原理与结构 通常气隙的磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻 2 l 0 S0 S 2 则Rm 0 s0 N 0 s0 N L Rm 2 2 2 1. 工作原理与结构 N 0 s0 N L Rm 2 2 2 当铁芯的结构和材料确定后，自感L是气隙厚度 δ和气隙磁 通截面积S的函数。 因此自感式位移传感器可分为变气隙型、变面积型和螺管型。 1. 工作原理与结构 线圈 L1 铁芯 A1 W L2 A2 衔铁 变气隙型自感传感器——如果S保持不变，则 L为δ 的单值函数，可构成变气隙型自感传 感器 1. 工作原理与结构 变面积型自感传感器——如果保持 δ不变， 使S随位移而变，则可构成变面积型自感传 感器； 1. 工作原理与结构 螺线管型自感传感器——如果在线圈中放入圆柱形衔铁，当 衔铁上下移动时，自感量将相应变化，就构成了螺线管型自 感传感器。 变气隙型自感传感器(略） 输出特性：L与δ之间是非线性关系， 特性曲线如下图 L 线圈 L1 铁芯 A1 L0＋L W L2 A2 N 2 N 2 0 A0 L Rm 2 衔铁 L0 L0－L o － ＋ 变气隙式电压传感器的L-δ特性 变气隙型自感传感器 分析： 当衔铁处于初始位置时， 0 S 0 N 2 L0 2 0 当衔铁上移Δδ时，传感器气隙减小Δδ，即δ=δ0－Δδ， 则 此时输出电感为 N 2 0 S0 L0 L L0 L 2( 0 ) 1 0 变气隙型自感传感器 当Δδ/δ0<<1时： 2 L L0 L L0 1 0 0 0 3 可求得电感增量ΔL和相对增量ΔL/L0的表达式，即 2 L L0 1 0 0 0 2 L 1 L0 0 0 0 对上式作线性处理，即忽略高次项后，可得 L L0 0 灵敏度为 L L0 K 0 可见：变间隙式电感传感器的线性度差，示值范围窄（测量 范围），自由行程小，但在小位移下灵敏度高，，因此变隙 式电感式传感器适用于测量微小位移的场合。 为了减小非线形误差，实际中广泛采用差动变隙式电感传感器 差动变隙式电感传感器 1-铁芯； 2-线圈； 3-衔铁 当衔铁向上移动时，两个线圈的电感变化量ΔL1、ΔL2 差动变隙式电感传感器 灵敏度k为 L 2 L0 k 0 （1）差动变间隙式自感传感器的灵敏度是单线圈式传感器的两 倍。 因此差动式自感式传感器，提高了精度、灵敏度，明显改 善了线性度。 变面积型电感传感器（略） 气隙长度不变，铁心与衔铁之间相对覆盖面积随被测量 的变化面而改变，从而导致线圈的电感量发生变化。灵 敏度低，线性较好，量程较大，使用比较广泛。 螺管型电感传感器（略） 衔铁随被测对象移动，线圈磁力线路径上的磁阻发生变化， 线圈电感量也因此而变化。线圈电感量的大小与衔铁插入线 圈的深度有关。灵敏度较低，量程大，结构简单易于制作和 批量生产，是使用最广泛的一种电感式传感器。 2. 在改善电感位移传感器性能要考虑的因素 （1）损耗问题 电感线圈、衔铁系统在高频电流激励下工作必然存在功率损 耗。主要损耗有线圈和铁心。 （2）气隙边缘效应的影响 （3）温度误差 （4）差动式电感位移传感器的零点剩余电压问题 课堂练习 16、自感式位移传感器可分为变气隙型、变面积型和 （ ）（测一）。 16、自感式位移传感器可分为变气隙型、变面积型和 （螺管型）。 27、改善电感式位移传感器的性能时需要考虑哪些因 素？（测一） 2. 在改善电感位移传感器性能要考虑的因素 （1）损耗问题 电感线圈、衔铁系统在高频电流激励下工作必然存在功率损 耗。主要损耗有线圈和铁心。 （2）气隙边缘效应的影响 （3）温度误差 （4）差动式电感位移传感器的零点剩余电压问题 4.1.2互感式位移传感器——差动变压器 互感式位移传感器是利用电磁原理，将被 测位移量的变化转换为线圈互感系数的变化， 这种传感器是根据变压器的基本原理制成的， 故又称变压器式位移传感器。 （二）互感式位移传感器——差动变压器 工作原理 线圈1为一次侧线圈，线圈2为二次侧线圈，当一次侧通过交流 电流时，在二次侧上将产生感应电动势。当两者间的互感量变 化时，感应电动势也相应变化。 感应电动势： di1 E M dt 式中M——互感系数（H) ——M的大小与两线圈之间相对位置以及周围介质 的导磁能力等因素有关。 表明：两线圈之间的耦合程度； 差动变压器式位移传感器 互感位移传感器常采用差动形式，即两个二次 线圈采用差动接法，故又称为差动变压器式位 移传感器。 差动变压器式位移传感器有变隙式、变面积式和 螺管式等。 非电量测量中，应用最多的是螺管式差动变压器， 它可以测量范围内的机械位移，并具有测量精度高、 灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点 (a)、(b) 变间隙式差动变压器 (c)、(d) 螺线管式差动变压器 (e)、(f) 变截面式差动变压器 差动变压器式位移传感器之螺管式差动变压器位移传感器 E1 E2 E0 螺管式差动变压器位移传感器 1. 结构 ——传感器主要由线圈、铁芯和活动衔铁三部分组 成。 ——线圈包括一个初级线圈1和2个次级线圈2,3组 成， 两个次级线圈结构参数完全相同，两个次级线 圈2,3反极性串接。 ——线圈中心插入导磁性极好的圆形铁心4. 螺管式差动变压器位移传感器 2. 工作原理 当初级线圈输入交流激励电 压时，两个二次侧线圈将产生感 应电动势E1和E2由于两个次级线 圈反接，因此传感器的输出电压 为两者之差。 di1 E1 M 1 dt di1 E2 M 2 dt di1 E0 E1 E2 ( M 1 M 2 ) dt 螺管式差动变压器位移传感器 2. 工作原理 当铁心处于零位时，即中间对称 位置时（铁心的原始平衡位置） M1 M 2 , 则E1 E2，故E0 0 当铁心偏离零位向上移动时由于磁阻的影响，上面线圈中 的磁通将大于下面线圈中的磁通，所以 M1 M 2 , 则E1 E2，故E0 0, 输出电压E0与E1同相位 大小与铁心位移成线性关系 di1 E0 E1 E2 ( M 1 M 2 ) dt 螺管式差动变压器位移传感器 2. 工作原理 当铁心偏离零位向下移动时 M 1 M 2 , 则E1 E2，故E0 0, 输出电压E0与E2同相位, 大小与铁心位移成线性关系 di1 E0 E1 E2 ( M 1 M 2 ) dt 螺管式差动变压器位移传感器 2. 工作原理 ——当铁心偏离零位上下移动时，移动的 距离和方向的信息，可以反映在二次侧线 圈输出电动势E0的幅值和相位中。 差动变压器式传感器输出需要接相敏检波电路 ——差动变压器式传感器输出的电压是交流电压量，如用交流电压表测 量，则输出值只能反映铁心位移的大小，而不能反映移动的方向，因此 需要将E0 进行放大和相敏检波才能得到被测位移x的大小和方向。 螺管式差动变压器位移传感器 ——交流电压输出存在一定的零点残余电压。 ——交流电压输出存在一定的零点残余电压。 铁心处于零位时，很难做到E1与E2在幅值、相位、谐波成分上完全相等， 实际上E0≠0，此时输出电压E’0称为零点残余电压。零点残余电压可能造 成误差，使后级放大电路饱和。因此应设法消除和减小零点残余电压E’0 ——产生零点残余电压的原因是由于两个次级线圈的结构不对称，以及 初级线圈铜损电阻的存在、铁磁材质不均匀、线圈间分布电容等因素形 成的，因此后接电路采用相敏检波电路。这样既能反应铁心位移极性， 又能补偿零点残余电压的差动直流输出电路 差动变压器相敏检波电路 当铁心处于中间位置时，调节电阻Rp可以使零点残余电 压减小。 ～ RP 移相器 差动变压器式电感位移传感器的优点： 差动变压器式电感位移传感器测量精度高， 分辨力可达0.1μm,线性范围大，有的能达到 250mm,稳定性好，使用方便。这种传感器广泛 用于直线位移、角位移以及可转换成位移的其 他机械量，如压力、重量、膨胀等。 总结 传感元件 或传感器 差动 变压器式 原始 输入量 变换 原理 位移 电磁 感应 物理 现象 结构型 能量 关系 输出量 控制型 互感 系数 课堂练习 6、利用差动变压器式位移传感器进行位移测量时， 为辨别物体的移动方向，处理电路中必须有的 环节是（测一） A.滤波 B.放大 C.整流 D.相敏检波 6、利用差动变压器式位移传感器进行位移测量时， 为辨别物体的移动方向，处理电路中必须有的 环节是 D.相敏检波 26、简述互感式位移传感器的优点。（模拟一） 26、简述互感式位移传感器的优点。 差动变压器式电感位移传感器测量精度高， 分辨力可达0.1μm,线性范围大，有的能达到 250mm,稳定性好，使用方便。这种传感器广泛 用于直线位移、角位移以及可转换成位移的其 他机械量，如压力、重量、膨胀等。 4.1.3涡流式位移传感器 电涡流式传感器的工作原理 块状金属置于变化的磁场中或在磁场中运动时， 金属体内都要产生感应电流，在金属体内自己 闭合，所以称之为电涡流或涡流，这种现象称 为涡流效应。 涡流式位移传感器是利用电涡流效应，将被测 量的变化转换为传感器线圈阻抗Z的变化的一种 装置。 涡流 成块的金属物体 置于变化着的磁场中， 或者在磁场中运动时， 在金属导体中会感应 出一圈圈自相闭合的 电流，这就是涡流。 高频反射式涡流传感器 — 自感型 根据激励频率不同分为 低频透射式涡流传感器 — 互感型 涡流式位移传感器 涡流的大小与金属体的电阻率ρ、磁导率μ、 厚度t以及线圈与金属体的距离x、线圈的激励 电流强度i,角频率ω等有关。如果固定其中某 些参数，就能由电涡流的大小测量出另外一些 参数。 涡流位移传感器在金属体上产生的涡流，其渗 透深度与传感器线圈的激励电流的频率有关， 所以涡流位移传感器主要分为高频反射和低频 透射两类，前者应用较广泛。 当电源频率f、线圈激励电流强度I、线圈尺寸参数、 金属导体的电阻率ρ等参数一定时，Z是位移x的单值 函数。 Z=F(x) 涡流式位移传感器就是根据上述原理制成的 一、高频反射式涡流传感器 线圈上通交变高频电流 线圈产生高频交变磁场 产生高频交变涡流 涡流产生反磁场 阻碍线圈电流交换作用 等效于L或阻抗的改变 二、低频透射式涡流传感器 ——这种传感器采用低频激励，因 而有较大的贯穿深度，适合于测量 金属材料的厚度。 ——传感器包括发射线圈和接收线圈， 并分别位于被测材料上、下方。由振 荡器产生的低频电压u1加到发射线圈 L1两端，于是在接收线圈L2两端将 产生感应电压u2，它的大小与u1的 幅值、频率以及两个线圈的匝数、结 构和两者的相对位置有关。 ——若两线圈间无金属导体，则L2的磁力能较多穿过L2，在L2上产生的 感应电压u2最大。 ——若两线圈间设置一个金属板，由于在金属板内产生电涡流，该电涡 流消耗了部分能量，使到达线圈L2的磁力线减小，从而引起u2的下降。 金属板厚度越大，电涡流损耗越大，u2就越小。图中可见u2的大小间 接反映了金属板的厚度。 涡流传感器结构简单，使用方便，不受油液等介 质的影响； 易于进行动态非接触测量，灵敏度高， 应用广泛，可测量位移、厚度、振动等 调频电路： 变——电感 L 变—— 振荡器 f 变 转化为电压 u的变化 涡电流传感器的特点： 动态非接触测量 范围: 1mm — 10 mm 分辨力：1 m 简单，使用方便，不受油液等介质的影响； 应用：位移，振动，测厚，探伤，材质鉴别，径向摆动， 回转轴误差，转速，零件计数，表面裂纹，缺陷等； 四、涡流传感器的应用 位移x的变化 电量的变化 可做成位移、振幅、厚度等传感器 电导率的变化 电量的变化 可做成表面温度、电解质浓度、材质判别等 磁导率的变化 电量的变化 可做成应力、硬度等传感器 x、、的综合影响 可做成材料探伤装置 1、位移测量 涡流位移计 总结 传感元件 或传感器 涡流式 原始 输入量 变换 原理 物理 现象 能量 关系 输出量 位移 涡流 效应 结构型 控制型 涡流 课堂练习 17、涡流式位移传感器是利用（ ）将被测量的变化 转换为线圈阻抗的变化的一种装置。 17、涡流式位移传感器是利用（ 电涡流效应 ）将 被测量的变化转换为线圈阻抗的变化的一种装置。 电涡流传感器是利用电涡流效应，将位 移、温度等非电量转换为阻抗的变化或电 感的变化从而进行非电量电测的。